不同轴压比下HR-EPS模块剪力墙抗震性能研究
2022-04-20李泽宇徐丽丽张洪正肖瑶郑志远
李泽宇, 徐丽丽, 张洪正, 肖瑶, 郑志远
(青岛理工大学土木工程学院,青岛 266033)
0 引言
经济的快速发展始终伴随着能源的消耗,其中,建筑耗能约占一次能源消耗的20%~40%,为了贯彻节能发展观,走持续发展的道路,新型绿色建筑材料成为建筑节能运行重要一环,普通墙体材料已经不能达到要求[1],故新型墙体逐渐被人们所研发。新型墙体中EPS模块剪力墙[2]具有优秀的节能减排的能力,其强度高,施工方便而且具有优良的保温隔热性。由于HR-EPS模块剪力墙内设芯肋,导致墙体存在开动,从而影响墙体的抗压、抗剪及抗震性能,为了使新型墙体在土木领域得到更好运用,众学者对EPS模块剪力墙展开一些列试验研究。国外在1970年左右就出现了EPS模块的雏形“纳士塔(Rastra)”体系[3-6],1996年加州大学[7]通过对“Rastra”结构体系墙体弯曲试验,发现随着荷载增加,墙体未出现脆性,表现出良好的韧性。随后各国研究发明了多种建筑体系,如德国“Soform”建筑体系、意大利耐泰安建筑体系等[8-10]。目前,国内一些专家对EPS剪力墙已经进行了一系列的研究,李培培等[11]通过对30块小型EPS模块和7个EPS模块剪力墙试验结合有限元分析的方式,发现了在EPS模块的抗压折减系数为0.7条件下,与配筋砌体剪力墙相比,模块剪力墙具有优良的稳定性和竖向承载力;暴肖飞[12]设计了由配筋率、轴压比和边缘约束3个控制条件下的缩尺模块剪力墙,发现了相较于普通剪力墙提高了刚度和承载力,能够较好的抵抗地震力;张敏等[13]制作了两组EPS模块剪力墙,以高宽比为试验参数,发现了EPS模块剪力墙的耗能能力随高宽比增大而有所提高,且屈服后具有良好的延性性能;宋春玲[14]针对不同条件墙体的竖向承载力试验,对比分析了HR-EPS剪力墙和普通剪力墙受力及破坏形式。
国内外对足尺HR-EPS剪力墙的抗震性能研究较少。文中采用试验研究和有限元模拟相结合的方式,对足尺HR-EPS模块剪力墙在以轴压比为变量影响下的抗震性能进行研究,对加载过程中墙体的破坏模式、耗能能力等进行分析,为模块剪力墙在建筑领域的应用提供参考。
1 试验概况
1.1 HR-EPS模块剪力墙简介
EPS模块是由聚苯乙烯珠粒(石油中所提炼的白色污染物之一)经过高温和加热处理发泡,由专业的器械按照一定模数和尺寸一次加热成型的塑料建材。EPS模块类型主要分为空腔模块和平板模块以满足在建筑施工过程中所面对的不同要求[15,16]。
HR-EPS模块剪力墙是由空腔构造模块经积木式错缝搭接成空心墙体,在限位槽内铺设钢筋和浇筑混凝土,之后养护成型与模块表面燕尾槽结合,形成的保温-承重一体化墙体。与传统剪力墙相比,具有良好的保温、防火及抗震等性能,且易于施工,降低人力资源。
1.2 试件设计与制作
试验设计制作了2个不同轴压比足尺HR-EPS模块剪力墙试件,轴压比设计值分别为0.2、0.3。选用C30混凝土,在进行了多次坍落度试验之后得到的浇筑配合比见表1。
表1 C30混凝土配合比 kg/m3
钢筋选用HRB400级,直径为8mm,铺设方式采用双排,横向和竖向的钢筋间距分别为300、200mm,竖向钢筋的上端插入加载梁,下端插入底座。试件设计见表2,具体尺寸及配筋见图1。
表2 试件设计
图1 MSW-1/2尺寸及配筋(单位:mm)
1.3 测点布置
试验采用4个位移计与DH3816数据采集仪相连,用于量测加载过程中底座的稳定性如水平滑移、扭转和转动,同时为后续试验提供相应数据,位移计测点布置如图2所示。
图2 位移测点布置
1.4 加载装置与制度
试验采用“建研式”加载装置[17]进行加载。墙体中心部位作为加载点,水平力由固定在反力墙上的液压伺服作动器通过L梁提供;竖向力由固定在横梁上的液压千斤顶提供,具体装置如图3所示,试件加载方位如图4所示。
图3 加载装置示意
图4 试件加载方位(单位:mm)
试验加载通过位移控制。首先,对试件进行预加载,消除内部不均匀性并确认装置能够正常有序的运行;其次,对试件正式加载,屈服之前设置2mm作为加载位移级差,每级循环1次;试件屈服之后,以屈服位移Δy的整数倍进行加载,每级循环3次,当水平力承载力快速降低至其荷载极值点的85%以下,停止试验,即认为所测试件破坏。加载制度如图5所示。
图5 低周反复加载制度
2 试验结果及其分析
2.1 试验现象
对试件MSW-1:进行预加载,将设定轴压比为0.2的1002.18kN的竖向力加到横梁上,保持恒定。加载第1级循环和第2级循环时,试件未出现裂缝;3级循环时,在9号和10号洞口之间产生第一条长度约10cm的水平裂缝,水平力为125.68kN。4、5级循环时,在洞口附近墙肢处、混凝土处逐渐产生10~15cm左右的裂缝。6级循环时,墙体上的裂缝显著增加,部分裂缝贯通,端柱上开始出现多条细微裂缝,试件开始屈服,屈服位移Δy为12mm。
屈服后,以Δy为加载增量,水平和斜裂缝逐渐向原裂缝发展的方向加长,在端柱中间出现新裂缝,并且与原有裂缝相互贯通,形成一条大裂缝;加载到2Δy时,裂缝快速向两侧发展并形成“八”字形裂缝,伴有混凝土压碎的声音;加载到5Δy时,贯通的裂缝将混凝土模块切割成类似于菱形的区域,与此同时,混凝土脱落形成墙洞,并出现露筋现象,当开始反向加载时,墙体上出现崩裂的声音,核心处的混凝土开始脱落,水平力承载力快速下滑,等达到其峰值荷载的85%时,结束试验。
图6 MSW-1试件整体破坏
对试件MSW-2进行预加载,将设定轴压比为0.3的1499.63kN的竖向力加到横梁上,保持恒定。加载第2级循环,在试件的北侧面洞口之间出现首条水平裂缝,大约长为11cm。此后3~5级循环时,陆续出现一些水平裂缝、斜裂缝和竖向裂缝,部分裂缝发生贯通现象;6级循环时,水平力的逐渐增大,混凝土出现脱落的现象,试件开始屈服,屈服位移Δy为12cm。
屈服后,以Δy加载,旧裂缝开始往端柱上延伸,水平裂缝的数量逐渐增多;加载到2Δy时,新裂缝逐渐延伸到老裂缝处,且伴有噼里啪啦声,混凝土轻微脱落,此时钢筋的最大应变值达到1854;加载到4Δy时,裂缝开始延伸、扩展加宽,形成“八”字形裂缝或者在洞口处贯穿,模块间交叉的斜裂缝将剪力墙分成类似于菱形的区域;加载到5Δy时,端柱附近混凝土斜裂缝越来越多,块状和粉末状混凝土脱落严重,形成孔洞,端柱底部的裂缝与洞口处裂缝连接到一起。水平力承载力快速降低至其荷载极值点的85%以下,结束试验。
图7 MSW-2试件整体破坏
2.2 滞回曲线
滞回曲线[18]是衡量结构抗震性能的一个依据,也是确定地震反应分析的重要指标。试验得到的滞回曲线如图8所示。
图8 滞回曲线
对比分析图 8(a)和图 8(b),可以发现,试件MSW-1有较明显的“捏拢”现象,是由于轴压比较小,耗能能力稍弱;随着轴压比提高,试件的承载能力提高,极限位移下降,但曲线的变化幅度不明显。
由图8可知,加载初期,试件处于线弹性阶段,变形较小,随着力的缓慢增加,曲线的斜率开始倾斜,表明试件的刚度有所退化;荷载继续增加,裂缝的数量逐渐增多,损伤慢慢累积,试件循环承载力发生明显降低,滞回环的面积变小,HR-EPS模块剪力墙试件的耗能能力降低。
2.3 骨架曲线
骨架曲线[19]是通过连接滞回曲线上每级荷载首次循环的峰值点所形成的包络曲线,能够准确反映试件在各阶段的受力情况和强度衰减变化。试件骨架曲线如图9所示。
图9 骨架曲线对比
由图9可知,加载前期,墙体处于线弹性阶段,曲线大致为直线,当荷载继续增大,试件裂缝慢慢开展,骨架曲线开始水平倾斜,试件整体刚度降低;加载后期,骨架曲线呈现下降趋势,此时试件仍保持较好的塑性,表明试件具有良好的吸能能力。对比分析两个不同轴压比试件,发现轴压比越大,骨架曲线斜率较大,荷载达到极限值后,承载力衰减的速度加快,延性较差。
2.4 位移延性
位移延性[20]也是衡量构件抗震性能的一个指标,可以清楚地显示构件后期变形性能;位移延性系数μ是指试件破坏时的位移与屈服时的位移比值,计算公式如下[21]:
试件的位移延性系数如表3所示。
表3 试件的位移延性系数
由表3可知,HR-EPS模块剪力墙的延性系数较高,表明试件模块剪力墙在往复循环加载的作用下具有良好的延性,即剪力墙拥有较好的变形性能。
相同条件下,轴压比大的构件延性较差,其原因是由于提高轴压比会使构件截面的受压区高度变大,从而构件强度增大,墙体的变形能力会随着强度的提高而减小,故延性会有所降低。
2.5 刚度退化
试验试件的刚度退化曲线,如图10所示。
图10 刚度退化曲线
由图10可知,试件刚度整体呈下降趋势,不同的加载阶段,刚度的下降速率不同。试验加载前期,墙体处于弹性阶段,刚度退化较慢,随着荷载增加,开始出现裂缝,试件刚度退化速度加快,直到加载到极限承载力时,刚度退化速度才有所回降。
当试验进行到开裂阶段时,随着逐渐增大水平力,加快了试件刚度退化速度,此时试件墙体的变形能力较弱;当试件屈服之后,随着水平荷载的增加试件刚度退化速度变慢,此时试件的变形能力较强。
对比发现,较大轴压比的试件MSW-2在加载的前期刚度退化速度比MSW-1试件稍快;到达极限荷载后,试件MSW-1刚度退化速度变缓,是由于小轴压比试件在前期的往复循环加载时逐步累积的损伤较低,从而刚度退化速度较慢。
2.6 耗能能力
结构的耗能能力对抗震性能的影响非常重要,通常以滞回曲线所包围的面积来衡量,目前,工程抗震采用由Jacobsen在1930年提出的等效粘滞阻尼系数he来作为衡量耗能能力的一个重要参数。计算公式如下:
式中,SABC+SCDA为滞回环面积;SOBE+SODF为试件峰值荷载组成的三角形面积。
通过对墙体在往复荷载作用下等效粘滞阻尼系数的计算,分析得到了,试件屈服前,he=0.049~0.067,此时轴压比对试件耗能能力影响不大;试件屈服后,he=0.059~0.107,耗能能力增强。并且等效粘滞阻尼系数随着轴压比增大而增大,是由于墙体的轴压比较大时,开裂受到抑制,开裂面上的摩擦作用力增强,从而耗能能力增加。
3 HR-EPS模块剪力墙有限元模拟分析
文中利用ABAQUS有限元分析软件对轴压比0.1~0.4模块剪力墙进行力学模拟分析,选用弹塑性理论模型和Embeded方法分别定义模块剪力墙的混凝土模型和钢筋模型,与试验结果进行对比,验证试验数据的可行性。
3.1 模拟结果对比分析
由图11可知墙体应力变化情况。不均匀应力分布主要集中在EPS模块剪力墙的上部和中部,洞口处受力较大,同时,墙体中部靠近端柱区域斜裂缝较多,裂缝贯通后,混凝土退出工作,墙体上部的弯剪斜裂缝贯通,剪切斜裂缝将墙体中间层模块剪断,墙体破坏特征与试验现象较吻合。
图11 墙体应力分布云图
3.2 滞回曲线
通过ABAQUS模拟往复荷载作用下墙体的破坏形态,分别得到了不同轴压比试件的滞回曲线,如图12所示。
由图12可以看出,MSW-1和MSW-2模拟所得滞回曲线与试验所得两试件的滞回曲线相比,总体相差不大,故可以采用进行模拟分析。
图12 滞回曲线
对比图8和图12可知,MSW-3和MSW-4在一定程度上增加轴压比,增大了滞回环的包络面积,使之像一个饱满的梭形,墙体构件的耗能能力增强,是由于增大轴压比,竖向荷载增加,对墙体上面新裂缝的出现和老裂缝的扩展延伸有效产生抑制作用,增加了裂缝之间混凝土的摩擦作用力,进而提高了试件的耗能能力。
3.3 骨架曲线
由图13可知,轴压比从0.1~0.4的变化中,试件的水平承载力呈现出先上升后下降的趋势,MSW-2(0.3轴压比)试件相较其他试件具有较大水平承载力,说明一定范围内提高轴压比可以提高极限承载力,若超过这一限值,竖向应力逐渐占据主导的地位,使破坏形成一定的脆性。
图13 模拟骨架曲线
由图14可知,模拟的骨架曲线图和试验骨架曲线图相比,包络面积要大,但极限承载力要小,总体来看两者的变化规律较为相似。
图14 模拟与试验骨架曲线对比
4 结语
通过试验和模拟所得数据的分析研究,得到以下结论:
(1) 不同轴压比试件的破坏形态基本一致,试验过程中,墙体中间靠近端柱的受拉区先出现裂缝,一定范围内增大轴压比,会抑制墙体水平裂缝的发展,对剪力墙的耗能能力和刚度均有所改善。
(2) 试验和模拟所得试件的滞回曲线均比较饱满,骨架曲线表明在不同受力阶段强度衰减较缓慢,说明足尺的HR-EPS剪力墙具有良好的吸能能力。
(3) 适当增大墙体的轴压比,可以在一定程度上使试件的极限承载力有所升高,提高墙体的水平承载力,从而增强墙体的抗震性能,但存在某一限值时,墙体破坏具有一定的脆性。
(4) 位移延性系数均接近于5.0,表明HR-EPS模块剪力墙具有优良的延性,即剪力墙变形性能较好,抗震效果更加优良。