湯旭冬, 趙 艷, 盛 葉, 黃 鑫, 胡 超

(1.福建農(nóng)林大學(xué)交通與土木工程學(xué)院,福建 福州 350002;2.武夷學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院,福建 武夷山 354300)

0 引 言

砌塊整澆墻(Full Grouted Reinforced-Block Masonry Shear Wall 簡(jiǎn)稱 FG-RBMW)是在配筋砌塊砌體剪力墻(Reinforced-Block Masonry Shear Wall 簡(jiǎn)稱 RBMW)的基礎(chǔ)上,為提高該種結(jié)構(gòu)的受力性能提出,其主要特征是采用預(yù)制的孔洞率不低于 45% 的混凝土空心砌塊,在保證對(duì)孔率不低于 90% 的前提下經(jīng)砂漿砌筑而成的墻體。該種墻體在水平和豎直方向均配置鋼筋,孔洞內(nèi)全部采用專用的混凝土100%灌實(shí)。

剪力墻作為配筋砌塊砌體剪力墻結(jié)構(gòu)體系的主要抗側(cè)力構(gòu)件,在水平力的作用下,試件剛度隨著加載位移的增大而逐漸降低[1-5]。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)RMBW結(jié)構(gòu)剛度衰減規(guī)律做了大量研究。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為增加軸壓力對(duì)初始剛度的提升有一定的效果;同時(shí)設(shè)置構(gòu)造柱對(duì)墻片的初始剛度提升作用更明顯。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為隨著剪跨比的減小,試件的初始剛度增加,但衰減速率更快,表現(xiàn)出更明顯的脆性特征;剪跨比越小,軸壓比的變化對(duì)剛度影響越明顯,與文獻(xiàn)[6]的結(jié)論一致。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為軸壓比對(duì)剛度退化有較明顯的影響,軸壓比大剛度退化速度相對(duì)較快,與文獻(xiàn)[9-10]得出的結(jié)論相似。文獻(xiàn)[11-12]認(rèn)為水平配筋率對(duì)初始剛度以及剛度衰減影響較小,但是過(guò)低水平配筋率會(huì)導(dǎo)致墻體剛度衰減過(guò)快,與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論一致。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行了多種因素對(duì)墻體剛度退化的影響,其認(rèn)為降低磚塊高度、改善砌體的質(zhì)量或者增加豎向配筋率都可以最大程度地降低剛度衰減速率。文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)存在中央窗的墻體施加循環(huán)荷載,結(jié)果表明;開(kāi)口的存在會(huì)增加剛度衰減的速率。文獻(xiàn)[15]認(rèn)為隨著高寬比的增加,剛度退化略有減少。以上研究多以配筋率、軸壓比、剪跨比等為研究對(duì)象,對(duì)灌芯材料的研究較少,而灌芯材料作為RMBW的重要組成,其屬性對(duì)于墻體在往復(fù)荷載下的表現(xiàn)影響較大;另一方面,現(xiàn)有研究墻片多為一字型,加載方式為單向水平往復(fù)加載。對(duì)于復(fù)合受力下以及其它形狀的墻體研究較少,而雙向加載以及墻片形狀的不同對(duì)墻體在加載過(guò)程中剛度變化有待研究。

根據(jù)墻體擬靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析復(fù)合受力狀態(tài)下T型砌塊整澆墻的剛度衰減規(guī)律,以此建立適用于此種墻體的剛度衰減方程,為此種體系整體結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)分析提供理論基礎(chǔ)。

1 墻體試件參數(shù)

研究的四個(gè)試件的編號(hào)和有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 剛度衰減方程

運(yùn)用JGJ/T 101-2015 《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的割線剛度方法,如式1所示。對(duì)試驗(yàn)中墻體的滯回曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到不同位移時(shí)的剛度。根據(jù)灌芯材料不同對(duì)墻體剛度進(jìn)行回歸分析,得到剛度衰減方程。

(1)

式中,+Pi,-Pi為第i次正反兩向峰值點(diǎn)荷載值;+Δi,-Δi為第i次正反兩向峰值點(diǎn)位移值。

表1 試件參數(shù)

2.1 T1,T3墻片

T1、T3墻體的剛度計(jì)算結(jié)果如圖1所示。由圖可知,擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,表明指數(shù)函數(shù)可以表達(dá)墻體的剛度衰減規(guī)律。由于試驗(yàn)過(guò)程中T1墻體產(chǎn)生較大滑移,導(dǎo)致圖1-b中試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散較大,但擬合曲線也能較好的描述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的剛度退化。

a-T1,T3翼緣;b-T1,T3腹板

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到T1,T3墻體翼緣的剛度衰減方程如式2所示:

K=e(-0.058Δ+3.96)

(2)

腹板的剛度衰減方程如式3所示:

K=e(-0.056Δ+3.76)

(3)

其中:Δ為各點(diǎn)的位移值。

2.2 T2,T4墻片

T2,T4墻體的剛度計(jì)算結(jié)果如圖2所示,擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了指數(shù)函數(shù)可以表達(dá)墻體的剛度衰減規(guī)律。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得到T2,T4墻體翼緣剛度衰減方程如式4所示:

K=e(-0.075Δ+4.41)

(4)

腹板剛度衰減方程如式5所示:

K=e(-0.057Δ+4.21)

(5)

其中:Δ為各點(diǎn)的位移值。

a-T2,T4翼緣;b-T2,T4腹板

由圖1和圖2可知,T型砌塊整澆墻的剛度隨著加載位移的增加而減小,前期退化速率大于后期速率,到達(dá)極限承載力后,剛度退化速率反而趨于平緩,說(shuō)明T型墻體在后期依然具有較高的延性。

對(duì)比分析圖1、圖2和式(2)-式(5)可知,水平配筋的提高對(duì)構(gòu)件的初始剛度及其退化速率影響不大,與文獻(xiàn)[11-13]得出的結(jié)論一致。芯柱混凝土對(duì)于構(gòu)件剛度和退化速率的影響較為明顯,采用石墨尾礦混凝土作為灌芯材料的T2,T4較采用普通混凝土的T1,T3有著更高的初始剛度以及較快的衰減速率。

3 歸一化剛度衰減方程

由圖1、圖2可以看出,不同墻體的剛度曲線離散性較大,為消除剛度離散性的影響,將各墻體的剛度歸一化,采用兩種方法:初始點(diǎn)剛度歸一化及峰值點(diǎn)剛度歸一化。

3.1 初始剛度歸一化

a-腹板;b-翼緣

將各墻體的剛度均除以初始剛度K0,將其定義為剛度退化系數(shù)ɑ0=K/K0,對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的位移均除以初始位移δ0=Δ/Δ0,得到α0曲線。將各墻體的ɑ0曲線進(jìn)行回歸,得到的回歸曲線與試驗(yàn)值吻合較好,滿足指數(shù)衰減規(guī)律,如圖3所示。得到腹板的初始剛度歸一化方程如式6所示:

K/K0=e(-0.13Δ/Δ0-0.01)

(6)

翼緣的初始剛度歸一化方程如式7所示:

K/K0=e(-0.15Δ/Δ0+0.06)

(7)

其中:Δ為各點(diǎn)的位移值,Δ0為初始點(diǎn)位移值。

3.2 峰值點(diǎn)剛度歸一化

將各墻體的剛度均除以峰值點(diǎn)剛度Km,將其定義為剛度退化系數(shù)ɑm=K/Km,對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的位移均除以峰值點(diǎn)位移δm=Δ/Δm,得到αm曲線。將各墻體的ɑm曲線進(jìn)行回歸,得到的回歸曲線與試驗(yàn)值吻合較好,滿足指數(shù)衰減規(guī)律,如圖4所示。得到腹板的峰值點(diǎn)剛度歸一化方程如式8所示:

K/Km=e(-1.43Δ/Δm+1.22)

(8)

翼緣的峰值點(diǎn)剛度歸一化方程如式9所示:

K/Km=e(-1.48Δ/Δm+1.35)

(9)

其中:Δ為各點(diǎn)的位移值,Δm為峰值點(diǎn)位移值。

對(duì)比式(6)和式7,式(8)和式(9),可以看出在兩種表達(dá)曲線下,翼緣衰減速率更快,主要是在試驗(yàn)加載初期,腹板與翼緣相連的一端墻體所受到的荷載影響甚微,剛度基本不受影響,導(dǎo)致整體腹板墻體在加載過(guò)程中剛度退化速率低于翼緣。隨著位移的增加,二者的α0、離散性更小,更加均勻,表明α0曲線更能準(zhǔn)確表達(dá)墻體的歸一化剛度衰減趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

利用4片砌塊整澆墻低周往復(fù)荷載試驗(yàn),研究了墻體在復(fù)合受力狀態(tài)下的剛度衰減規(guī)律,得到了以下結(jié)論:

1)試驗(yàn)中由于灌芯材料的不同,墻體表現(xiàn)出不同的衰減規(guī)律。采用石墨尾礦混凝土作為灌芯材料的T2,T4較采用普通混凝土的T1,T3有著更高的初始剛度以及較快的衰減速率。水平鋼筋的改變?cè)诒敬螌?shí)驗(yàn)中對(duì)初始剛度及剛度衰減沒(méi)有體現(xiàn)出較大影響。

2)在位移較小時(shí),同片墻體的翼緣衰減速度較腹板更快;當(dāng)位移較大時(shí),二者趨于一致。

3)通過(guò)對(duì)試驗(yàn)剛度的擬合得出剛度衰減方程及歸一化剛度衰減方程,均滿足指數(shù)衰減規(guī)律,擬合曲線與試驗(yàn)計(jì)算值吻合較好,此方程可以用于結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算分析的參考。

4)為消除各參數(shù)影響,得到統(tǒng)一的剛度方程,提出剛度退化系數(shù)的概念。計(jì)算分析表明,各次試驗(yàn)得到的α0-Δi/Δ0曲線比曲線αm-Δi/Δm更加均勻、穩(wěn)定,離散性更小,建議采用α0曲線表示砌塊整澆墻的剛度衰減更加合理。