竖向荷载作用下带纵向加强肋复合墙体受力性能研究*

陈国新， 王 利， 胡玉龙， 席 亮

(新疆农业大学水利与土木工程学院， 乌鲁木齐 830052)

0 引言

随着我国建筑行业的不断革新，一大批新型建筑结构形式如雨后春笋般出现。如异形柱框轻结构[1]、短肢剪力墙结构[2]、CL结构体系[3]、装配式密肋复合板结构[4]随着建筑行业的发展应用也越来越多，建筑结构向着更加绿色、节能、环保、安全的方向发展。配筋砌体[5-6]的出现改善了砌体结构破坏模式不合理、不利于抗震设计的缺点，让砌体能够运用在更多的结构形式上。带纵向加强肋复合墙体是一种在传统砌体结构中增加多道配筋较小的钢筋混凝土肋梁，并与框柱、暗梁整浇在一起，约束内部轻质保温砌块的新型建筑结构形式。复合墙体中框柱、加强肋和砌块之间协同工作、共同受力，形成墙体各结构部位能够共同发挥作用的复合型砌体结构，如图1所示。

图1 带纵向加强肋复合墙体

为研究该复合结构的力学性能，使其具有更强的适用性，席亮[7]对竖向荷载作用下带纵向加强肋复合墙体的荷载分配规律以及洞口对复合墙体承载力的影响进行了研究；胡玉龙[8]、吕信敏[9]对不同开洞工况下复合墙体的抗震性能和抗剪性能进行了分析，提出了竖向荷载作用下复合墙体的抗剪承载力计算公式。作为一种新型建筑结构，竖向荷载作用下带纵向加强肋复合墙体的受力性能以及承载力影响因素的分析还较少，需进一步研究。本文设计并制作一榀缩尺比例为1/2的带纵向加强肋复合墙体模型(SCW-1)并进行轴心抗压性能试验，以探究竖向均布荷载作用下复合墙体的受力性能，分析墙体的受力特点、破坏过程、破坏模式及框柱和肋梁中的钢筋应变随荷载变化的规律，并结合ABAQUS软件对带纵向加强肋复合墙体进行有限元分析，分析影响墙体承载力有的主要因素。

1 试验简介

1.1 试件的设计与制作

1.1.1 试件设计

试件为缩尺比例1/2的模型墙体，墙体原型尺寸2.8m×3.0m×0.2m，试验墙体设计参数见表1。框柱配筋率为1.1%，肋梁配筋率为1.0%。墙体中框柱和暗梁均采用C30混凝土现浇。砂浆采用M5.0混凝土砂浆，砌块采用干密度等级为B06，强度等级为A3.5的加气混凝土砌块。

设计参数 表1

1.1.2 材料性能

试件中钢筋力学性能测试结果见表2。混凝土、填充砌块及砂浆的测试[10]结果见表3。

钢筋力学性能 表2

混凝土、砌块、砂浆力学性能 表3

1.1.3 试件制作

试验墙体制作时首先进行底部肋梁的支模、钢筋绑扎和浇筑，在肋梁混凝土达到设计强度的50%时进行第一层砌体的砌筑，并在两侧框柱处留马牙槎[11]；随后进行中部肋梁和底部框柱的浇筑，待混凝土达到一定强度后进行第二层砌体的砌筑；然后以同样的方法浇筑上部肋梁和中部框柱，待混凝土达到一定强度后进行第三层砌体的砌筑；最后浇筑暗梁与上部框柱，形成砌体、肋梁和框柱共同受力的整体。制作过程如图2所示。

图2 墙体制作过程

为探析在竖向荷载作用下墙体各部位中钢筋的应力变化状态，分析结构整体的受力特点，在墙体制作过程中将应变片粘贴在框柱和肋梁的钢筋上，其中框柱中钢筋应变片粘贴于肋梁和框柱节点下50mm对应的两侧钢筋上，肋梁中的钢筋应变片粘贴于纵向受力筋距梁柱节点50mm处和肋梁中部。加载装置及应变测点布置如图3，4所示。

图3 加载装置

图4 应变测点布置

1.2 试验方法

试验采用竖向千斤顶经水平分配梁向试件施加竖向均布荷载，为确保分配梁与试件均匀接触，在试件顶部与钢梁接触面均匀铺设水泥砂浆并确保钢梁与试件的几何中心对齐。

试验加载过程采用力控制[12]，加载过程分为预加载和试验加载两个阶段。预加载阶段分两次从0kN加载至50kN，每次持时5min，再用同样的方法卸载至0kN，加载速率控制在5kN/min左右。加载阶段采用逐级加载，每级荷载50kN，每次持续时间为10min，直至墙体发生破坏，加载速率控制在10kN/min。

2 试验现象及分析

竖向均布荷载作用下复合墙体受力主要经历三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段。

弹性阶段，竖向荷载较小时，墙体各承力构件无明显变化。随着荷载的增加，砌块表面出现少量细微裂缝并伴随有轻微的声响，此时墙体中的砌块发挥主要作用，以砌块开裂来消耗竖向荷载作用下墙体产生的能量。当荷载达到135kN时，砌体出现少量可见性裂缝，此时荷载为极限荷载的35%。此后，裂缝不断产生并逐步向砌块与砂浆连接部位和邻近肋梁部位扩张。

弹塑性阶段，荷载继续增加，角部砌块出现贯穿性裂缝，原有裂缝也不断增大并向框柱及肋梁节点处扩张。当竖向荷载加载至极限荷载的70%～80%时，下部肋梁出现多道贯穿性裂缝，此时肋梁发挥作用承担了部分竖向荷载。与此同时，右侧框柱柱脚处出现明显的混凝土压碎现象并伴随着“吱吱声”。

试验加载后期的破坏阶段，墙体上部砌块出现脱落，砌块和肋梁中的裂缝不断向框柱延伸，节点处裂缝也向框柱侧面扩张并呈弥散型开裂。此时墙体框柱及肋梁大部分钢筋屈服，框柱柱脚及节点处和暗梁右上角混凝土局部被压碎致使部分钢筋外露，但墙体依然保持良好的稳定性。墙体破坏照片如图5所示，破坏时的特征荷载和特征位移如表4所示。

图5 墙体破坏照片

墙体特征荷载和特征位移 表4

3 钢筋应变分析

3.1 框柱钢筋应变分析

试验墙体框柱中不同截面上钢筋应变随荷载的变化曲线如图6所示。在图6(a)中，左、右框柱底部钢筋荷载-应变变化曲线均分为三部分：荷载达到150kN之前曲线基本呈线性增长，增长速率相对较为缓慢且变化较小；荷载从150kN增加到250kN时钢筋应变迅速增加，此阶段对应于墙体弹塑性阶段；当承受的荷载接近250kN时，曲线出现明显拐点，应变随荷载增长趋势减缓，此时所承受的荷载接近墙体极限荷载，大部分钢筋已屈服。由图6(b)可以看出，左、右框柱中部钢筋的荷载-应变曲线变化趋势十分接近，且与底部截面钢筋破坏过程相一致；框柱上部钢筋应变在整个加载过程中增长速率一直较快，直到荷载达到250kN时，荷载-应变曲线变化才逐渐平缓。

图6 SCW-1墙体左、右框柱钢筋荷载-应变曲线

试件左、右框柱钢筋的应变基本相似，且在受力过程中始终处于受压状态，其中框柱上部受力最小，中部次之，下部最大，且框柱底部钢筋应变大于上部钢筋的。

3.2 加强肋钢筋应变分析

3.2.1 不同肋梁相同位置钢筋测点应变分析

带纵向加强肋复合墙体由下到上共设置三道肋梁，按照肋梁位置分为底部肋梁、中部肋梁和上部肋梁，图7为各个肋梁中部应变。由图7可以明显看出，各道肋梁中部钢筋应变状态相差悬殊。究其原因，竖向荷载作用下框柱承受较大压力[7]，与肋梁之间形成拉杆拱效应[13]，其中上部肋梁产生的拉杆拱作用最大，呈现出较大拉应变。竖向荷载向下传递过程中，中部肋梁和砌块之间的协同工作效应较强，拉杆拱作用不明显，呈现出轻微受拉作用，钢筋应变在0～50με之间。下部肋梁则未产生拉杆拱作用，呈现出压应变，且应变值为上部肋梁的1/3。在试验初期，墙体竖向荷载较小，且荷载由各承力构件共同承担，肋梁所分担的力较小，因此各曲线初期应变值都很小。当荷载由100kN增加到150kN时，曲线出现明显转折，这是由于该阶段砌块出现较多裂缝并向各道肋梁延伸，肋梁开始承受部分荷载所致，此时肋梁发挥作用承担荷载。

图7 SCW-1墙体肋梁中部钢筋荷载-应变曲线

3.2.2 相同肋梁不同钢筋测点应变分析

图8(a)为SCW-1墙体底部肋梁钢筋荷载-应变曲线。由图8(a)可知，同一道肋梁上钢筋的应变具有基本相似的应力变化趋势，即随着荷载增加，应变不断加大。在试验加载过程中处于肋梁底部的钢筋始终受压。

图8 SCW-1墙体肋梁钢筋荷载-应变曲线

图8(b)为SCW-1墙体中部肋梁钢筋荷载-应变曲线。由图8(b)可以看出，中部肋梁在受力过程中始终受拉，随着荷载的增大拉应变逐渐增大，并且中部肋梁两侧钢筋应变值比中部应变值变化快。在竖向荷载达到250kN之前，肋梁中部钢筋无明显变化，随后钢筋开始逐渐承受拉力，并逐渐增加。

图8(c)为SCW-1墙体中部肋梁钢筋荷载-应变曲线。由图8(c)可以看出，上部肋梁钢筋应变发展趋势相差较大，竖向荷载在50kN以内时，肋梁中部和两侧承担荷载较小，应变变化不大。随着荷载的逐渐增加，肋梁两侧钢筋应变发展较快，肋梁中部钢筋应变发展趋势则较为缓慢。

不同肋梁在相同位置的应变状态相差较大，底部肋梁在墙体受力过程中处于受压状态，上部肋梁钢筋处于受拉状态，中部肋梁则介于两者之间。底部肋梁钢筋均处于受压状态，且不同位置的钢筋应变基本相同。中部肋梁钢筋处于受拉状态，且中部钢筋应变相对于两侧较小。上部肋梁钢筋均处于受拉状态，且两侧钢筋应变发展较快，中部钢筋发展趋势较为缓慢。

4 复合墙体竖向承载力影响因素分析

带纵向加强肋复合墙体竖向承力部件由框柱、砌块和加强肋构成。采用ABAQUS软件建立承力部件变化的不同工况条件下数值模型并进行计算。选取框柱混凝土强度等级及配筋率、肋梁配筋率和砌块强度等级作为变量，探究墙体轴心受压承载力变化情况，参数变量如表5所示。

模拟参数变量 表5

采用ABAQUS软件建立与试验墙体参数相同的模型墙体进行有限元分析，将试验结果与数值模拟结果进行对比，结果如图9所示。由图9可以看出，试验与数值模拟所得荷载-位移曲线趋势基本相似，表明二者拟合状况较好，模拟结果具有一定的准确性[13-15]。在此基础上通过改变各个变量的参数，共建立了13块不同工况下的模拟墙体，计算当参数改变时，墙体极限承载力相对于试验墙体的提升比例，其模拟结果如表6所示。

图9 SCW-1墙体试验与数值模拟结果对比

墙体承载力提升率 表6

4.1 框柱混凝土强度等级

框柱是承担墙体轴心荷载的重要部件，由图10墙体承载力随框柱混凝土强度等级的变化规律可以看出，当混凝土强度等级从C25提高至C30时，墙体的承载力提高程度最大，达到19.2%，表明在此区间内混凝土最能充分发挥其轴心承载力作用，使得其极限承载力大幅度提高。混凝土强度等级从C30提高一个等级(即提高至C35)时墙体极限承载力高约12.2%，再提高一个强度等级(即提高至C40)时墙体极限强度只提高了约9.1%，此时混凝土强度等级的提高对墙体极限承载力的提高作用不大。

图10 墙体极限承载力随框柱混凝土强度等级变化规律

4.2 框柱配筋率和肋梁配筋率

由图11可以看出，改变框柱配筋率对墙体极限承载力的影响明显大于改变肋梁配筋率。这是由于框柱在墙体受力过程的各个阶段都起到了较大作用，通过提高框柱配筋率会大幅度提高墙体极限承载力。

图11 墙体极限承载力随框柱配筋率与肋梁配筋率的变化规律

框柱配筋率对墙体极限承载力影响较大，当框柱配筋率由1.1%提高至2.5%时，墙体极限承载力由358kN提升至390kN，提升率变化减缓，表明较高的框柱配筋率对墙体抗压能力提高没有明显作用。

提高肋梁配筋率对极限承载力的影响较小，肋梁配筋率从1.0%提高至3.1%时，墙体极限承载力只提高了38.1kN，相较于框柱配筋率对极限承载力的提高作用小。

4.3 砌块强度等级

图12为承载力随砌块强度等级变化的规律。由图12可知，在墙体不设置砌块时，其整体极限承载力为225kN；在加入A2.5砌块时，墙体极限承载力提高至309kN，由于砌块的加入，框格受力过程中受到了一定约束，从而提高了复合墙体的整体性，增大墙体的竖向承载力。当砌块强度等级由A2.5增加到A3.5时，墙体极限承载力增大了5.5%；再将砌块强度提高一个等级，墙体极限承载力增大了11.7%。砌块强度在A2.5～A3.5区间时墙体极限承载力提升率明显小于砌块强度在A3.5～A5.0区间时，说明在仅考虑极限承载力大小的情况下，砌块强度等级越接近肋梁、框柱的强度，三者之间的协同工作作用越强，承载力越大。

图12 墙体极限承载力随砌块强度等级变化规律

提高框柱混凝土强度等级和配筋率、肋梁配筋率以及砌块强度等级均能提高墙体极限承载力，但随着变量的增大，提高的效果逐渐变弱。框柱混凝土强度等级是影响墙体极限承载力的重要因素，框柱配筋率和砌块强度等级次之，肋梁配筋率最小。

5 结论

对一榀带纵向加强肋复合墙体进行静力试验，结合墙体的数值模拟结果对复合墙体的竖向承载力及其影响因素进行研究，结论如下：

(1)构件在竖向均布荷载作用下的试验全过程主要经历了三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。弹性阶段，框柱、肋梁和砌体共同承担荷载；弹塑性阶段，肋梁发挥作用承担部分荷载；破坏阶段，砌体退出工作，荷载主要由框柱承担。

(2)试验墙体的破坏由上部砌块开始，最终由于框柱钢筋屈服、混凝土压碎且部分钢筋外露导致结构整体的破坏。墙体受力过程中，荷载在达到250kN左右时墙体内钢筋开始屈服。墙体破坏时，框柱中部、下部钢筋以及肋梁上部边缘钢筋均屈服，极限荷载达300kN。

(3)墙体受力过程中，框柱承担了墙体的大部分竖向荷载，且左右两侧受力基本相似；肋梁底部钢筋受力过程中始终受压，上部肋梁主要受拉，中部肋梁钢筋应变在0～50 με之间。

(4)框柱混凝土强度等级的提高对墙体极限承载力有明显积极作用，是影响墙体竖向承载力的重要因素之一，框柱配筋率和砌块强度等级的影响次之，肋梁配筋率对墙体竖向承载力影响程度最小。