钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能

2018-09-27安仁兵李天洋

西南科技大学学报 2018年3期

安仁兵张誉李天洋

(西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 621010)

砌体结构作为一种传统而古老的建筑结构形式，因易于就地取材、运输方便、施工简单等优点，目前仍被我国村镇民居大量使用。然而，砌体结构存在抗侧移能力低、整体稳定性差等缺点，在历次大地震中均发生大面积的坍塌[1]。因此，国内外学者提出将钢筋混凝土框架应用于砌体结构中，形成带圈梁构造柱约束的砌体结构体系。虽然现浇圈梁构造柱技术能有效提高砌体结构的抗震性能，但在“汶川地震”等震后调研发现，因造价较高、养护周期长以及施工困难等原因，村镇砌体结构民居中难以采用[2-3]。针对此类问题，课题组提出将钢管混凝土优良的力学性能运用到砌体结构圈梁构造柱中，省去了模板的支护以及混凝土的养护等工序，缩短了施工工期。为研究钢管混凝土圈梁构造柱约束砖墙的抗震性能，同时制作相同尺寸的无构造约束黏土砖墙以及传统钢筋混凝土圈梁构造柱约束黏土砖墙，通过拟静力加载试验，对比分析3片墙体之间的破坏特征，并结合滞回曲线、耗能能力等抗震性能指标对钢管混凝土圈梁构造柱建造技术作出整体评价。

1 试验概况

1.1 试件的设计与制作

本实验以砌体结构中的墙体为研究对象，根据相关实验规范和研究目的设计制作不同工况的3片黏土砖墙体：无构造约束黏土砖墙(Q1)、带钢筋混凝土圈梁构造柱约束砖墙(Q2)和带钢管混凝土圈梁构造柱约束砖墙(Q3)。3片墙体试件的几何尺寸、黏土砖强度、砂浆强度等参数均相同，主要参数见表1。其中，圈梁构造柱截面尺寸均为240 mm×240 mm；方钢管采用截面尺寸为100 mm×100 mm×2 mm 的Q235-B钢。根据试验要求，墙体应砌筑于地梁之上，地梁长3 000 mm，截面尺寸为300 mm×250 mm。试验所采用的混凝土配合比为：水∶水泥∶砂∶石子=0.38∶1∶1.1∶2.72，制作边长为150 mm立方体试块，在自然条件下养护28 d后抗压强度为30.5 N/mm2。

表1 试件参数Table 1 Parameters of the specimens

试验墙体的材料与施工工艺全部参考工程实际情况[4]。对于钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体，在地梁与钢管混凝土柱连接部位设置预埋钢筋，同时在地梁上部设置与方钢管同截面的槽沟，保证墙体与地梁的连接可靠。墙体砌筑时，将方钢管固定于预留位置处，砌块沿钢管外壁进行砌筑，达到指定高度后放置圈梁钢管，并在两侧砌筑竖向砌块作为填充。砌筑完成后直接在钢管中浇筑混凝土。混凝土浇筑时应分层下料、分层振捣，每次下料高度不宜大于500 mm；保证浇注密实。钢管灌注完全混凝土后，在两侧及顶部砌筑砖砌块，形成整片墙体。钢管混凝土制作过程如图1所示。

图1 Q3墙体制作过程Fig.1 Q3 wall production process

1.2 加载装置与方式

试验采用拟静力方法进行[5]。电液伺服测试系统(MTS)与项目组自行设计的一套夹具相连，实现对墙体的水平反复推拉荷载，墙体布置如图2所示。正式加载前，首先对墙体试件进行两次预加载,检验墙体是否有侧移，底梁固定情况是否良好，观察连接夹具的钢筋是否有松弛，地脚螺栓、锚固螺栓是否有滑扣或松动情况，并检查各测试仪器、数据采集系统是否能够正常工作。确认正常后，再对墙体试件正式加载，直至墙体破坏为止[6]。

图2 墙体布置Fig. 2 The layout of the wall

2 试验现象及破坏形态

(1)Q1墙体试验过程与现象。按前述方法进行预加载，待各项指标正常后开始施加低周往复荷载，级差为5 kN每循环。当水平荷载加至25 kN时，墙体产生第一条裂缝，发生在试件左下角砂浆缝处。加载继续向上增加一级，墙体下部的水平裂缝即刻发展，贯穿整片墙体下部，墙体发生平面内滑移，墙体充分破坏加载停止。最终破坏形态如图3所示。

图3 Q1破坏特征Fig. 3 The destructive characteristics of Q1

(2)Q2墙体试验过程与现象。按前述进行预加载，待各项指标正常后开始施加低周往复荷载，极差为10 kN每循环。加载初期，滞回环呈现明显的梭形，随着荷载的增加，墙体伴有咔咔响声，但墙体未出现明显的变化特征。在水平推力为100 kN时，墙体右上角出现长度约为10 cm的裂缝，同时左下角也产生些微的水平裂缝。此时改为位移加载，墙体上角裂缝斜向开展，左下角裂缝水平开展，右下角裂缝竖向开展。当位移控制达到8 mm时，墙体裂缝分布面积增多，之前的斜裂缝继续发展至35 cm，竖向裂缝宽度增加。墙体沿水平方向通缝开裂破坏(图4)。

图4 Q2破坏特征Fig. 4 The destructive characteristics of Q2

(3)Q3墙体试验过程与现象。按前述进行预加载，待各项指标正常后开始施加低周往复荷载，极差为10 kN每循环。当荷载加载至 100 kN，墙体仍未出现裂缝。荷载继续增加到120 kN时，滞回曲线有所弯折，但墙体仍未有裂缝产生。当荷载加载至130 kN 时，墙体以脚部为轴被抬起，钢管柱与内部的混凝土柱发生界面剥离。与此同时，墙体左侧沿构造柱方向出现竖向裂缝。墙体破坏形式如图5所示。

图5 Q3破坏特征Fig. 5 The destructive characteristics of Q3

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

滞回曲线是荷载-位移曲线，是结构试件骨架曲线、刚度退化曲线和能力消耗等抗震性能指标的重要依据[7]。试件滞回曲线如图6所示。

(1)Q1墙体滞回环仅在前两级加载中表现出良好的弹性性能，而后滞回环变为弓形，虽未产生肉眼可见裂缝，但滞回环已体现出明显的残余变形，荷载加至30 kN，墙体裂缝开始产生，滞回曲线产生更大的位移。相对于其余两个试件，Q1墙体滞回环圈数较少、包络面积较小，在墙体荷载达到极限荷载后，墙体承载力立刻大量降低，具有明显的脆性破坏特征。

(2)Q2墙体的滞回曲线相对饱满，滞回环面积较Q1墙体明显增大，在加载过程中形状由梭形逐渐向弓形转变。Q2墙体各阶段的位移值都显著高于无约束墙体，表明墙体具有良好的变形性能。钢筋混凝土圈梁构造柱墙体开裂后，滞回曲线斜率有所下降，但可以看出卸载后试件仍然存在一定的残余变形。

图6 试件滞回曲线Fig. 6 Hysteretic loops of specimens

(3)Q3墙体的滞回环的面积显著高于Q1墙体，滞回环从加载初期开始便呈现出明显的反“S”形特征，但每一加载循环结束后，墙体的残余变形较少，墙体表现出良好的弹性变形特征。Q3墙体的极限荷载与极限位移明显高于Q1以及Q2墙体，变形和耗能能力良好。

3.2 骨架曲线

骨架曲线是把每一滞回环上同向的荷载极值点依次连接形成的包络曲线，是确定试件承载能力特征值以及延性系数的重要依据[8]。试件的骨架曲线如图7所示。

图7 骨架曲线Fig. 7 Skeleton curves

(1)在试件加载初期，3片墙体骨架曲线基本重合，说明3片墙体在弹性阶段具有相同的变形协调能力。Q1墙体的加载曲线为直线，说明无构造约束的墙体一裂即坏，表现为明显的脆性破坏特征。Q2墙体与Q3墙体的曲线走势基本相同，但在相同荷载下，Q3墙体曲线的斜率低于Q2墙体，即Q3墙体受到与Q2墙体相同的水平作用力时，能够产生更大的位移，Q3墙体的变形性能优于Q2墙体。

(2)从骨架曲线中提取出的承载能力特征值以及延性系数见表2。可以看出，Q1墙体的屈服承载力与极限承载力接近，说明Q1墙体的屈服阶段较短，进一步证明墙体的脆性破坏特征。Q2墙体与Q3墙体的屈服承载力、极限承载力和延性均远远高于Q1墙体，且Q3墙体的最终承载能力比Q2墙体提高10.4%，墙体的位移增大了40.7%，墙体的延性也略微高于Q2墙体，表明钢管混凝土圈梁构造柱墙体具有更好的变形协调能力。

表2 承载能力特征值及延性Table 2 Bearing capacity characteristic value and ductility

3.3 刚度退化

墙体刚度随着加载循环周数增加而不断减小的现象称之为刚度退化，是墙体裂缝的开展以及墙体塑性变形的充分体现[9]。各墙体刚度退化曲线如图8所示。

图8 刚度退化曲线Fig. 8 Stiffness degration curves

在3片试验墙体中，Q1墙体的初始刚度最小，Q2墙体的初始刚度与Q3墙体接近。随着加载的继续进行，Q1墙体的刚度迅速退化并最终趋近于零。Q2与Q3墙体刚度经过前几阶的迅速下降后趋于平缓，Q2墙体破坏时的刚度保持在14 929 N/mm；Q3墙体的位移量比Q2墙体大，Q3墙体的刚度随着位移的增加继续降低，破坏时的残余刚度为10 336 N/mm。

3.4 耗能能力

墙体的耗能能力通过能量耗散系数E以及等效黏滞阻尼系数ζeq反应[10](表3)。由表3可以看出，3片墙体的能量耗散指标E以及ζeq均随着加载次数的增加而逐渐降低，但Q3墙体的变形能在相同加载次数下均大于Q1和Q2墙体，表明此种新型墙体的抗震性能优于传统砌体墙。钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的能量耗散系数随着加载次数的增加下降很快，表明墙体吸收能量主要发生在力施加的前期。