戎 賢, 穆堯鵬, 李 鵬, 張健新

(1 河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院，天津 300401；2 河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津 300401；3 安能綠色建筑科技有限公司，石家莊 050599)

0 引言

近年來,由于外貼保溫板技術(shù)導(dǎo)致保溫板脫落、著火等安全事故頻發(fā),建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)逐漸被行業(yè)提及,建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化具有保溫效果好、防火性能優(yōu)、保溫與主體結(jié)構(gòu)同壽命的特點,同時也滿足相關(guān)節(jié)能和環(huán)保的要求[1-3]。目前,各種保溫與結(jié)構(gòu)一體化體系不斷出現(xiàn),如復(fù)合保溫鋼筋焊接網(wǎng)架剪力墻保溫體系(CL保溫體系)、廣駿點連式限位鋼絲網(wǎng)片內(nèi)置保溫系統(tǒng)(LK點連內(nèi)置保溫體系)、德嘉麗NBW建筑保溫與結(jié)構(gòu)一體化體系、盛都SD建筑保溫體系、安能綠建AL建筑保溫體系等等[4-8]。對于保溫與結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)國內(nèi)外學(xué)者也做了大量研究,AMRAN Y H M等[9]研究了鋼絲桁架連接件對復(fù)合墻板抗彎性能的影響,得出試件和墻體能較好地協(xié)同工作。WANG等[10]研究了GFRP板式抗剪連接件對復(fù)合墻板抗彎性能的影響,得出該連接件與墻體具有良好的完全組合作用,并能有效提高墻體的抗彎性能。白正仙等[11]研究了5種不同形狀的連接件:棒形、板形、L形、H形和C形,并且對使用這5種形狀連接件的復(fù)合保溫墻體進行相應(yīng)的力學(xué)試驗,得出C形連接件更適合夾芯保溫墻體內(nèi)外板的連接。何之舟等[12]研究了一種新型GFRP工字形連接件,是通過端部開孔插入錨固鋼筋,并與墻板分布筋相連的錨固形式,經(jīng)過拉拔、軸壓試驗,得出該連接件的錨固性能更加高效、穩(wěn)定。李珠等[13]通過對玻化微珠保溫復(fù)合剪力墻體系中的高剪跨比剪力墻進行低周往復(fù)荷載試驗,得出?；⒅楸貕εc內(nèi)部的混凝土協(xié)同工作性能良好,該體系在結(jié)構(gòu)抗震方面較好。宋歌等[14]分析了預(yù)制夾芯保溫L形剪力墻在低周往復(fù)荷載作用下的受力性能、破壞特點和抗震性能,得出預(yù)制夾芯保溫L形剪力墻具有良好的抗震性能,可代替現(xiàn)澆夾芯保溫剪力墻用于實際工程中。目前學(xué)者們對于保溫與結(jié)構(gòu)一體化的研究主要側(cè)重于保溫夾芯墻體各種連接件及錨固形式、墻體性能等方面的研究,缺少設(shè)置合理的構(gòu)造后使剪力墻結(jié)構(gòu)層與保溫層能夠協(xié)同工作的相關(guān)研究。因此,在鋼筋桁架混凝土復(fù)合保溫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了一種挑檐形式的鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻,解決了復(fù)合層間以及樓層間保溫層的連接整體性,并對該新型復(fù)合保溫剪力墻的抗震性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

試驗基于鋼筋桁架保溫剪力墻(簡稱AL復(fù)合墻體)設(shè)計,剪力墻內(nèi)外側(cè)通過V形鋼筋桁架連接。將V形鋼筋桁架與混凝土保護層內(nèi)鋼筋網(wǎng)焊接,并采用整體發(fā)泡技術(shù)將V形鋼筋桁架固定在石墨聚苯保溫板內(nèi)部,施工時只需通過拉結(jié)筋將V形鋼筋桁架與剪力墻結(jié)構(gòu)層鋼筋連接即可。鋼筋桁架及墻體構(gòu)造模型見圖1。

圖1 鋼筋桁架及墻體構(gòu)造模型

本試驗共設(shè)計2個試件:SW-1、SW-2,均由加載梁、剪力墻、基礎(chǔ)梁三部分組成。兩試件除有無挑檐的差異外,完全相同。試件高、寬和墻厚分別為2 280、1 400、480mm。試件剪力墻均由三部分組成:160mm厚結(jié)構(gòu)層、270mm厚鋼筋桁架復(fù)合保溫層和50mm厚混凝土保護層,三部分通過拉結(jié)筋相連。墻體內(nèi)居中布置兩列V形鋼筋桁架,中心間距500mm,與石墨聚苯保溫板整體發(fā)泡成為一個整體,故在試件配筋圖中不再標明。試件配筋圖見圖2。

圖2 試件配筋圖

試件SW-1鋼筋桁架復(fù)合保溫層與結(jié)構(gòu)層采用挑檐形式的構(gòu)造措施,并采用8@200鋼筋和φb3@50×50搭接鋼筋網(wǎng)片連接。試件SW-2鋼筋桁架復(fù)合保溫板與結(jié)構(gòu)層未采用挑檐形式的構(gòu)造措施?；A(chǔ)梁和加載梁的截面尺寸分別為450mm×420mm和400mm×250mm。水平往復(fù)荷載加載點距離加載梁頂面300mm,剪跨比λ=1.7。

1.2 材料性能

本試驗試件墻體分布鋼筋采用 HPB300,暗柱縱向鋼筋采用HRB400,各鋼筋材料試驗性能見表1。本試驗試件采用C30混凝土進行整體現(xiàn)澆,并預(yù)留混凝土立方體試塊測得C30混凝土立方體抗壓強度為32MPa。

表1 鋼筋實測性能

1.3 試驗裝置及加載、測量制度

本試驗加載裝置示意圖如圖3所示。試驗采用1 000kN的液壓千斤頂施加軸力,為使施加的豎向荷載分布均勻,在試件頂部放置一個鋼墊分配梁。采用1 000kN拉壓液壓千斤頂施加水平往復(fù)荷載?；A(chǔ)梁通過地錨螺栓固定在試驗臺座上,使用聯(lián)機數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集軸力、水平力、位移,并記錄加載過程。

圖3 試驗加載裝置示意圖

試驗加載過程嚴格遵循《建筑抗震試驗規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)進行,并充分考慮實驗室現(xiàn)有儀器的相關(guān)性能,采用位移角控制的方式進行加載,加載制度如圖4所示。首先,為使墻體軸壓比達到0.2,施加豎向荷載640kN直至試驗結(jié)束。然后,對其加載梁按位移角控制,施加水平往復(fù)荷載,在每級循環(huán)控制加載中,按照施加推力-卸載-拉力-卸載的方式。位移角達到1%前,每級加載循環(huán)2次,位移角達到1%后,每級加載循環(huán)1次,直至試件水平承載力下降至峰值荷載的85%以下或變形較大不宜繼續(xù)加載時,停止加載,試驗結(jié)束。

圖4 試驗加載制度

為研究試件的整體性能,故只在水平力作用位置方向布置1個位移計,位移計距離墻底2380mm,用來量測墻體在正、負向加載過程中的水平位移;在基礎(chǔ)梁上布置1個百分表,用來監(jiān)測基礎(chǔ)滑移。

2 試驗現(xiàn)象及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

試件裂縫發(fā)展情況和最終破壞形態(tài)如圖5、6所示。由圖5可見,試件SW-1結(jié)構(gòu)層墻面裂縫明顯對稱開展,裂縫主要集中于中下部,以受彎裂縫為主;墻體左右兩側(cè)裂縫呈水平分布,裂縫間距200mm,結(jié)構(gòu)層與保溫層間有豎向裂縫,但裂縫寬度始終較小,并未見明顯相對滑移,整體性較好;保溫板外保護層(5cm厚混凝土)裂縫基本呈水平分布,裂縫寬度始終較小,說明在采用挑檐形式的構(gòu)造措施時剪力墻結(jié)構(gòu)層與保溫層能很好地協(xié)同工作,提高墻體的變形能力和耗能能力。由圖6可見,試件SW-2結(jié)構(gòu)層墻面裂縫發(fā)展完全,結(jié)構(gòu)層墻面裂縫分布情況與試件SW-1相差不大,墻體左右兩側(cè)也有水平裂縫,但保溫板外保護層(5cm厚混凝土)直到加載結(jié)束時仍無裂縫產(chǎn)生,結(jié)構(gòu)層與保溫板之間也未見明顯相對位移,說明未采用挑檐形式的構(gòu)造措施時剪力墻結(jié)構(gòu)層與保溫層的協(xié)同作用不明顯,墻體不能完全發(fā)揮材料的特性,導(dǎo)致試件SW-2變形能力和耗能能力均小于試件SW-1。

圖5 試件SW-1試驗現(xiàn)象

圖6 試件SW-2試驗現(xiàn)象

2.2 破壞機理分析

(1)對破壞后的試件進行觀察可以看出,兩個試件的墻體均有明顯剪切斜裂縫,墻體角部混凝土有不同程度的壓碎剝落導(dǎo)致形成塑性鉸,屬于典型的彎剪型破壞形式。

(2)對比兩試件墻體角部混凝土剝落現(xiàn)象可以明顯看出,試件SW-1角部兩側(cè)混凝土剝落基本相似,試件SW-2角部混凝土只在一側(cè)剝落嚴重。分析原因可能為試件SW-1由于挑檐的存在,在墻體受往復(fù)荷載作用時可以將角部受到的力進行有效的橫向傳遞,從墻體底部明顯的橫向貫穿裂縫可以得到驗證,從而在荷載往復(fù)的過程中角部受力基本一致,混凝土破壞基本相似。試件SW-2角部混凝土只在一側(cè)剝落嚴重,分析原因可能為試件SW-2在墻體受往復(fù)荷載作用初期角部受力基本一致,但隨著荷載的增加,東側(cè)角部混凝土率先剝落,使東側(cè)角部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,進一步加速混凝土脫落,無法繼續(xù)承載而破壞。對比試件SW-1,從破壞過程和破壞后的現(xiàn)象可以看出,試件SW-2角部材料承載力仍有余量,未能完全發(fā)揮材料特性,可見挑檐可以有效地進行荷載傳遞,提高材料的變形能力和耗能能力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

試件的頂點荷載-位移角滯回曲線如圖7所示。由圖可知:加載初期墻體在出現(xiàn)裂縫以前,滯回曲線基本為一條傾斜直線,荷載與位移呈線性正相關(guān),剛度基本不變,處于彈性工作階段。隨著位移角增大,荷載增加,混凝土開裂導(dǎo)致滯回曲線彎曲,曲線切線斜率變小,試件剛度下降,滯回環(huán)面積增加,承載力整體呈上升趨勢,試件進入塑性強化階段。達到極限荷載后,隨著位移角繼續(xù)增大,試件承載力下降,剛度明顯退化。

圖7 兩個試件的滯回曲線

對比試件SW-1與試件SW-2的滯回曲線,可以看出:滯回曲線都呈現(xiàn)出典型的梭形形狀,但試件SW-1滯回曲線相對更加飽滿,反映出試件SW-1的塑性變形能力更強,具有更好的抗震性能和耗能能力,說明設(shè)置挑檐的構(gòu)造措施是比較合理的。

3.2 骨架曲線

試件荷載-位移骨架曲線如圖8所示。從骨架曲線可以看出,試件SW-1和試件SW-2均經(jīng)歷了彈性、塑性強化和破壞階段。兩試件在彈性和塑性強化階段無太大差異,但在破壞階段,試件SW-1承載力、極限位移均明顯高于試件SW-2,并且試件SW-1較試件SW-2的骨架曲線斜率較小,承載力下降平緩。對比兩個試件差異,說明設(shè)置挑檐的構(gòu)造措施可以增加剪力墻承載能力和變形能力。

圖8 兩個試件的骨架曲線

3.3 承載力及延性

表2為試件SW-1、SW-2的特征點數(shù)據(jù)。試件的屈服荷載采用通用屈服彎矩法計算[15],極限位移取荷載下降至峰值荷載的85%時對應(yīng)的位移,對應(yīng)的荷載為破壞荷載。結(jié)構(gòu)屈服后的變形能力由試件位移延性系數(shù)表征,極限位移與屈服位移的比值為位移延性系數(shù)[16]。由表2可以看出,試件SW-1的屈服荷載值基本相同,試件SW-1峰值荷載較試件SW-2提高了4.7%,在前期加載過程中,剪力墻設(shè)置挑檐發(fā)揮作用有限,在后期加載過程中可以提高剪力墻的承載能力。

表2 試件特征點數(shù)據(jù)

從表中可以看出,試件SW-1的屈服位移、峰值位移、極限位移均大于試件SW-2,對比位移延性系數(shù),兩試件的延性系數(shù)均大于3,具有較好的延性和抗震性能,但試件SW-1延性比試件SW-2增加28.5%,說明鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻采用挑檐構(gòu)造具有更優(yōu)的變形能力。

3.4 耗能能力

滯回曲線所包圍的面積反映了試件的耗能能力,可由等效黏滯阻尼系數(shù)表征[17-18]。各試件的耗能-位移角曲線、累計耗能-位移角曲線以及等效黏滯阻尼系數(shù)-位移角曲線如圖9所示。

圖9 試件耗能能力

從圖9中可以看出,試件SW-1、SW-2在加載初期耗能和累計耗能均緩慢增加;在位移角達到1%前,試件SW-1、SW-2耗能和累計耗能基本相等;位移角超過1%后,試件SW-1的耗能和累計耗能均大于試件SW-2,且當(dāng)試驗結(jié)束,試件SW-1的累計耗能為試件SW-2的1.8倍。加載初期裂縫出現(xiàn)后,試件SW-2相對試件SW-1的等效黏滯阻尼系數(shù)變化幅度較大,剛度退化更快;隨著位移角增大,兩個試件等效黏滯阻尼系數(shù)-位移角曲線發(fā)展趨勢基本一致,加載后期試件SW-1相較試件SW-2的等效黏滯阻尼系數(shù)增長速率更為緩慢,損傷較小。這表明鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻設(shè)置挑檐構(gòu)造能提高墻體耗能能力。

3.5 剛度退化

試件的剛度退化曲線如圖10所示。由圖可知:加載初期,試件SW-1、SW-2均由于裂縫出現(xiàn),混凝土受損導(dǎo)致墻體剛度退化顯著,退化趨勢基本一致;之后隨著位移角不斷加大,荷載增加,試件東西兩側(cè)底部鋼筋屈服破壞,墻體剛度退化趨勢逐漸變小,但試件SW-1由于設(shè)置挑檐,剛度退化速率比試件SW-2緩慢,使得試件SW-1的剛度在加載后期大于試件SW-2的剛度。

圖10 剛度退化曲線

3.6 強度退化

為定量反映在相同加載位移時不同加載循環(huán)的強度退化情況,定義強度退化系數(shù)為第j級加載時第2次循環(huán)峰值點的荷載值與第1次循環(huán)峰值點的荷載值的比值[19-20]。強度退化曲線見圖11。

圖11 強度退化曲線

從圖11可以看出,加載初期,裂縫出現(xiàn)導(dǎo)致墻體強度退化顯著,但試件SW-2由于率先屈服,強度退化減緩;隨著位移角增大,荷載增加,試件SW-1挑檐發(fā)揮作用,使強度退化趨勢明顯降低直至試驗結(jié)束。由此可以看出,鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻設(shè)置挑檐構(gòu)造可以使試件抵抗變形和斷裂的能力得到增強。

4 結(jié)論

(1)帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻與不帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻的結(jié)構(gòu)層墻體裂縫分布基本相同,裂縫主要分布在墻體中下部,呈彎曲破壞形態(tài)。帶挑檐試件裂縫延伸至保溫板外保護層,但裂縫寬度較小,具有較好的整體工作性能;不帶挑檐試件保溫板外保護層無裂縫產(chǎn)生,整體工作性能較差。

(2)帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻滯回曲線更加飽滿,累計耗能能力比不帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻提升1.8倍,并且其加載后期的剛度退化趨勢更為緩慢,具有更好的抗震性能。

(3)帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻在塑性破壞階段的承載力、極限位移均明顯高于不帶挑檐試件,帶挑檐鋼筋桁架復(fù)合保溫剪力墻峰值荷載比不帶挑檐試件的峰值荷載提高4.7%,位移延性系數(shù)增加28.5%。同時兩試件的位移延性系數(shù)均大于3,均具有良好的延性性能。