余 瑞 應(yīng)惠清 陳 敏 姚新菊

(1同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)(2重慶市兩江新區(qū)管委會(huì)建設(shè)管理事務(wù)中心，重慶 401147)(3成都市龍泉驛區(qū)交通運(yùn)輸局，成都 610100)

新型裝配－現(xiàn)澆式密柱結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究

余 瑞1，2應(yīng)惠清1陳 敏1姚新菊3

(1同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092)
(2重慶市兩江新區(qū)管委會(huì)建設(shè)管理事務(wù)中心，重慶 401147)
(3成都市龍泉驛區(qū)交通運(yùn)輸局，成都 610100)

摘 要:為提升新型裝配－現(xiàn)澆式密柱結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過(guò)對(duì)2榀模型在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)分析，研究了其在正常使用階段和承載極限狀態(tài)時(shí)墻體各截面應(yīng)力、裂縫、變形、破壞形態(tài)及延性性能.結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有良好的延性及變形能力，抗震性能明顯優(yōu)于普通剪力墻;預(yù)制外殼與現(xiàn)澆柱聯(lián)結(jié)性能良好，不會(huì)出現(xiàn)滑移錯(cuò)動(dòng);預(yù)制外殼的增加能顯著提高結(jié)構(gòu)承載性能，采用“最優(yōu)尺寸”的截面設(shè)計(jì)能更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗震能力.新型結(jié)構(gòu)具有良好的整體工作性能，可以作為抗震房屋建筑的結(jié)構(gòu)體系.

關(guān)鍵詞:住宅產(chǎn)業(yè)化;裝配式外墻;抗震性能;延性;擬靜力試驗(yàn)

新型裝配－現(xiàn)澆式密柱結(jié)構(gòu)體系是一種嶄新的產(chǎn)業(yè)化住宅結(jié)構(gòu)形式，其由裝配式外墻、預(yù)制疊合樓板、預(yù)制樓梯、預(yù)制陽(yáng)臺(tái)等構(gòu)件共同組成.

裝配式外墻是該結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵承重及抗震構(gòu)件，國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗震性能尚無(wú)試驗(yàn)研究.為了研究新型結(jié)構(gòu)與剪力墻結(jié)構(gòu)在承載能力和破壞形態(tài)上的差異，前期先進(jìn)行了2榀不同厚度的普通剪力墻擬靜力試驗(yàn);此外，考慮到預(yù)制外殼今后可由輕質(zhì)高強(qiáng)材料替代，還進(jìn)行了3榀不同尺寸設(shè)置的純密柱結(jié)構(gòu)(無(wú)預(yù)制外殼)擬靜力試驗(yàn)，得出了抗震性能的相對(duì)“最優(yōu)尺寸”及“最差尺寸”參數(shù).本文則是利用上述結(jié)論建立2榀1/3縮尺比例的裝配式外墻模型，對(duì)比其在水平荷載作用下的受力性能、破壞機(jī)理及接觸滑移等特性，以確定合理的構(gòu)件尺寸;同時(shí)，通過(guò)與純密柱結(jié)構(gòu)及普通剪力墻結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震性能，并提出改進(jìn)及建議措施.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試件高1 500 mm、寬1 673 mm、厚103 mm，根據(jù)端、密柱及暗梁尺寸的不同，分別編號(hào)為HCM4(最優(yōu)尺寸)及HCM3(最差尺寸)，外形尺寸及配筋見圖1.端、密柱縱向配筋按單邊配筋率設(shè)置為0.3% ～0.6%［1］，箍筋按足尺構(gòu)件 φ8@150 折算為φ4@112，預(yù)制外殼水平及豎向鋼筋按足尺構(gòu)件φ4@100折算為鍍鋅鐵絲 φ2.8@35×35.試件材性試驗(yàn)結(jié)果見表1及表2.

圖1 試件外形尺寸及配筋(單位:mm)

表1 混凝土材性試驗(yàn)結(jié)果

表2 鋼筋材性試驗(yàn)結(jié)果

1.2 加載裝置與加載制度

試驗(yàn)加載裝置由豎向反力架、分配梁、豎向千斤頂和水平千斤頂?shù)冉M成(見圖2).試驗(yàn)時(shí)先施加豎向荷載，豎向荷載根據(jù)設(shè)計(jì)軸壓比(0.4)得出［2－3］，2 榀試件均為 1 000 kN，在試驗(yàn)過(guò)程中豎向荷載保持不變.水平荷載采用懸臂式加載，加載制度采用荷載－位移控制，即在試件屈服前按荷載控制，每次施加理論極限荷載值的10%，每級(jí)荷載循環(huán)2次;試件屈服后按位移控制，測(cè)出試件屈服時(shí)的位移 Δ，按1.5Δ，2Δ，2.5Δ，…，逐級(jí)加載，每級(jí)循環(huán)3次，直至實(shí)時(shí)荷載值低于最高值的85%或試件破壞［4］.

圖2 加載裝置

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

試件的位移測(cè)點(diǎn)及鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示.位移計(jì)與應(yīng)變片沿端、密柱的高度方向分布，可量測(cè)不同位置處的水平位移及鋼筋應(yīng)變.試驗(yàn)全部數(shù)據(jù)由IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集、記錄，通過(guò)X-Y函數(shù)記錄儀自動(dòng)繪制荷載－位移滯回曲線;裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，則采用人工觀察測(cè)繪的方法.

圖3 試件測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞過(guò)程

1)HCM4 在荷載控制階段，混凝土開裂前構(gòu)件處于彈性階段，其加載與卸載曲線基本重合且為一條直線.當(dāng)水平推力達(dá)到210 kN時(shí)，試件西側(cè)密柱空腔處出現(xiàn)第1條豎向裂縫.當(dāng)水平推力達(dá)到245 kN時(shí)，所有密柱空腔均出現(xiàn)豎向裂縫，空腔兩端出現(xiàn)彎剪斜裂縫;此時(shí)荷載－位移曲線明顯偏離，構(gòu)件進(jìn)入屈服階段.以此時(shí)位移為屈服位移，改為位移控制加載.位移加載至2Δ時(shí)，荷載增加至290 kN，原有的豎向裂縫明顯貫穿，墻體中部大面積出現(xiàn)沿45°方向延伸的剪切斜裂縫，出現(xiàn)鋼筋屈服現(xiàn)象;位移加載至3Δ時(shí)，外殼出現(xiàn)剝落及外鼓的現(xiàn)象，屈服鋼筋增多;位移加載至4Δ時(shí)，試件東側(cè)墻腳處混凝土局部壓潰，密柱空腔內(nèi)混凝土被壓壞，荷載下降至最大荷載的85%以下，外殼鍍鋅鐵絲出現(xiàn)明顯的錯(cuò)動(dòng)，試件破壞.

2)HCM3 破壞過(guò)程與HCM4類似.圖4為裂縫分布圖.

圖4 試件裂縫分布

2.2 滯回曲線

圖5 荷載－位移曲線

各試件的荷載－位移滯回曲線如圖5所示，其中CM4(最優(yōu)尺寸)與CM3(最差尺寸)指純密柱結(jié)構(gòu)［5］，JLQ83(墻厚 83 mm)與 JLQ103(墻厚 103 mm)指剪力墻結(jié)構(gòu)［6］.從圖 5(c)、(d)中可以看出:①試件開裂前均處于彈性階段，加載與卸載曲線基本重合且為一條直線，剛度值基本不變.②試件開裂后至屈服前，滯回曲線包圍的面積很小，滯回環(huán)狹窄細(xì)長(zhǎng)，整體剛度下降不大，殘余變形較小，耗能也較少.③隨著荷載的增大，試件進(jìn)入屈服階段，剛度退化較快，滯回曲線開始呈梭形，滯回環(huán)的面積明顯增大，由于試件中斜裂縫的張合及剪切變形的影響，荷載－位移曲線出現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象.④ 接近破壞時(shí)，位移成倍增長(zhǎng)，滯回環(huán)更加飽滿，并向反S形轉(zhuǎn)變，“捏縮”趨勢(shì)更加明顯.

由上述分析可見:① HCM4與HCM3相比，二者極限荷載與極限位移相差不大，但滯回環(huán)包圍的面積前者要大于后者.② HCM3，HCM4與 CM3，CM4相比，極限荷載與極限位移均有較大幅度的增長(zhǎng)，滯回曲線更加飽滿，滯回環(huán)的面積明顯增大.③ HCM3，HCM4與JLQ83，JLQ103相比，前兩者極限荷載為后兩者的50%左右，但極限位移卻能增大3～4倍，滯回環(huán)的面積也增大較多，說(shuō)明雖然極限承載力降低，但新型結(jié)構(gòu)的耗能能力得到了增強(qiáng).

2.3 加載特征點(diǎn)及延性比較

根據(jù)荷載－位移滯回曲線可繪制出6個(gè)試件的骨架曲線，試件極限位移取最大承載力下降15%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移，按照能量等值法將骨架曲線等效為理想二折線型［7］，各試件開裂、屈服等加載特征點(diǎn)及延性值如表3所示.由表可見:① HCM4與HCM3相比，二者極限荷載與極限位移相差不大，但前者延性明顯優(yōu)于后者，說(shuō)明“最優(yōu)尺寸”能更好地保持結(jié)構(gòu)延性.② HCM3，HCM4與CM3，CM4相比，極限承載力分別提高166.7%和151.9%，延性系數(shù)分別提高83.6%和137.0%，說(shuō)明增加外殼后抗震性能顯著改善.③ HCM3，HCM4與JLQ83，JLQ103相比，極限承載力前者為后者的50%左右，但極限位移、延性系數(shù)和極限層間位移角均有較大幅度的增長(zhǎng)，說(shuō)明在滿足承載力的情況下，新型結(jié)構(gòu)的抗震性能優(yōu)于剪力墻結(jié)構(gòu).

表3 破壞過(guò)程的主要特征值

2.4 耗能能力

各試件在低周反復(fù)加載過(guò)程中的總耗能能力見表4，可以看出:① HCM4與HCM3相比，前者的總耗能及耗能系數(shù)分別為后者的137.9%和109.1%，說(shuō)明HCM4的耗能能力優(yōu)于HCM3，該尺寸布置更有利于結(jié)構(gòu)抗震.② HCM3與CM3，HCM4與CM4相比，總耗能分別提高139.2%和88.4%，延性系數(shù)分別提高46.8%和55.6%，說(shuō)明增加外殼后總耗能能力明顯提升.③HCM3，HCM4與JLQ83相比，總耗能分別提高90.0%和162.0%，延性系數(shù)分別提高159.4%和182.9%，說(shuō)明新型結(jié)構(gòu)的總耗能能力優(yōu)于 83 mm厚剪力墻.④ HCM3，HCM4與JLQ103相比，總耗能分別提高45.8%和100.9%，延性系數(shù)分別提高96.9%和114.7%，說(shuō)明新型結(jié)構(gòu)的總耗能能力同樣優(yōu)于103 mm厚剪力墻.

表4 總耗能及耗能系數(shù)

2.5 剛度退化

構(gòu)件的特征點(diǎn)剛度及退化情況如圖6所示，可以看出:①HCM3和HCM4的剛度退化曲線基本吻合，二者的初始剛度及剛度退化趨勢(shì)類似于JLQ83.② 試件JLQ103由于墻厚的增大，其剛度退化明顯趨于緩和.根據(jù)上述分析可以得出以下結(jié)論:新型結(jié)構(gòu)的剛度退化趨勢(shì)與密柱寬度有關(guān)，預(yù)制外殼對(duì)剛度退化的影響較小，設(shè)計(jì)此類結(jié)構(gòu)時(shí)，初始剛度宜按現(xiàn)澆柱同寬的剪力墻考慮.

圖6 剛度退化曲線

2.6 鋼筋應(yīng)變分析

圖7顯示了水平推力為100，200，300 kN時(shí)，裝配式外墻中密柱鋼筋與普通剪力墻鋼筋沿墻高的變化曲線.

圖7 構(gòu)件鋼筋應(yīng)變隨高度變化曲線

從圖7可以看出:①在加載過(guò)程中，新型結(jié)構(gòu)柱底鋼筋的壓應(yīng)變最大，隨著高度的上升，應(yīng)變值逐漸降低;② 對(duì)于新型結(jié)構(gòu)，加載接近極限荷載時(shí)，墻底部及兩端鋼筋率先達(dá)到屈服，墻腳處最先形成塑性鉸，但其他部位的鋼筋仍處于彈性階段;③在相同荷載作用下，JLQ83及JLQ103的鋼筋應(yīng)變值均小于HCM3及HCM4，且減小的幅度在35%左右，說(shuō)明裝配式外墻的抗側(cè)能力仍需加強(qiáng).

2.7 墻體側(cè)向位移分析

圖8顯示了水平推力為100，200，300 kN時(shí)，墻體側(cè)向位移沿墻高的變化曲線.從圖中可以看出，HCM3及HCM4在相同墻高處的水平位移值比較接近，位移變化速率也趨于一致;二者的水平位移值均明顯大于JLQ83及JLQ103，顯示裝配式外墻更加“柔軟”，更加有利于能量吸收.

圖8 不同荷載作用下的側(cè)向位移曲線

2.8 破壞形態(tài)

新型結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出彎剪型變形特征，主要破壞形式有2種［8］:① 大偏壓破壞，特征為密柱空腔內(nèi)混凝土被壓潰，導(dǎo)致混凝土外殼與密柱局部剝離，如圖9所示.②剪切破壞，特征為墻頂及墻腳處大面積出現(xiàn)45°斜裂縫，如圖10所示.通過(guò)對(duì)比分析可知:新型結(jié)構(gòu)與剪力墻的破壞機(jī)理明顯不同，剪力墻破壞部位集中在墻體底部，表現(xiàn)為混凝土大量剝落，甚至出現(xiàn)斷裂的情況;而新型結(jié)構(gòu)的密柱空腔率先屈服、破壞，延緩了對(duì)墻體的破壞，最后隨著各個(gè)密柱獨(dú)立性的增強(qiáng)而發(fā)生了彎曲破壞，破壞部位分散，墻體底部破壞相對(duì)較輕.

圖9 大偏壓破壞

圖10 剪切破壞

2.9 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)2 榀試件均表現(xiàn)出良好的承載及變形能力.HCM4與HCM3相比，二者極限荷載與極限位移相差不大，破壞形式也基本類似;但HCM4的延性及耗能優(yōu)于HCM3，這是因?yàn)镠CM4的端柱寬度大于HCM3，端柱與現(xiàn)澆梁形成的框架結(jié)構(gòu)在承受荷載方面占主導(dǎo)作用，因此采用最優(yōu)尺寸更有利于結(jié)構(gòu)抗震.

2)HCM3與HCM4的耗能及延性均顯著優(yōu)于CM3與CM4.這是因?yàn)榛炷镣鈿ぜs束了密柱的變形，使密柱的實(shí)際受力狀態(tài)類似于三向受壓［9］，所以墻體的抗震性能有較大的提升.

3)HCM3，HCM4 與 JLQ83，JLQ103 相比，前者極限荷載為后者的50%左右，但極限位移卻能增大3～4倍，滯回環(huán)的面積也增大較多.說(shuō)明雖然極限承載力降低，但新型結(jié)構(gòu)的延性及耗能均優(yōu)于剪力墻結(jié)構(gòu);由于密柱空腔的存在，使墻體成為一種特殊的“開縫剪力墻”結(jié)構(gòu)［10－11］，這種“縫隙”率先屈服，減緩了墻體的整體破壞，使墻體具有更好的延性;此外，在剛度退化方面，HCM3，HCM4的退化趨勢(shì)與JLQ83更為接近，因此新型結(jié)構(gòu)的剛度宜按現(xiàn)澆柱同寬的剪力墻考慮.

4)從HCM3及HCM4的破壞形態(tài)來(lái)看，預(yù)制外殼與現(xiàn)澆柱的聯(lián)結(jié)性能良好，僅出現(xiàn)局部剝離，未出現(xiàn)大面積的錯(cuò)動(dòng)滑移.說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的整體性較好，但當(dāng)墻體完全破壞時(shí)，密柱空腔內(nèi)的混凝土基本全被壓酥，導(dǎo)致墻體側(cè)向承載力降低.這是由于空腔內(nèi)配筋較少所致，在以后的設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用中，宜適當(dāng)增加密柱空腔內(nèi)的配筋.

3 結(jié)論

1)由于密柱空腔的存在，裝配式外墻的變形與耗能能力得到明顯改善，在地震作用下，墻體近似成為通縫墻，抗側(cè)移剛度顯著減小，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的延性及變形能力，可以作為抗震房屋建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)件.

2)預(yù)制外殼與現(xiàn)澆柱始終共同受力，二者工作界面沒有明顯的裂縫或錯(cuò)動(dòng)滑移，其聯(lián)結(jié)性能良好.

3)同純密柱結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制外殼的約束能大幅提高新型結(jié)構(gòu)的承載性能及延性耗能;同剪力墻結(jié)構(gòu)相比，盡管極限承載力下降50%左右，但新型結(jié)構(gòu)在極限位移、延性系數(shù)、極限位移角、耗能能力等方面均有較大幅度的提高，說(shuō)明在滿足承載能力的情況下，新型結(jié)構(gòu)具有更佳的抗震性能.

4)采用最優(yōu)尺寸的截面設(shè)計(jì)能更好地發(fā)揮結(jié)構(gòu)抗震能力，設(shè)計(jì)時(shí)宜優(yōu)先采用混凝土外殼及最優(yōu)尺寸;此外，為增強(qiáng)墻體的側(cè)向承載性能，可適當(dāng)增加密柱空腔內(nèi)的配筋.

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Test study on seismic behavior of new structure with assembly-situ wall

Yu Rui1，2Ying Huiqing1Chen Min1Yao Xinju3

(1College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
(2Construction Management Center，Liangjiang New Area，Chongqing 401147，China)
(3Traffic of Transport Bureau of Longquanyi District of Chengdu Municipality，Chengdu 610100，China)

Abstract:To improve the seismic performance of new structure with assembly-situ wall，quasistatic experiments were applied to two models.The stress，cracks，deflection，failure patterns and ductility were separately studied in normal and ultimate stage.Results indicate that under normal work condition the structure displays superior ductility and deformation capacity than ordinary shear wall.In addition，the connection between precast shell and cast-in-situ columns is excellent relative is excellent without any relative glide.The precast shell can significantly improve bearing properties;meanwhile the“optimal size”section has capability to promote seismic capacity.In conclusion，the new structure displays stable performance as a whole，which can be applied as structure for anti-seismic building.

Key words:housing industrialization;fabricated external wall;seismic behavior;ductility;quasi-static test

中圖分類號(hào):TU352.1

A

1001－0505(2013)01-0174-06

doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.033

收稿日期:2012-04-23.

余瑞(1982—)，男，博士生;應(yīng)惠清(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導(dǎo)師，tjuyhq@163.com.

基金項(xiàng)目:上海市科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(07dz12017-03).

引文格式:余瑞，應(yīng)惠清，陳敏，等.新型裝配－現(xiàn)澆式密柱結(jié)構(gòu)體系抗震性能試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013，43(1):174－179.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2013.01.033］