李英民,鄭妮娜,夏洪流,葛玉琦

(重慶大學(xué) a.土木工程學(xué)院,b.山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室,重慶400045)

砌體結(jié)構(gòu)是中國廣大村鎮(zhèn)房屋的主要結(jié)構(gòu)形式。研究[1-2]和震害[3-5]表明,構(gòu)造柱-圈梁是保證砌體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)預(yù)期抗震性能的有效措施。事實上,限于經(jīng)濟、技術(shù)、意識等多種原因,村鎮(zhèn)砌體結(jié)構(gòu)房屋不采用構(gòu)造柱-圈梁的現(xiàn)象普遍存在[6]。為解決現(xiàn)澆構(gòu)造柱造價高、施工難度較大、工期較長、與預(yù)制板的擱置關(guān)系復(fù)雜等問題,作者提出芯柱式構(gòu)造柱,旨在通過砌筑加灌芯的方式形成構(gòu)造柱[7],所用預(yù)制塊及構(gòu)造柱形式如圖1。預(yù)制塊可隨構(gòu)造柱設(shè)置部位改變形式,與墻體咬合砌筑以形成馬牙槎。

圖1 預(yù)制塊及芯柱式構(gòu)造柱

構(gòu)造柱的抗震性能突出表現(xiàn)在對墻體形成約束而提高其變形能力[8-10]。文獻[1,2,11-14]分別針對不同約束措施下的燒結(jié)普通磚、混凝土小型空心砌塊、混凝土多孔磚等墻體的抗震性能進行了低周反復(fù)加載試驗研究,結(jié)果表明構(gòu)造柱和圈梁措施可以有效提高墻體的變形能力。但相關(guān)研究結(jié)論局限于傳統(tǒng)的現(xiàn)澆構(gòu)造柱和圈梁約束的墻體,不能直接應(yīng)用于芯柱式構(gòu)造柱約束墻體。為此,進行了11個墻體的低周反復(fù)加載試驗,重點考察芯柱式構(gòu)造柱約束墻體的變形能力。

1 試件設(shè)計及試驗方案

1.1 試件設(shè)計

試件設(shè)計考慮了約束類型、墻體形式(實墻、帶門洞和帶窗洞墻),豎向壓應(yīng)力(0.5、0.3、0.2 MPa)、高寬比(0.5、0.75)等因素,共設(shè)計11個試件(見表1),包括3個無約束措施墻體(簡稱素墻),記作W-1～3;2個現(xiàn)澆構(gòu)造柱約束墻體(簡稱現(xiàn)澆式墻),記作BCW-1～2;6個芯柱式構(gòu)造柱約束墻體(簡稱芯柱式墻),記作BC1W-1～6。

表1 試件參數(shù)

11個試件可形成6個對比組,第1組包括3個實墻試件W-1、BCW-1和BC1W-1;第2組包括3個帶門洞墻試件W-2、BCW-2和BC1W-3;第3組包括2個帶窗洞墻試件W-3和BC1W-5;第4組包括豎向壓應(yīng)力依次為0.5、0.3及0.2 MPa的3個芯柱式墻BC1W-1、BC1W-4、BC1W-2;第5組包括2個高寬比分別為0.5、0.75的芯柱式墻BC1W-1和 BC1W-6;第 6組包括芯柱式實墻BC1W-1、帶門洞墻 BC1W-3和帶窗洞墻BC1W-5。

所有試件都采用一磚墻,240 mm厚,這樣可以避免半磚墻無法包含丁磚作用的缺點。除試件BC1W-6尺寸為2 m×1.5 m(高寬比0.75)外,其余試件尺寸均為3 m×1.5 m(高寬比0.5)。試件高度與寬度的縮尺比為1/2,由于砌筑芯柱式構(gòu)造柱的預(yù)制塊難以縮尺加工,所以現(xiàn)澆式及芯柱式構(gòu)造柱斷面均采用240 mm×240 mm,著重對比素墻、芯柱式墻與現(xiàn)澆式墻的性能差別。試件立面圖如圖2所示。

圖2 試件立面圖(其中W-1～3兩側(cè)沒有構(gòu)造柱)

芯柱式構(gòu)造柱采用的混凝土預(yù)制塊的規(guī)格為300 mm(長)×240 mm(寬)×180 mm(高),居中開設(shè)150 mm×150 mm的孔洞。構(gòu)造柱、圈梁的尺寸及配筋如圖3。墻體和兩種構(gòu)造柱間均沿墻高間隔500 mm配置26拉結(jié)筋,拉結(jié)筋伸進墻內(nèi)1 000 mm,共布置了2道拉結(jié)筋。

圖3 構(gòu)造柱、圈梁斷面圖

1.2 加載裝置及加載方案

試驗加載裝置如圖4。采用力和位移混合控制加載方案,具體加載制度如下:

1)在試件上等分3次加足豎向荷載,試驗過程中使其保持恒定;2)預(yù)加水平反復(fù)荷載,荷載值不超過開裂荷載的20%;3)以荷載控制加載,第1級荷載取50 k N,以開裂荷載20%為級差,每級荷載循環(huán)1次;4)試件開裂且滯回曲線發(fā)生明顯彎曲后改用位移控制加載,以Δ=0.5 mm為級差,每級循環(huán)一次,當(dāng)荷載下降較多時,調(diào)大位移控制步長為1 mm,荷載下降至85%極限荷載時結(jié)束試驗。

圖4 試驗加載裝置

2 試驗結(jié)果

評價結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的變形能力一般采用試驗結(jié)果中的位移延性系數(shù)、位移角、骨架曲線及歸一化的骨架曲線。

2.1 終止位移、位移延性系數(shù)及位移角

試驗終止時試件墻頂正、負(fù)向位移的平均值稱為終止位移,記作Δt,該值反映了試件在低周反復(fù)加載下墻頂?shù)淖畲髠?cè)移能力。位移延性系數(shù)包括從開裂到極限荷載階段的位移延性系數(shù)和從極限到破壞階段的位移延性系數(shù)其中分別為試件開裂、極限、85%極限荷載時的墻頂水平位移(單位mm)。終止位移Δt一般大于或等于 Δf。由于試驗中開裂點的判斷有一定的人為因素,所以取2個系數(shù)進行綜合評價。位移角表示試件的相對變形值,對墻體變形能力及抗震能力的評價更客觀。表2列出了各試件的終止位移Δt(單位mm)、位移延性 系 數(shù)及 位 移 角和。圖5給出了 6組試件的柱狀圖。

表2 終止位移、延性系數(shù)及位移角

圖5 各組試件的 Δf/Δu及 Δf/H對比

2.2 骨架曲線和歸一化骨架曲線

骨架曲線是滯回環(huán)的峰值包絡(luò)線。歸一化骨架曲線是以P/P u和Δ/Δu為縱、橫坐標(biāo)將骨架曲線無量綱化。骨架曲線全面反映了試件在低周反復(fù)加載中的承載力-變形關(guān)系;而歸一化的骨架曲線可反映試件開裂點、極限荷載點和破壞荷載點的位移和承載力的相對關(guān)系,能直觀反映試件從極限到破壞的變形能力差別。6組試件的骨架曲線和歸一化骨架曲線分別如圖6-11。

3 變形能力分析

以下分別結(jié)合表2、圖5和圖6-11,基于6組試件依次分析不同約束措施下實墻、帶門洞墻和帶窗洞墻的變形能力差別,及豎向壓應(yīng)力、高寬比、墻體形式對芯柱式墻變形能力的影響。

3.1 不同約束措施實墻的變形能力

圖6給出第1組實墻試件的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖6 第1組試件的骨架曲線

從骨架曲線形態(tài)及終止位移來看,現(xiàn)澆式墻BCW-1和芯柱式墻BC1W-1在極限荷載之后,骨架曲線下降速度較素墻W-1緩慢,并延伸得更遠(yuǎn),下降至85%極限荷載后仍有一定的承擔(dān)豎向及水平荷載的能力和變形能力。BCW-1和BC1W-1的 Δt較W-1提高了 42%。

從位移延性系數(shù)來看,開裂到極限階段,芯柱式墻BC1W-1和現(xiàn)澆式墻BCW-1的 Δu/Δc分別較素墻W-1提高34%和 72%,BC1W-1較BCW-1少22%。極限到破壞階段,BC1W-1與BCW-1的 Δf/Δu分別較W-1提高30%和35%,BC1W-1與BCW-1之間的差別僅為4%。

從位移角來看,構(gòu)造柱使墻體剛度有所增大,開裂時現(xiàn)澆式墻BCW-1和芯柱式墻BC1W-1的位移角分別較素墻W-1減少46%和38%。開裂后位移角增長較快,到極限荷載時,BC1W-1和BCW-1的位移角分別較W-1少17%和8%。極限荷載后,墻體自身剛度顯著下降,位移角迅速增大,構(gòu)造柱對墻體的變形約束作用明顯,BC1W-1和BCW-1的破壞位移角分別較W-1增大了9%和25%,BC1W-1較BCW-1少13%。

由以上分析可知,芯柱式墻的位移延性系數(shù)較素墻有所提高,開裂和極限荷載時的位移角較素墻小,破壞荷載時的位移角較素墻大,從極限到破壞的變形能力顯著提高。芯柱式構(gòu)造柱對實墻試件的變形約束能力較現(xiàn)澆構(gòu)造柱略差。

3.2 不同約束措施開門洞墻的變形能力

圖7給出第2組帶門洞試件的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖7 第2組試件的骨架曲線

從骨架曲線形態(tài)及終止位移來看,現(xiàn)澆式墻BCW-2和芯柱式墻BC1W-3極限荷載后承載力下降緩慢,至85%極限荷載后仍可繼續(xù)承載及變形。BCW-2和BC1W-3的 Δt分別較素墻 W-1提高了168%和129%。由于開洞墻剛度較小,極限荷載后,3個墻體的承載力下降均較相應(yīng)實墻快,現(xiàn)澆式和芯柱式構(gòu)造柱在下降段發(fā)揮了較大的約束變形作用,BC1W-3和BCW-2下降段明顯緩于W-2。

從位移延性系數(shù)來看,開裂到極限階段,素墻W-2與現(xiàn)澆式墻BCW-2的 Δu/Δc相同,芯柱式墻BC1W-3的 Δu/Δc較二者提高了6%。極限到破壞階段,BC1W-3和BCW-2的 Δf/Δu分別較W-2提高了 193%和 70%,BC1W-3的 Δf/Δu較BCW-2大72%。

從位移角來看,芯柱式墻BC1W-3的Δc/H和Δu/H分別較素墻W-2減少26%和22%,破壞時BC1W-3和現(xiàn)澆式墻BCW-2的 Δf/H分別較W-2增大133%和73%,BC1W-3較 BCW-2提高了31%。

由以上分析可知,芯柱式構(gòu)造柱對帶門洞墻的變形能力的約束較強,芯柱式墻的 Δf/Δu和 Δf/H好于現(xiàn)澆式墻。

3.3 不同約束措施帶窗洞墻的變形能力

圖8給出第3組帶窗洞試件的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖8 第3組試件的骨架曲線

從骨架曲線形態(tài)及終止位移來看,素墻W-3的承載力在極限荷載之后迅速下降,芯柱式墻BC1W-5的Δt是W-3的2.88倍。從位移延性系數(shù)來看,BC1W-5的較W-3提高了173%;較W-3提高了64%。從位移角來看,W-3和BC1W-5極限荷載時的位移角大致相同,破壞荷載時BC1W-5的位移角較W-3增大了64%。可知,芯柱式構(gòu)造柱在極限荷載后發(fā)揮了較大的約束作用,極大提高了帶窗洞墻的變形能力。

3.4 豎向壓應(yīng)力對芯柱式墻變形能力的影響

圖9給出豎向壓應(yīng)力分別為0.5、0.3、0.2的芯柱式墻BC1W-1、BC1W-4、BC1W-2的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖9 第4組試件的骨架曲線

從骨架曲線形態(tài)及終止位移來看,豎向壓應(yīng)力較小試件在極限荷載之后,承載力下降較緩慢,變形能力有所增強,BC1W-2的破壞形態(tài)為彎-剪型,而BC1W-1和BC1W-4的破壞形態(tài)為剪切型,BC1W-4、BC1W-2的 Δt分別較 BC1W-1增大98%和19%。從位移延性系數(shù)來看,BC1W-4的Δf/Δu及BC1W-2的 Δu/Δc分別較 BC1W-1提高了10%與5%,另外兩個系數(shù)反而較BC1W-1小。從位移角來看,BC1W-4破壞時的位移角較BC1W-1增大18%?？傮w上,豎向壓應(yīng)力降低使芯柱式墻的變形能力略有提高,與文獻[15]得出的試驗規(guī)律一致。

3.5 高寬比對芯柱式墻變形能力的影響

圖10給出高寬比分別為0.5和0.75的芯柱式墻BC1W-1、BC1W-6的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖10 第5組試件的骨架曲線

從骨架曲線形態(tài)及終止位移來看,BC1W-6剛度小,加載初期彎曲變形明顯,其 Δt較BC1W-1增大了105%。從位移延性系數(shù)來看,BC1W-6的Δu/Δc較BC1W-1增大7%,Δf/Δu較 BC1W-1少19%。從位移角來看,BC1W-6在開裂、極限和破壞時的位移角分別較BC1W-1增長了160%、177%和126%。高寬比較大的墻趨向于發(fā)生彎-剪破壞,破壞時的頂部側(cè)移較大,所以變形能力較高寬比較小的墻有所提高。

3.6 墻體形式對芯柱式墻的影響

圖11給出墻體形式不同的芯柱式墻的骨架曲線和歸一化骨架曲線。

圖11 第6組試件的骨架曲線

從終止位移來看,帶窗洞墻BC1W-5的 Δt較實墻BC1W-1有大幅提高。從位移延性系數(shù)來看,BC1W-3、BC1W-5的 Δu/Δc分別較BC1W-1提高11%和 118%;Δf/Δu分別較BC1W-1提高43%和4%。從位移角來看,BC1W-3、BC1W-5開裂時的位移角分別較BC1W-1小29%和44%;破壞時的位移角分別較BC1W-1大12%和27%。芯柱式構(gòu)造柱的側(cè)向剛度相對于開洞墻體的剛度比較大,因此對開洞墻的約束能力更強,芯柱式構(gòu)造柱約束開洞墻的變形能力好于其約束的實墻,與現(xiàn)澆構(gòu)造柱墻的規(guī)律基本一致。

4 結(jié)論

進行了11個墻體(高寬比0.5～0.75,豎向壓應(yīng)力0.2～0.5 MPa)的低周反復(fù)加載試驗,通過6組試件的骨架曲線特征、終止位移、位移延性系數(shù)和位移角對比,得到以下結(jié)論:

1)芯柱式構(gòu)造柱約束實墻的位移延性系數(shù)Δu/Δc、Δf/Δu分別較素墻提高了 34%和 30%,分別較現(xiàn)澆構(gòu)造柱約束實墻少22%和4%;破壞荷載時的位移角較素墻提高了 25%,較相應(yīng)現(xiàn)澆式墻少13%,總體上芯柱式構(gòu)造柱對實墻的變形約束能力與現(xiàn)澆構(gòu)造柱接近。

2)芯柱式構(gòu)造柱對帶門洞(窗洞)墻的約束較強,位移延性系數(shù) Δu/Δc、Δf/Δu分別較素墻提高了6%(173%)和193%(64%),破壞荷載時的位移角增大了133%(64%)。現(xiàn)澆構(gòu)造柱約束帶門洞墻的Δu/Δc、Δf/Δu及 Δf/H 較素門洞墻分別提高0、70%、73%,芯柱式構(gòu)造柱對帶門洞墻的約束作用好于現(xiàn)澆構(gòu)造柱。芯柱式構(gòu)造柱對開洞墻的變形約束作用好于實墻。

3)隨豎向壓應(yīng)力減小,芯柱式構(gòu)造柱約束實墻的變形能力略有提高。

4)高寬比較大的芯柱式墻的變形能力好于高寬比較小墻體。

綜上,芯柱式構(gòu)造柱約束墻的位移延性系數(shù)、位移角均較素墻有所提高,對實墻的約束效果較現(xiàn)澆式構(gòu)造柱稍差,對開洞墻的約束效果較現(xiàn)澆式構(gòu)造柱好,總體對變形能力的改善與現(xiàn)澆構(gòu)造柱相近,初步表明芯柱式構(gòu)造柱可代替現(xiàn)澆構(gòu)造柱使用。

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