陳國新， 王 利， 胡玉龍， 席 亮

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052)

0 引言

隨著我國建筑行業(yè)的不斷革新，一大批新型建筑結(jié)構(gòu)形式如雨后春筍般出現(xiàn)。如異形柱框輕結(jié)構(gòu)[1]、短肢剪力墻結(jié)構(gòu)[2]、CL結(jié)構(gòu)體系[3]、裝配式密肋復(fù)合板結(jié)構(gòu)[4]隨著建筑行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用也越來越多，建筑結(jié)構(gòu)向著更加綠色、節(jié)能、環(huán)保、安全的方向發(fā)展。配筋砌體[5-6]的出現(xiàn)改善了砌體結(jié)構(gòu)破壞模式不合理、不利于抗震設(shè)計的缺點，讓砌體能夠運用在更多的結(jié)構(gòu)形式上。帶縱向加強肋復(fù)合墻體是一種在傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)中增加多道配筋較小的鋼筋混凝土肋梁，并與框柱、暗梁整澆在一起，約束內(nèi)部輕質(zhì)保溫砌塊的新型建筑結(jié)構(gòu)形式。復(fù)合墻體中框柱、加強肋和砌塊之間協(xié)同工作、共同受力，形成墻體各結(jié)構(gòu)部位能夠共同發(fā)揮作用的復(fù)合型砌體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 帶縱向加強肋復(fù)合墻體

為研究該復(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，使其具有更強的適用性，席亮[7]對豎向荷載作用下帶縱向加強肋復(fù)合墻體的荷載分配規(guī)律以及洞口對復(fù)合墻體承載力的影響進行了研究；胡玉龍[8]、呂信敏[9]對不同開洞工況下復(fù)合墻體的抗震性能和抗剪性能進行了分析，提出了豎向荷載作用下復(fù)合墻體的抗剪承載力計算公式。作為一種新型建筑結(jié)構(gòu)，豎向荷載作用下帶縱向加強肋復(fù)合墻體的受力性能以及承載力影響因素的分析還較少，需進一步研究。本文設(shè)計并制作一榀縮尺比例為1/2的帶縱向加強肋復(fù)合墻體模型(SCW-1)并進行軸心抗壓性能試驗，以探究豎向均布荷載作用下復(fù)合墻體的受力性能，分析墻體的受力特點、破壞過程、破壞模式及框柱和肋梁中的鋼筋應(yīng)變隨荷載變化的規(guī)律，并結(jié)合ABAQUS軟件對帶縱向加強肋復(fù)合墻體進行有限元分析，分析影響墻體承載力有的主要因素。

1 試驗簡介

1.1 試件的設(shè)計與制作

1.1.1 試件設(shè)計

試件為縮尺比例1/2的模型墻體，墻體原型尺寸2.8m×3.0m×0.2m，試驗墻體設(shè)計參數(shù)見表1。框柱配筋率為1.1%，肋梁配筋率為1.0%。墻體中框柱和暗梁均采用C30混凝土現(xiàn)澆。砂漿采用M5.0混凝土砂漿，砌塊采用干密度等級為B06，強度等級為A3.5的加氣混凝土砌塊。

設(shè)計參數(shù) 表1

1.1.2 材料性能

試件中鋼筋力學(xué)性能測試結(jié)果見表2?；炷痢⑻畛淦鰤K及砂漿的測試[10]結(jié)果見表3。

鋼筋力學(xué)性能 表2

混凝土、砌塊、砂漿力學(xué)性能 表3

1.1.3 試件制作

試驗墻體制作時首先進行底部肋梁的支模、鋼筋綁扎和澆筑，在肋梁混凝土達到設(shè)計強度的50%時進行第一層砌體的砌筑，并在兩側(cè)框柱處留馬牙槎[11]；隨后進行中部肋梁和底部框柱的澆筑，待混凝土達到一定強度后進行第二層砌體的砌筑；然后以同樣的方法澆筑上部肋梁和中部框柱，待混凝土達到一定強度后進行第三層砌體的砌筑；最后澆筑暗梁與上部框柱，形成砌體、肋梁和框柱共同受力的整體。制作過程如圖2所示。

圖2 墻體制作過程

為探析在豎向荷載作用下墻體各部位中鋼筋的應(yīng)力變化狀態(tài)，分析結(jié)構(gòu)整體的受力特點，在墻體制作過程中將應(yīng)變片粘貼在框柱和肋梁的鋼筋上，其中框柱中鋼筋應(yīng)變片粘貼于肋梁和框柱節(jié)點下50mm對應(yīng)的兩側(cè)鋼筋上，肋梁中的鋼筋應(yīng)變片粘貼于縱向受力筋距梁柱節(jié)點50mm處和肋梁中部。加載裝置及應(yīng)變測點布置如圖3，4所示。

圖3 加載裝置

圖4 應(yīng)變測點布置

1.2 試驗方法

試驗采用豎向千斤頂經(jīng)水平分配梁向試件施加豎向均布荷載，為確保分配梁與試件均勻接觸，在試件頂部與鋼梁接觸面均勻鋪設(shè)水泥砂漿并確保鋼梁與試件的幾何中心對齊。

試驗加載過程采用力控制[12]，加載過程分為預(yù)加載和試驗加載兩個階段。預(yù)加載階段分兩次從0kN加載至50kN，每次持時5min，再用同樣的方法卸載至0kN，加載速率控制在5kN/min左右。加載階段采用逐級加載，每級荷載50kN，每次持續(xù)時間為10min，直至墻體發(fā)生破壞，加載速率控制在10kN/min。

2 試驗現(xiàn)象及分析

豎向均布荷載作用下復(fù)合墻體受力主要經(jīng)歷三個階段：彈性階段、彈塑性階段、破壞階段。

彈性階段，豎向荷載較小時，墻體各承力構(gòu)件無明顯變化。隨著荷載的增加，砌塊表面出現(xiàn)少量細微裂縫并伴隨有輕微的聲響，此時墻體中的砌塊發(fā)揮主要作用，以砌塊開裂來消耗豎向荷載作用下墻體產(chǎn)生的能量。當荷載達到135kN時，砌體出現(xiàn)少量可見性裂縫，此時荷載為極限荷載的35%。此后，裂縫不斷產(chǎn)生并逐步向砌塊與砂漿連接部位和鄰近肋梁部位擴張。

彈塑性階段，荷載繼續(xù)增加，角部砌塊出現(xiàn)貫穿性裂縫，原有裂縫也不斷增大并向框柱及肋梁節(jié)點處擴張。當豎向荷載加載至極限荷載的70%～80%時，下部肋梁出現(xiàn)多道貫穿性裂縫，此時肋梁發(fā)揮作用承擔了部分豎向荷載。與此同時，右側(cè)框柱柱腳處出現(xiàn)明顯的混凝土壓碎現(xiàn)象并伴隨著“吱吱聲”。

試驗加載后期的破壞階段，墻體上部砌塊出現(xiàn)脫落，砌塊和肋梁中的裂縫不斷向框柱延伸，節(jié)點處裂縫也向框柱側(cè)面擴張并呈彌散型開裂。此時墻體框柱及肋梁大部分鋼筋屈服，框柱柱腳及節(jié)點處和暗梁右上角混凝土局部被壓碎致使部分鋼筋外露，但墻體依然保持良好的穩(wěn)定性。墻體破壞照片如圖5所示，破壞時的特征荷載和特征位移如表4所示。

圖5 墻體破壞照片

墻體特征荷載和特征位移 表4

3 鋼筋應(yīng)變分析

3.1 框柱鋼筋應(yīng)變分析

試驗墻體框柱中不同截面上鋼筋應(yīng)變隨荷載的變化曲線如圖6所示。在圖6(a)中，左、右框柱底部鋼筋荷載-應(yīng)變變化曲線均分為三部分：荷載達到150kN之前曲線基本呈線性增長，增長速率相對較為緩慢且變化較?。缓奢d從150kN增加到250kN時鋼筋應(yīng)變迅速增加，此階段對應(yīng)于墻體彈塑性階段；當承受的荷載接近250kN時，曲線出現(xiàn)明顯拐點，應(yīng)變隨荷載增長趨勢減緩，此時所承受的荷載接近墻體極限荷載，大部分鋼筋已屈服。由圖6(b)可以看出，左、右框柱中部鋼筋的荷載-應(yīng)變曲線變化趨勢十分接近，且與底部截面鋼筋破壞過程相一致；框柱上部鋼筋應(yīng)變在整個加載過程中增長速率一直較快，直到荷載達到250kN時，荷載-應(yīng)變曲線變化才逐漸平緩。

圖6 SCW-1墻體左、右框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

試件左、右框柱鋼筋的應(yīng)變基本相似，且在受力過程中始終處于受壓狀態(tài)，其中框柱上部受力最小，中部次之，下部最大，且框柱底部鋼筋應(yīng)變大于上部鋼筋的。

3.2 加強肋鋼筋應(yīng)變分析

3.2.1 不同肋梁相同位置鋼筋測點應(yīng)變分析

帶縱向加強肋復(fù)合墻體由下到上共設(shè)置三道肋梁，按照肋梁位置分為底部肋梁、中部肋梁和上部肋梁，圖7為各個肋梁中部應(yīng)變。由圖7可以明顯看出，各道肋梁中部鋼筋應(yīng)變狀態(tài)相差懸殊。究其原因，豎向荷載作用下框柱承受較大壓力[7]，與肋梁之間形成拉桿拱效應(yīng)[13]，其中上部肋梁產(chǎn)生的拉桿拱作用最大，呈現(xiàn)出較大拉應(yīng)變。豎向荷載向下傳遞過程中，中部肋梁和砌塊之間的協(xié)同工作效應(yīng)較強，拉桿拱作用不明顯，呈現(xiàn)出輕微受拉作用，鋼筋應(yīng)變在0～50με之間。下部肋梁則未產(chǎn)生拉桿拱作用，呈現(xiàn)出壓應(yīng)變，且應(yīng)變值為上部肋梁的1/3。在試驗初期，墻體豎向荷載較小，且荷載由各承力構(gòu)件共同承擔，肋梁所分擔的力較小，因此各曲線初期應(yīng)變值都很小。當荷載由100kN增加到150kN時，曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，這是由于該階段砌塊出現(xiàn)較多裂縫并向各道肋梁延伸，肋梁開始承受部分荷載所致，此時肋梁發(fā)揮作用承擔荷載。

圖7 SCW-1墻體肋梁中部鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

3.2.2 相同肋梁不同鋼筋測點應(yīng)變分析

圖8(a)為SCW-1墻體底部肋梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線。由圖8(a)可知，同一道肋梁上鋼筋的應(yīng)變具有基本相似的應(yīng)力變化趨勢，即隨著荷載增加，應(yīng)變不斷加大。在試驗加載過程中處于肋梁底部的鋼筋始終受壓。

圖8 SCW-1墻體肋梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線

圖8(b)為SCW-1墻體中部肋梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線。由圖8(b)可以看出，中部肋梁在受力過程中始終受拉，隨著荷載的增大拉應(yīng)變逐漸增大，并且中部肋梁兩側(cè)鋼筋應(yīng)變值比中部應(yīng)變值變化快。在豎向荷載達到250kN之前，肋梁中部鋼筋無明顯變化，隨后鋼筋開始逐漸承受拉力，并逐漸增加。

圖8(c)為SCW-1墻體中部肋梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線。由圖8(c)可以看出，上部肋梁鋼筋應(yīng)變發(fā)展趨勢相差較大，豎向荷載在50kN以內(nèi)時，肋梁中部和兩側(cè)承擔荷載較小，應(yīng)變變化不大。隨著荷載的逐漸增加，肋梁兩側(cè)鋼筋應(yīng)變發(fā)展較快，肋梁中部鋼筋應(yīng)變發(fā)展趨勢則較為緩慢。

不同肋梁在相同位置的應(yīng)變狀態(tài)相差較大，底部肋梁在墻體受力過程中處于受壓狀態(tài)，上部肋梁鋼筋處于受拉狀態(tài)，中部肋梁則介于兩者之間。底部肋梁鋼筋均處于受壓狀態(tài)，且不同位置的鋼筋應(yīng)變基本相同。中部肋梁鋼筋處于受拉狀態(tài)，且中部鋼筋應(yīng)變相對于兩側(cè)較小。上部肋梁鋼筋均處于受拉狀態(tài)，且兩側(cè)鋼筋應(yīng)變發(fā)展較快，中部鋼筋發(fā)展趨勢較為緩慢。

4 復(fù)合墻體豎向承載力影響因素分析

帶縱向加強肋復(fù)合墻體豎向承力部件由框柱、砌塊和加強肋構(gòu)成。采用ABAQUS軟件建立承力部件變化的不同工況條件下數(shù)值模型并進行計算。選取框柱混凝土強度等級及配筋率、肋梁配筋率和砌塊強度等級作為變量，探究墻體軸心受壓承載力變化情況，參數(shù)變量如表5所示。

模擬參數(shù)變量 表5

采用ABAQUS軟件建立與試驗墻體參數(shù)相同的模型墻體進行有限元分析，將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，試驗與數(shù)值模擬所得荷載-位移曲線趨勢基本相似，表明二者擬合狀況較好，模擬結(jié)果具有一定的準確性[13-15]。在此基礎(chǔ)上通過改變各個變量的參數(shù)，共建立了13塊不同工況下的模擬墻體，計算當參數(shù)改變時，墻體極限承載力相對于試驗墻體的提升比例，其模擬結(jié)果如表6所示。

圖9 SCW-1墻體試驗與數(shù)值模擬結(jié)果對比

墻體承載力提升率 表6

4.1 框柱混凝土強度等級

框柱是承擔墻體軸心荷載的重要部件，由圖10墻體承載力隨框柱混凝土強度等級的變化規(guī)律可以看出，當混凝土強度等級從C25提高至C30時，墻體的承載力提高程度最大，達到19.2%，表明在此區(qū)間內(nèi)混凝土最能充分發(fā)揮其軸心承載力作用，使得其極限承載力大幅度提高。混凝土強度等級從C30提高一個等級(即提高至C35)時墻體極限承載力高約12.2%，再提高一個強度等級(即提高至C40)時墻體極限強度只提高了約9.1%，此時混凝土強度等級的提高對墻體極限承載力的提高作用不大。

圖10 墻體極限承載力隨框柱混凝土強度等級變化規(guī)律

4.2 框柱配筋率和肋梁配筋率

由圖11可以看出，改變框柱配筋率對墻體極限承載力的影響明顯大于改變肋梁配筋率。這是由于框柱在墻體受力過程的各個階段都起到了較大作用，通過提高框柱配筋率會大幅度提高墻體極限承載力。

圖11 墻體極限承載力隨框柱配筋率與肋梁配筋率的變化規(guī)律

框柱配筋率對墻體極限承載力影響較大，當框柱配筋率由1.1%提高至2.5%時，墻體極限承載力由358kN提升至390kN，提升率變化減緩，表明較高的框柱配筋率對墻體抗壓能力提高沒有明顯作用。

提高肋梁配筋率對極限承載力的影響較小，肋梁配筋率從1.0%提高至3.1%時，墻體極限承載力只提高了38.1kN，相較于框柱配筋率對極限承載力的提高作用小。

4.3 砌塊強度等級

圖12為承載力隨砌塊強度等級變化的規(guī)律。由圖12可知，在墻體不設(shè)置砌塊時，其整體極限承載力為225kN；在加入A2.5砌塊時，墻體極限承載力提高至309kN，由于砌塊的加入，框格受力過程中受到了一定約束，從而提高了復(fù)合墻體的整體性，增大墻體的豎向承載力。當砌塊強度等級由A2.5增加到A3.5時，墻體極限承載力增大了5.5%；再將砌塊強度提高一個等級，墻體極限承載力增大了11.7%。砌塊強度在A2.5～A3.5區(qū)間時墻體極限承載力提升率明顯小于砌塊強度在A3.5～A5.0區(qū)間時，說明在僅考慮極限承載力大小的情況下，砌塊強度等級越接近肋梁、框柱的強度，三者之間的協(xié)同工作作用越強，承載力越大。

圖12 墻體極限承載力隨砌塊強度等級變化規(guī)律

提高框柱混凝土強度等級和配筋率、肋梁配筋率以及砌塊強度等級均能提高墻體極限承載力，但隨著變量的增大，提高的效果逐漸變?nèi)??？蛑炷翉姸鹊燃壥怯绊憠w極限承載力的重要因素，框柱配筋率和砌塊強度等級次之，肋梁配筋率最小。

5 結(jié)論

對一榀帶縱向加強肋復(fù)合墻體進行靜力試驗，結(jié)合墻體的數(shù)值模擬結(jié)果對復(fù)合墻體的豎向承載力及其影響因素進行研究，結(jié)論如下：

(1)構(gòu)件在豎向均布荷載作用下的試驗全過程主要經(jīng)歷了三個階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。彈性階段，框柱、肋梁和砌體共同承擔荷載；彈塑性階段，肋梁發(fā)揮作用承擔部分荷載；破壞階段，砌體退出工作，荷載主要由框柱承擔。

(2)試驗墻體的破壞由上部砌塊開始，最終由于框柱鋼筋屈服、混凝土壓碎且部分鋼筋外露導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的破壞。墻體受力過程中，荷載在達到250kN左右時墻體內(nèi)鋼筋開始屈服。墻體破壞時，框柱中部、下部鋼筋以及肋梁上部邊緣鋼筋均屈服，極限荷載達300kN。

(3)墻體受力過程中，框柱承擔了墻體的大部分豎向荷載，且左右兩側(cè)受力基本相似；肋梁底部鋼筋受力過程中始終受壓，上部肋梁主要受拉，中部肋梁鋼筋應(yīng)變在0～50 με之間。

(4)框柱混凝土強度等級的提高對墻體極限承載力有明顯積極作用，是影響墻體豎向承載力的重要因素之一，框柱配筋率和砌塊強度等級的影響次之，肋梁配筋率對墻體豎向承載力影響程度最小。