基于芯柱設置的蒸壓加氣混凝土砌塊墻抗震性能試驗研究

基于芯柱設置的蒸壓加氣混凝土砌塊墻抗震性能試驗研究

墻體材料的改革和建筑節(jié)能是當前建筑業(yè)發(fā)展的重要課題。作為一種純凈的材料，如蒸汽加熱混凝土具有良好的物理性質(zhì)，如保溫、隔熱、吸聲、耐寒等。近年來，國內(nèi)外對推擠混凝土砌塊進行了研究，形成了新的水泥結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、空壓混凝土砌塊的整合。對于層數(shù)較少的建筑（如農(nóng)村房屋），可以獲得廣闊的發(fā)展前景。然而，蒸壓混凝土本身的強度很低，結(jié)構(gòu)體積差異。如何確保其抗疲勞動，已成為推動該墻應用于地震區(qū)域的關(guān)鍵。為此，北京大學和北京建筑設計研究院開展了該墻的抗聲研究。在砌體結(jié)構(gòu)中設置鋼筋混凝土芯柱已被實踐證明對抗震有重要作用,這種構(gòu)造措施施工簡便并具有良好的經(jīng)濟性,故本文擬在蒸壓加氣混凝土砌塊墻體中采用這種措施,通過試驗,研究其抗震性能.考慮到以往試驗多采用縮尺模型試件,為使試驗結(jié)果更貼近實際、真實可靠,本文進行了足尺試件的大型試驗.1試驗總結(jié)1.1無通道混凝土澆筑試件本試驗共包括3個試件,均為帶芯柱的蒸壓加氣混凝土砌塊承重墻.所有試件均由底梁、墻體和頂梁3部分組成.墻體尺寸參考實際工程,取長度和高度分別為4230mm和2990mm,厚度200mm,用A2.5級蒸壓砂加氣混凝土砌塊(尺寸為600mm×240mm×200mm)和M5.0級砌塊專用砂漿砌筑.底梁截面高400mm,寬450mm,由C35早強混凝土澆筑成型,縱筋820,箍筋4肢8@250.頂梁作為加載梁,截面為300mm×300mm,由C20混凝土澆筑成型,縱筋412,箍筋2肢6@200.3個試件按開洞情況分別編號為WX-1、WX-2、WX-3.其中,WX-1為無洞口試件;WX-2開有窗洞,洞寬1800mm,高1200mm;WX-3開有門洞,洞寬900mm,高1960mm.所有試件在墻體左右兩端均設有鋼筋混凝土芯柱,設置方法為,將擬設芯柱處的加氣混凝土砌塊鉆出圓形截面孔洞,直徑120mm,用C20混凝土澆筑,內(nèi)配112通長縱筋.WX-2和WX-3在洞口兩側(cè)還各加設1根芯柱.WX-2在窗洞下第1皮灰縫內(nèi)還設有26的通長拉結(jié)筋,錨固于相應的芯柱中.各試件示意圖見圖1.1.2試驗加載制度試驗在恒定的豎向荷載下采用水平低周反復加載.水平荷載通過支承于反力墻的拉壓千斤頂施加,豎向荷載通過2個油壓千斤頂和2個分配梁對試件施加4點恒定的豎向荷載.正式加載時,豎向千斤頂一次性加至每個千斤頂100kN后,保持不變,然后在試件頂部分級施加低周反復水平荷載.試驗加載示意如圖2.試驗加載按荷載和位移混合控制的方案進行,墻體開裂前,由水平力控制,開裂后,由加載點處水平位移控制;每級荷載反復循環(huán)1次;加載時的荷載峰值下降至85%的極限荷載為試件破壞,以此確定破壞荷載及位移(而實際試驗中往往再多加幾個循環(huán),以看其后期性能).1.3擋墻整體、墻身結(jié)構(gòu)變形方面的變形本試驗的主要量測內(nèi)容有:1)墻頂豎向荷載和墻頂水平荷載;2)墻頂水平加載點處的水平位移;3)WX-1的整體剪切變形、WX-2的墻肢剪切變形、WX-3的大墻肢剪切變形;4)芯柱鋼筋應變及WX-2窗洞下墻體水平鋼筋應變;5)底梁的水平位移和轉(zhuǎn)動.上述數(shù)據(jù)均采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計算機全程監(jiān)控采集.2試驗結(jié)果及分析2.1破壞過程和破壞形式1墻體裂縫.斜向裂縫為主,排裂面為載循環(huán)的減損.墻體在開裂前剛度大,側(cè)移很小,實測荷載-位移曲線基本呈線性關(guān)系.當水平荷載達到極限荷載的70%左右時,墻體開裂.隨著荷載循環(huán),裂縫延伸、變寬,且增多,以斜向裂縫為主,其水平夾角大多在45°～75°.2個方向的斜裂縫主要在墻體的中上部形成交叉,將墻體分割成小塊,在沿一個方向裂縫不斷加寬的同時,沿另一個方向逐漸被斜向壓碎,承載力緩慢下降.破壞時,墻體中間部位和兩下角的裂縫數(shù)量多,間距密,左右兩端芯柱附近的墻體有上下走向的聯(lián)通裂縫,外凸而未脫落;停止試驗前,最大裂縫寬度15mm左右.2墻體出現(xiàn)裂裂期3.墻體開裂后,裂縫出現(xiàn)與發(fā)展較突出的部位是窗間墻,沿洞口兩側(cè)芯柱自上而下較為集中,也有中部的斜裂縫和端部的水平裂縫.隨著水平荷載的循環(huán),裂縫發(fā)展、增多,中部斜裂縫向試件兩下角延伸,呈“八”字形主裂縫,也有來自反向加載時形成的斜裂縫與之相互交叉,墻體左右兩端芯柱也出現(xiàn)沿上下的裂縫.墻體開裂后很快達到極限承載力.由于芯柱的約束作用,盡管墻體在逐漸破壞時,裂縫很寬,破碎嚴重,但承載力下降十分緩慢.進一步的加載循環(huán)使洞口兩側(cè)芯柱處的砌體嚴重脫落,芯柱暴露,隨后墻體兩端芯柱處砌體部分脫落,窗間墻破碎嚴重,試件破壞.3墻體斜裂縫.墻體首條裂縫出現(xiàn)在小墻肢,大墻肢內(nèi)很快也出現(xiàn)斜向裂縫.荷載增加,裂縫不斷變寬、新裂縫不斷出現(xiàn),大墻肢內(nèi)裂縫延伸較快,且形成交叉,而小墻肢斜裂縫主要是沿洞口上角向墻體下角方向.在較長時間里,裂縫主要集中在門洞兩側(cè)的芯柱附近,遠處較稀、陸續(xù)加密(尤其是大墻肢).達極限荷載時,主裂縫明顯,大墻肢內(nèi)裂縫交叉現(xiàn)象嚴重.之后,隨著荷載循環(huán),墻體逐漸破壞,承載力下降十分緩慢,直至停止試驗前,大墻肢斜裂縫寬度約20mm,且裂縫兩側(cè)墻體有相對錯動,墻體左右兩端明顯外凸,但由于芯柱的約束作用,始終保持不倒塌,且無大塊砌體脫落.從上述3片墻的破壞過程來看,墻體斜裂縫多出現(xiàn)于砌塊內(nèi),也有少數(shù)水平及豎向灰縫處的裂縫.破壞時,墻體芯柱內(nèi)均有貫通的水平裂縫,但未斷開,說明芯柱起到了約束墻體橫向變形的作用,保持墻體裂而不倒;芯柱裂而不斷,表明了芯柱內(nèi)鋼筋必不可少的作用.各試件的最終形態(tài)如圖3所示.2.2開洞對墻體承載力的影響各墻體開裂荷載、極限荷載、破壞荷載的實測值如表1所示.Fci、Fui、Fdi分別為各試件開裂荷載、極限荷載和破壞荷載,均取正反向加載的平均值.1)將各試件之間進行開裂荷載和極限荷載的比較,可以看到開洞對墻體承載力的影響.無洞墻體(WX-1)的開裂荷載和極限荷載均大于開洞墻體(WX-2和WX-3)的相應荷載.可見洞口的存在大大地降低了墻體的承載力,洞口水平截面積越大則降低得越多,且降低的幅度超過了因開洞所致墻體水平截面積減小的程度.2)開裂荷載與極限荷載之間的比值反映了裂縫出現(xiàn)后墻體承載能力提高幅度的大小,比值越小提高的幅度越大.試件WX-1、WX-2、WX-3的該比值分別為:0.73、0.82、0.73,說明開洞墻體在洞口增設2根芯柱的前提下,其裂縫出現(xiàn)后墻體承載力提高的幅度至多相當于(甚至還低于)僅在墻體左右兩端設有芯柱的整體墻.2.3開洞情況對位移的影響各墻體的水平位移實測值如表2所示.其中Δci、Δui、Δdi和θci、θui、θdi分別為各試件加載點處在開裂、極限荷載及破壞時的實測位移值和相應的位移角,均取正反向加載的平均值.1)WX-1和WX-3的開裂位移及極限荷載下的位移均分別相對接近,WX-2開裂位移大,而極限荷載下的位移相對較小.說明到達極限荷載前,墻體的開洞情況對變形的影響較明顯(其中WX-3的開裂位移大于WX-1反映了試件數(shù)量少所導致的離散性).而破壞時的位移不同,3個墻體中帶2根芯柱的整體墻WX-1的變形能力小一些,而帶4根芯柱的開洞墻體WX-2和WX-3的變形能力相對較大、破壞位移相近.這表明墻體達到極限荷載后的后期變形性能主要與墻體內(nèi)所設芯柱的數(shù)量有關(guān),增加芯柱有利于提高墻體的極限變形能力.2)各試件位移角實測結(jié)果表明,墻體開裂時位移角較小,即開裂前剛度大,能滿足正常使用時的要求;而達到極限承載力后,直到位移角較大時,仍能保持較高的承載力,說明這種墻體(包括僅在墻體左右兩端設芯柱者)在強震下有足夠變形能力,使墻體裂而不倒.2.4滯回環(huán)在墻體的布展中的滯回環(huán)面積的變化各墻體的荷載-位移滯回曲線如圖4所示.各墻體的滯回曲線具有一些共性特征:開裂前曲線基本為直線,滯回環(huán)基本重合,滯回面積較小;當墻體開裂后,滯回環(huán)開始向位移軸傾斜,水平承載力繼續(xù)提高,直到達到極限荷載.之后表現(xiàn)出承載力退化,但由于芯柱的有效約束作用,曲線下降緩慢,滯回環(huán)進一步向位移軸傾斜.滯回環(huán)在開裂后的加載循環(huán)中基本上是狹長型,也有向S形或反S形發(fā)展的現(xiàn)象(WX-2在后期較為明顯),WX-1、WX-3的滯回環(huán)面積有一定增大.各墻體的骨架曲線如圖5所示.加載初期,墻體側(cè)移較小,骨架曲線基本呈直線;隨荷載的增加,墻體出現(xiàn)裂縫,骨架曲線變彎,斜率變小,曲線表現(xiàn)為非線性上升,此時試件進入了非彈性工作階段.到達極限承載力后,骨架曲線下降,表現(xiàn)出承載力退化,但曲線下降較緩慢.各墻體的骨架曲線除具備上述共性外,還存在一些差別.在曲線的上升段,由于初期WX-1的剛度大,使曲線上升最快,當達到極限荷載后,WX-1的曲線下降也相對較快,而WX-2和WX-3的曲線下降段很平緩,接近直線,延伸很長.從曲線的下降趨勢可以看出,增設芯柱提高了墻體的變形能力.2.5i[i+、fi+]b剛度退化是試件隨著位移的增大而其剛度不斷下降的一種現(xiàn)象.本文按如下方法計算試件在每級正、反向加載時的割線剛度Ki+和Ki-:Ki+=|Fi+||Δi+|Ki?=|Fi?||Δi?|Κi+=|Fi+||Δi+|Κi-=|Fi-||Δi-|其中:Fi+、Fi-為第i級荷載下正反向水平荷載值;Δi+、Δi-為第i級荷載下正反向水平位移值.各墻體的剛度退化曲線如圖6所示.從圖中可以看出,無洞墻體(WX-1)的初始剛度明顯大于開洞墻體(WX-2和WX-3),開洞墻體初始剛度值隨洞口水平截面的增大而降低,其中WX-2兩方向剛度基本一致.在加載初期,剛度退化明顯,初始剛度大的試件,其退化速度要快一些,WX-2兩方向的剛度退化趨勢基本一致.隨著墻體位移的增大,剛度退化減緩,到破壞時各墻體剛度已相差不多.2.6等效黏滯阻尼系數(shù)本文采用等效黏滯阻尼系數(shù)he描述墻體在試驗中所耗散能量的多少.各試件在開裂荷載循環(huán)、極限荷載循環(huán)及破壞荷載循環(huán)(即下降到85%極限荷載時)的等效黏滯阻尼系數(shù)he見表3.等效黏滯阻尼系數(shù)隨位移變化的曲線如圖7所示.從曲線上看WX-1的黏滯阻尼系數(shù)隨位移的上升趨勢較明顯,WX-3比較平緩,總體略有上升,而WX-2則基本保持不變.本試驗的3個試件耗能能力總體相差不多.在加載過程中,墻體的裂縫不斷發(fā)展,數(shù)量增加,裂縫間的滑動摩擦以及蒸壓加氣混凝土砌塊的不斷壓碎破壞使其耗能得以持續(xù).3砌體墻的抗剪性能1)蒸壓加氣混凝土砌塊墻體中設鋼筋混凝土芯柱,能使砌塊墻體的脆性性質(zhì)得以改善,裂而不倒,延遲破壞,是將蒸壓加氣混凝土砌塊墻體用作層數(shù)不多的砌體結(jié)構(gòu)承重墻、防止其在大震下倒塌的一種有效抗震構(gòu)造措施.2)芯柱對墻體性能的改善作用是通過其對墻體的約束作用實現(xiàn)的,它除使墻體在水平荷載作用下開裂后繼續(xù)保持承載能力外,主要是