方钢混凝土柱填充墙面外性能分析

曹立染，陈 东，吴 升

（1.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601；2.合肥东部新中心建设投资有限公司 工程建设部，安徽 合肥 230000）

0 引言

未设置构造措施的砌体填充墙因难以承受平面外作用[1]而发生严重的破坏，会产生巨大的安全隐患。F.Akhoundi 等[2]研究发现，门窗等开口会使砌体填充墙更容易受到平面外破坏。大多数填充墙加固技术研究中没有提供设计方法和指导方针[3]，而构造柱是提高填充墙面外承载力的主要措施。D.Matošević 等[4]对有、无构造柱墙体的受力性能进行了研究，发现带构造柱的墙体受力性能提高，同时分析得知连接措施对结构的刚度和承载力产生的影响较小，但是墙体的耗能能力增强。钢筋混凝土构造柱难以符合未来绿色建筑发展方向。为此，近些年来，科研工作者们提出了各种新型的构造柱结构。张春涛等[5]提出了方钢管砂卵石组合圈梁构造柱，并且通过试验验证了该构造柱对填充墙的形变起到了有效的约束作用，能够提高墙体的承载力，但是缺乏对比传统构造柱的性能表现。郑妮娜等[6]通过试验得出芯柱式构造柱在与墙体协调变形上要优于传统构造柱的，但是芯柱式构造柱仍需现场预留预制试块位置，绑扎钢筋现场浇筑，需要耗费大量时间。

采用方钢管混凝土构造柱作为约束填充墙的措施，可以在提高墙体受力性能的同时，简化施工过程，促进装配化施工的发展。因此，本研究拟以试验对比6 个方钢管混凝土构造柱和钢筋混凝土构造柱在平面外作用下约束砌体填充墙的效果，对比分析方钢管混凝土构造柱填充墙的面外表现，并用数值模型分析方钢管混凝土构造柱填充墙的面外受力极限性能。

1 试验概况

1.1 材料与墙体设计

试验制作1:2 的缩尺试件：方钢管混凝土构造柱砌体填充墙（concrete filled square steel filled column masonry wall，CSCW）试件3 个，编号为CSCW-1、CSCW-2、CSCW-3；钢筋混凝土构造柱砌体填充墙（reinforced concrete construction column masonry fill wall，RCW）试件3 个，编号为RCW-1、RCW-2、RCW-3。试验采用A5.0 蒸压加气混凝土砌块，M5.0 的砂浆。C20 砼，3 mm 厚Q235 方钢管。纵向钢筋采用HRB400 直径为12 mm 的钢筋，拉结筋采用HRB400 直径为6 mm 的钢筋。方钢管混凝土构造柱与钢筋混凝土构造柱截面尺寸均为100 mm×100 mm，砌体填充墙的长度为3 000 mm，高度为2 000 mm，厚度为100 mm。墙体中央设置构造柱，沿墙高度方向每500 mm 设置1 根嵌入墙体深度为700 mm 的拉结筋。混合砂浆抹灰，为了增强构造柱与墙体的整体性，在构造柱及其附近墙体粘贴抗裂网格布，涂上白色颜料，如图1所示。

图1 填充墙结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the fill wall structure

方钢管混凝土构造柱顶部与预留插筋焊接，底部焊接L 形钢板并与预埋钢板焊接，柱与墙体通过高强度砂浆和拉结筋形成整体，如图2所示。钢筋混凝土构造柱布置4 根直径为12 mm 的HRB400 钢筋，马牙槎按规范设置。

图2 构件连接示意图Fig.2 Component connection diagram

1.2 试验设备及加载方式

试验加载装置如图3所示，由液压式千斤顶提供荷载，通过型钢传递作用，将压力传感器置于千斤顶与型钢之间。墙体应变数据用动静态应变仪记录，砌体填充墙和构造柱的位移用位移计进行测量，裂缝宽度采用裂缝宽度观测仪测量。位移计的排布位置与应变片一致。在砌体填充墙的非加载面（non loading surface，NLS）布置9 片应变片，其中沿构造柱竖向设置3 个等距应变片，墙体两边按照一致的高度各设置3个应变片。砌体填充墙的加载面（loading surface，LS）沿构造柱竖向设置3 个等距应变片。位移计对称摆放在NLS 面上，如图4所示。

图3 试验加载装置示意图Fig.3 Schematic diagram of experimental loading device

图4 加载装置现场图Fig.4 Lodaing device physical map

荷载施加于墙体正中央。预加载值为4 kN，做2 次循环回到初始位置，检查仪器是否运转正常。试验使用分级加载，每级加载时间为2～3 min，加载值为1 kN，加载至RCW 破坏时停止试验。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象分析

RCW 在加载初期，应力、位移增长较慢，墙面出现细微裂缝，后期位移发展速度增加。构造柱断裂时RCW 被破坏，此时砌体填充墙中部产生明显的突出，钢筋混凝土构造柱出现开裂和断裂等不同程度的破坏形式，墙体周围产生较宽裂缝，墙体与柱仍能协同变形，但不具备继续承载的能力。CSCW 在加载过程中，墙体和构造柱的位移相比RCW 的明显减小，填充墙仅出现少许细小裂缝。停止加载时CSCW 均未被破坏，构造柱与墙体的整体性没有被破坏。试件RCW-1、RCW-2、RCW-3 的面外极限承载力分别为23.5,25.5,23.5 kN。CSCW 试件加载至25.5 kN，此时试件并未被破坏，仍能继续承载。当加载至10.5 kN 时，CSCW 在NLS 先出现0.04 mm 的竖向裂缝；随着荷载增加至11.9 kN，横向裂缝出现在墙体中部，裂缝宽度为0.07 mm；加载后期，在墙体周围发展一些细微裂缝，产生的最大裂缝宽为0.50 mm。当加载至5.6 kN 时，RCW 在NLS 顶部先出现竖向裂缝，裂缝宽度最大为0.06 mm，随即横向裂缝出现在墙体中部，在加载过程中发出响声，沿墙体中间的竖向裂缝向四周延伸成斜裂缝，最后裂缝贯穿墙面，产生的最大裂缝宽度为17.1 mm。各模型NLS 上的裂缝开展荷载结果如表1所示。

表1 NLS 上裂缝开展荷载表Table 1 NLS upper crack development load table

CSCW 第一条裂缝出现时的荷载为10.5 kN，约为RCW 出现第一条裂缝时的荷载5.6 kN 的1.88 倍，与最大荷载时的裂缝相差16.6 mm。填充墙裂缝开展如图5所示。

图5 填充墙裂缝开展图Fig.5 Crack propagation diagram of fill walls

方钢管混凝土构造柱的刚度大于钢筋混凝土构造柱的，拉结筋使得构造柱与墙体能够更好地协调变形，从而约束墙体的位移发展速率，使CSCW 面外承载力大于RCW 的，同时限制了墙体裂缝开展。由表1 可知，CSCW 出现第一条裂缝时的荷载均大于RCW，且最大裂缝比RCW 小很多。

2.2 构造柱和墙体应变分析

实验所得构造柱和墙体应变如图6 和7所示。方钢管构造柱与钢筋混凝土构造柱在加载初期，各部分的应变走势基本一致，当荷载增加到一定程度时，钢筋混凝土构造柱由于混凝土表面裂缝加速开展，导致应变数值激增，且混凝土开裂不规则，导致部分应变数据产生跳跃，甚至应变片被拉断。

图6 构造柱应变对比图Fig.6 Comparison diagram of structural column strain

图7 填充墙应变对比图Fig.7 Comparison diagram of the fill wall strain

由图6 和7 可知，方钢管混凝土构造柱的应变均小于钢筋混凝土构造柱的，且两者的应变最大值均在构造柱和墙体加载点处。CSCW 与RCW 中，构造柱中部最大应变差2 494 με；CSCW 与RCW 中，填充墙中部最大应变差306 με。这是由于构造柱承担了绝大部分荷载，构造柱刚度的差异导致柱上应变数据差值较大，填充墙的应变差距较小，说明方钢管混凝土构造柱与钢筋混凝土构造柱约束墙体的效果相似，但前者的约束能力更强。

2.3 构造柱和墙体位移分析

实验所得构造柱和墙体位移对比如图8 和9所示。由图可知，CSCW 和RCW 的墙体和构造柱位移均为中部最大、两端较小。方钢管构造柱的最大位移为4.2 mm，相比钢筋混凝土构造柱的最大位移26.6 mm，明显减小，位移差为22.4 mm。方钢管构造柱能够更好地约束周围墙体的变形，CSCW 与RCW 墙体的最大位移差为12.0 mm。

图8 构造柱试验位移对比图Fig.8 Test displacement comparison diagram of constructional columns

图9 填充墙试验位移对比图Fig.9 Displacement comparison of fill wall tests

由于施加的面外荷载大部分由构造柱承担，导致构造柱的位移大于填充墙的位移。由表2所示构造柱与墙体在加载附近的位移差可知，方钢管构造柱约束墙体的约束效果明显优于传统构造柱的约束效果，最大位移的差值为10.7 mm，对墙体约束效果提升了约81.1%。这一结果表明，方钢管混凝土构造柱的强度和刚度更大，与墙体连接效果更好，受力性能更好，约束墙体的能力更强。

表2 中部构造柱与墙体位移及差值Table 2 Displacement and difference value between the central structural column and the wall

通过比较分析CSCW 和RCW 面外试验结果，验证了方钢管混凝土构造柱不仅有着与钢筋混凝土构造柱相同的作用效果，而且有着更好的面外受力性能。且方钢管混凝土构造柱提高了墙体的初裂位移，使墙体初裂至裂缝贯通的时间延长，承载能力比较稳定，有明显的持荷优势。

3 数值分析

3.1 数值模型的建立

为了进一步研究CSCW 的面外受力性能，建立了ABAQUS 有限元模型，分析CSCW 的面外最大承载能力时，仅研究方钢管混凝土构造柱约束填充墙的效果，对墙体进行整体分析，不深入探讨砂浆和砌块的相互作用对墙体的影响。选用整体式模型[7-8]进行分析，墙体和构造柱的单元采用C3D8R，拉结筋的单元采用T3D3，方钢管和钢筋采用理想弹塑性模型，弹性模量取值为2.06×105MPa，泊松比为0.3。依据相关标准[9]，砂浆强度等级为M5.0，A5.0 蒸压加气混凝土的泊松比取0.20，弹性模量取2 300。由于砌体受拉破坏特性与混凝土相似，故采用郑妮娜[10]化简后的公式。杨卫忠[11]的受压本构关系式能够较好地反映砌体受力性能，其单向受压应力-应变关系如式（1）所示。

式中：σ为外部压应力；

fm为砌体轴心抗压强度平均值；

ε为外部压应变；

εm为fm对应的应变值；

E为弹性模量。

钢管中的核心混凝土受压本构[12]关系如式（2）所示。

式中：y=σ/σ0，且σ0=fc′(N/mm2)，其中fc′为混凝土轴心抗压强度；

x=ε/ε0， 且ε0=εc+ 800ξ0.2×10-6， 其中εc=(1 300+12.5fc′)×10-6；

η=1.6+1.5x。

混凝土受拉本构关系按照规范[13]给出的混凝土单轴受拉的应力-应变曲线。

3.2 数值模拟结果

数值模拟所得构造柱的荷载-应力关系如图10所示。

图10 构造柱荷载-应力图Fig.10 Structural column load stress diagram

观察图10 可知，模拟结果与试验值吻合度较高，试验最大应力为176.3 MPa，CSCW-A 最大应力为167.7 MPa，仅相差约4.5%。

构造柱的应力云图如图11所示。

图11 构造柱应力云图Fig.11 Stress columne nephogram

由图11 可知，模拟构造柱应力分布与试验应力分布相似，均为中部应力最大，上部和下部相对较小，且数值较为接近。

图12 与图13 对比了构造柱与墙体各个部分的位移。如图所示，构造柱与墙体各个部分的试验曲线与模拟曲线的拟合程度较高，仅有填充墙下部位移图的试验数据记录出现问题，导致两条曲线偏差过大。这表明建立的模型能够较为准确地反映在面外荷载作用下CSCW 的受力情况。

图12 填充墙位移对比图Fig.12 Comparison diagram of fill wall displacement

图13 构造柱位移对比图Fig.13 Comparison diagram of the structural column displacement

采用有限元模型分析CSCW 的面外极限受力情况，综合CSCW 的受拉损伤云图、构造柱荷载-位移图分析其最大承载力。当荷载达35.21 kN 时，方钢管屈服，由于方钢管约束核心混凝土使得CSCW仍可以继续承载，随着荷载的继续增加，由于内部混凝土的挤压变形，导致方钢管的应力继续增加，位移逐渐增大。当荷载达89.22 kN 时，CSCW 的受拉损伤云图如图14所示。

图14 CSCW 受拉损伤应力分布云图Fig.14 CSCW tensile damage stress distribution nephogram

由图14 可知，此时方钢管构造柱附近的填充墙的受拉损伤已达最大值，损伤分布与RCW 破坏时裂缝分布基本一致，进一步验证了CSCW 与RCW 有着相同的受力表现。如图15所示，此时构造柱的位移大小为202.98 mm。随着荷载的增加，损伤范围不断扩散，直至整个填充墙面，位移发展速率激增，认为填充墙无法继续承载。达到极限荷载时，构造柱周围墙体的位移约为205.15 mm，这表明方钢管混凝土构造柱能够很好地约束墙体位移。

图15 构造柱的荷载-位移曲线Fig.15 Load displacement curve of structural columns

4 结论

1）通过试验对比了CSCW 和RCW 在面外荷载下的性能表现，发现方钢管混凝土构造柱的作用类似于钢筋混凝土构造柱。CSCW 的面外受力性能要优于RCW 的。当加载至RCW 的极限荷载时，CSCW中的钢材未屈服，而RCW 出现较多裂缝，构造柱在强度、刚度及约束墙体性能方面有所减弱。

2）通过对比RCW 与CSCW 的破坏过程和形式、位移、裂缝、应变数据，发现方钢管混凝土构造柱在强度、刚度和位移约束等方面均优于钢筋混凝土构造柱，表明CSCW 的面外承载力和整体性能得到提高。在相同荷载作用下，方钢管混凝土构造柱的最大位移比钢筋混凝土构造柱的减少了84.2%，墙体最大位移比钢筋混凝土构造柱墙体位移减少了85.1%，墙体裂缝出现的时间更晚，对墙体的约束效果提升了80.3%，出裂荷载提高了1.88 倍。这一结果表明，方钢管混凝土构造柱刚度较大，延缓了裂缝出现时间，能更有效地约束墙体。

3）建立有限元模型分析了CSCW 的面外极限承载能力，发现方钢管屈服后CSCW 位移仍发展缓慢，能够更好地约束填充墙变形。其面外极限承载力为89.22 kN，相比于钢筋RCW 的承载力，提高了249.9%。