張永兵,郭新華,朱騰飛,郝西見
(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 南寧 530004;2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004;3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 南寧 530004)
鋼筋混凝土(reinforced concrete, RC)結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一種抗震性能較強(qiáng)且設(shè)計(jì)理論較成熟的結(jié)構(gòu)體系,20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)吳綺蕓等[1]、童岳生等[2]、史慶軒等[3]以實(shí)心黏土磚填充墻RC框架結(jié)構(gòu)為研究對象,對該體系開展了相關(guān)的研究,并認(rèn)為填充墻能夠提高結(jié)構(gòu)的剛度和承載力。郭子雄等[4]研究了填充墻布置形式對RC框架結(jié)構(gòu)的影響,指出填充墻的布置形式對結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)有明顯的影響。近年來隨著墻體改革政策的實(shí)施,新型砌體材料逐漸被應(yīng)用到RC框架結(jié)構(gòu)中,一些學(xué)者[5-8]以混凝土空心砌塊、加氣混凝土砌塊、頁巖空心磚和輕質(zhì)墻板作為新型砌體材料展開了RC框架結(jié)構(gòu)的低周往復(fù)試驗(yàn)研究,表明結(jié)構(gòu)的抗震性能與填充墻和框架強(qiáng)度的強(qiáng)弱程度有很大關(guān)系,即結(jié)構(gòu)的抗震性能與砌塊類型有密切的聯(lián)系。白國梁等[9-10]進(jìn)行了以燒結(jié)頁巖磚為砌體材料的填充墻RC框架結(jié)構(gòu)平面外振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),指出墻與框架之間應(yīng)采取合理的連接方式,以降低結(jié)構(gòu)平面外的地震反應(yīng)。由上述文獻(xiàn)可知,燒結(jié)頁巖空心磚具有空洞率高、輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫性能好、造價(jià)低等特點(diǎn),當(dāng)前對燒結(jié)頁巖空心磚砌體填充墻框架結(jié)構(gòu)抗震性能的相關(guān)研究較少,且廣西具有豐富的頁巖礦產(chǎn)資源。實(shí)際結(jié)構(gòu)中,填充墻往往存在門窗等情況,因此對開洞的填充墻框架結(jié)構(gòu)開展抗震性能試驗(yàn)研究[11-16]具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過3榀1/2縮尺單層單跨RC框架試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),對比各試件的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、強(qiáng)度退化、剛度退化和耗能能力等指標(biāo),研究燒結(jié)頁巖空心磚填充墻對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,為燒結(jié)頁巖空心磚作為填充墻的RC框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了3榀1/2縮尺的單層單跨RC框架試件,按照“強(qiáng)柱弱梁”的原則進(jìn)行截面配筋。試件框架幾何尺寸及配筋情況、各試件示意圖分別如圖1、圖2所示。砌體填充墻材料為燒結(jié)頁巖空心磚,其尺寸為240 mm×115 mm×90 mm,開洞率40%,強(qiáng)度等級MU5.0,燒結(jié)頁巖空心磚形狀如圖3所示。砂漿的強(qiáng)度等級為Mb5.0。箍筋采用HPB300級鋼筋,梁柱受力鋼筋采用HRB335級鋼筋?;炷翉?qiáng)度等級為C30,保護(hù)層厚度為20 mm,實(shí)測混凝土抗壓強(qiáng)度平均值為30.6 MPa。根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)[17]測得燒結(jié)頁巖空心磚砌體的抗壓強(qiáng)度平均值為5.10 MPa。設(shè)計(jì)軸壓比取0.2,實(shí)際施加軸力為180 kN。試件結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1,鋼筋力學(xué)性能見表2。
圖1 框架幾何尺寸及配筋圖
(a) 試件BF
圖3 燒結(jié)頁巖空心磚
表1 試件結(jié)構(gòu)參數(shù)
表2 鋼筋力學(xué)性能
1.2.1 加載裝置
采用FCS電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)。柱頂?shù)囊簤呵Ы镯?、上部鋼板?根豎向拉桿及高強(qiáng)螺栓、底梁外側(cè)T型鋼板共同組成豎向加載系統(tǒng),每根柱單獨(dú)設(shè)置一套豎向加載系統(tǒng),兩臺(tái)豎向千斤頂同步加載,分別對柱頂施加豎向荷載至預(yù)定軸力,試驗(yàn)過程中保持軸力恒定不變,豎向千斤頂與上部鋼板間設(shè)置低摩阻滾軸以減小摩擦力。水平荷載由液壓伺服作動(dòng)器提供,作用于梁端,通過兩端端板、4根螺桿及螺栓與加載端相連,實(shí)現(xiàn)水平往復(fù)荷載的施加。加載過程中采用位移控制加載,當(dāng)荷載小于峰值荷載的85%時(shí),停止加載。在框架兩側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐,以防止框架的側(cè)向位移。試驗(yàn)加載裝置如圖4所示。
(a) 加載裝置效果圖
1.2.2 加載制度
參考《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[18]的相關(guān)要求,本試驗(yàn)采用位移控制加載。位移幅值采用12個(gè)等級,分別為± 1/1 000、±1/700、±1/500、±1/300、±1/200、±1/150、±1/100、±1/75、±1/50、±1/35、±1/25和±1/20,其中前4個(gè)位移幅值只循環(huán)1次,之后各個(gè)位移幅值循環(huán)3次,加載制度如圖5所示。
圖5 加載制度
1.2.3 測點(diǎn)布置
位移計(jì)1#、2#分別對試驗(yàn)過程中填充墻發(fā)生的斜向變形進(jìn)行監(jiān)測;位移計(jì)3#、4#分別對試驗(yàn)過程中框架發(fā)生的變形進(jìn)行監(jiān)測;位移計(jì)5#至11#分別對柱和梁中心線高度處的水平位移進(jìn)行測量;在地梁豎直方向和水平方向分別布置位移計(jì)12#、13#用于監(jiān)測地梁可能發(fā)生的豎向翹曲和水平位移。塑性鉸一般出現(xiàn)在梁、柱端部,填充墻的存在可能會(huì)對柱子中部或節(jié)點(diǎn)域附近造成剪切破壞,為記錄這些區(qū)域鋼筋的應(yīng)變,將應(yīng)變片布置在梁端、沿柱高1/3、1/2、2/3高度處的縱筋和箍筋上,測點(diǎn)布置如圖6所示。
(a) 位移計(jì)布置
各試件破壞形態(tài)如圖7所示。
① 純框架試件BF試驗(yàn)現(xiàn)象
在位移幅值Δ=h/700(2 mm)時(shí),左柱的底部外側(cè)出現(xiàn)了第一條長約4 cm的水平裂縫。Δ=h/500(2.8 mm)時(shí),右柱底端外側(cè)出現(xiàn)相似的長約4 cm的水平裂縫,位置與左柱基本對稱,此過程框架基本處于彈性階段。Δ=h/300(4.7 mm)時(shí),正向加載時(shí),在左柱底部出現(xiàn)長約5 cm水平裂縫,右柱水平裂縫在原基礎(chǔ)上向左下方開裂發(fā)展。反向加載時(shí),左柱、右柱底部均出現(xiàn)新裂縫,同時(shí)梁柱交界面處出現(xiàn)豎向裂縫。Δ=h/200(7 mm)時(shí),在梁柱理論塑性鉸區(qū)域出現(xiàn)多條裂縫,原有裂縫繼續(xù)發(fā)展延伸形成貫穿裂縫。Δ=h/150(9.3 mm)時(shí),鋼筋屈服,原有裂縫進(jìn)一步延伸發(fā)展,梁端開始形成了塑性鉸。Δ=h/100(14 mm)時(shí),左柱內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較長的剪切斜裂縫,同時(shí)梁柱端部由于擠壓有部分混凝土開始剝落。Δ=h/75(18.7 mm)時(shí),梁右端混凝土開始破裂掉落,裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展。Δ=h/50(28 mm)、Δ=h/35(40 mm)時(shí),右梁塑性鉸區(qū)域混凝土大量剝離掉落,柱腳混凝土也出現(xiàn)壓裂掉落。Δ=h/25(56 mm)時(shí),右梁塑性鉸區(qū)混凝土大量破裂掉落,試驗(yàn)終止,BF試件最終破壞形態(tài)見圖7(a)。
② 完全填充墻框架試件IF試驗(yàn)現(xiàn)象
Δ=h/700時(shí),左柱底部出現(xiàn)第一條水平裂縫。Δ=h/500時(shí),右柱底部出現(xiàn)長約18 cm的水平裂縫,卸載后無殘余變形。Δ=h/300時(shí),數(shù)條彎曲裂縫出現(xiàn)在柱底部和節(jié)點(diǎn)區(qū),墻體左上角處由于受壓而出現(xiàn)裂縫,此時(shí)梁柱與墻體間出現(xiàn)縫隙。Δ=h/200時(shí),梁端出現(xiàn)豎向彎曲裂縫,柱底部出現(xiàn)貫通裂縫,墻左上角裂縫大致沿45°方向階梯狀向下發(fā)展。Δ=h/150時(shí),梁右端塑性鉸區(qū)混凝土出現(xiàn)破裂剝離,梁柱裂縫進(jìn)一步延伸發(fā)展,墻體出現(xiàn)較大水平滑移現(xiàn)象。Δ=h/100時(shí),墻右上角出現(xiàn)斜向下45°的階梯狀裂縫,整個(gè)墻體呈現(xiàn)X形的交叉斜裂縫,在墻底部出現(xiàn)數(shù)條水平滑移裂縫,梁柱端塑性鉸進(jìn)一步發(fā)展,出現(xiàn)數(shù)條貫通裂縫。Δ=h/75時(shí),左梁出現(xiàn)受拉彎曲裂縫,墻右上角砌體被壓碎掉落。Δ=h/50時(shí),左梁塑性鉸區(qū)混凝土開始壓碎掉落,墻體砌塊大量壓碎脫落。Δ=h/35時(shí),墻體大量剝離脫落完全破壞。梁右端塑性鉸區(qū)域混凝土出現(xiàn)大塊掉落,縱筋裸露,承載力快速下降,試驗(yàn)終止,IF試件最終破壞形態(tài)見圖7(b)。
(a) 試件BF
③ 開洞填充墻框架試件IFW試驗(yàn)現(xiàn)象
Δ=h/700時(shí),左柱、右柱中部首先出現(xiàn)對稱水平裂縫。Δ=h/300時(shí),沿著窗口的左上、左下角點(diǎn)、右下角點(diǎn)出現(xiàn)45°方向的斜裂縫,填充墻與框架之間產(chǎn)生輕微的水平滑移。此時(shí)右柱中部裂縫發(fā)展形成貫穿裂縫。Δ=h/200時(shí),窗口右上角出現(xiàn)大約沿45°方向發(fā)展的斜裂縫,此時(shí)沿著窗口4個(gè)角點(diǎn)形成4條貫穿墻體的斜裂縫。梁柱塑性鉸區(qū)域出現(xiàn)多條裂縫,此時(shí)右柱上端部出現(xiàn)了水平裂縫。Δ=h/150時(shí),墻體與梁產(chǎn)生相對滑移,墻體角部受壓區(qū)出現(xiàn)數(shù)條斜裂縫。右梁柱節(jié)點(diǎn)下側(cè)出現(xiàn)沿45°方向的斜向貫穿裂縫,左梁柱交界處產(chǎn)生數(shù)條斜向裂縫。梁柱塑性鉸區(qū)裂縫進(jìn)一步延伸發(fā)展。Δ=h/100時(shí),窗口右下角的砌體大量破裂脫落,左柱上端出現(xiàn)較大的斜向貫穿裂縫,梁柱塑性鉸區(qū)域延伸發(fā)展出數(shù)條裂縫,原有裂縫繼續(xù)延伸發(fā)展。Δ=h/75時(shí),窗口左側(cè)出現(xiàn)數(shù)條斜裂縫,之后左側(cè)砌體大量剝離掉落。Δ=h/50時(shí),砌體大量破裂掉落,墻體完全損壞,左柱柱底混凝土保護(hù)層受壓破裂。Δ=h/35時(shí),主要表現(xiàn)為砌體的進(jìn)一步大量破碎掉落,墻體有發(fā)生平面外倒塌的趨勢,且右梁塑性鉸區(qū)域混凝土大量掉落,承載力快速下降,試驗(yàn)終止,IFW試件最終破壞形態(tài)見圖7(c)。
滯回曲線是試件承受的荷載和相應(yīng)位移之間的關(guān)系曲線,由滯回曲線可以進(jìn)一步計(jì)算得出試件強(qiáng)度退化系數(shù)、延性系數(shù)、耗能等抗震性能指標(biāo),更全面、客觀地評價(jià)試件的抗震能力。各試件的滯回曲線如圖8所示。
(a) 試件BF
① 純框架試件BF滯回曲線
在位移幅值較小時(shí)框架處于彈性階段,此時(shí)滯回曲線近似直線,滯回環(huán)包圍的面積非常小,此階段結(jié)構(gòu)耗能不大。隨著位移幅值的增大,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫逐漸由彈性進(jìn)入到彈塑性階段。此階段的滯回環(huán)呈現(xiàn)梭形,滯回環(huán)包圍的面積越來越大,說明耗能性能良好。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段后,縱筋發(fā)生一定的粘結(jié)滑移,此階段的滯回環(huán)類似弓形,滯回曲線逐漸出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,卸載后存在較大的殘余位移。在位移幅值Δ=h/50(28 mm)時(shí),結(jié)構(gòu)達(dá)到峰值荷載,隨后由于縱筋的滑移量增大以及混凝土裂縫的張開、閉合等因素,滯回曲線的捏縮現(xiàn)象更加明顯,耗能能力逐漸降低。
② 完全填充墻框架試件IF滯回曲線
由于填充墻參與工作,滯回曲線加載段初始剛度比試件BF大。同時(shí)由于縱筋粘結(jié)滑移和填充墻水平滑移,滯回曲線表現(xiàn)出一定的捏縮現(xiàn)象,由于填充墻的耗能作用,滯回環(huán)包圍的面積較大,整體耗能增大。Δ=h/100(14 mm)時(shí),結(jié)構(gòu)達(dá)到峰值荷載,隨后由于填充墻的快速開裂破壞逐漸退出工作,整個(gè)滯回曲線強(qiáng)度、剛度退化劇烈。滯回環(huán)介于弓形和反S形之間,捏縮現(xiàn)象更加明顯,滯回環(huán)包圍的面積逐漸減小,耗能能力降低較快。
③ 開洞填充墻框架試件IFW滯回曲線
在試件IFW屈服前滯回曲線與IF十分接近,由于填充墻開洞導(dǎo)致試件IFW初始加載剛度略小于試件IF。試件屈服后,縱筋發(fā)生粘結(jié)滑移以及填充墻的剪切變形,導(dǎo)致滯回曲線開始出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象,滯回環(huán)類似弓形。Δ=h/100(14 mm)時(shí),結(jié)構(gòu)達(dá)到最大荷載,并隨著位移幅值的繼續(xù)增大,滯回曲線強(qiáng)度、剛度出現(xiàn)較大退化,但退化程度小于完全填充墻框架試件IF,這是由于開洞之后填充墻對框架的抗側(cè)剛度影響減弱,同時(shí)填充墻可以在洞口處產(chǎn)生一定的剪切變形延緩了填充墻的快速破壞。此階段的滯回環(huán)介于弓形和反S形之間,并且出現(xiàn)較明顯的捏縮現(xiàn)象,滯回環(huán)包圍的面積減少,耗能能力開始降低。同位移幅值下的耗能介于純框架和完全填充墻框架之間。
綜上所述,各試件位移幅值較小時(shí)框架處于彈性階段,此時(shí)滯回曲線近似直線,進(jìn)入屈服階段后,由于試件開裂、縱筋與混凝土的粘結(jié)滑移、以及填充墻的開裂和水平滑移等因素,使結(jié)構(gòu)的耗能提高,滯回環(huán)面積增大,在達(dá)到峰值荷載后,各位移幅值下的結(jié)構(gòu)承載力逐漸下降。由于填充墻的加入,使得結(jié)構(gòu)的峰值承載力相較于純框架BF大大提高;但達(dá)到峰值后側(cè)向荷載的下降速度同樣遠(yuǎn)大于純框架試件BF。
各試件的骨架曲線如圖9所示。各試件骨架曲線特征點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)見表3。其中屈服點(diǎn)根據(jù)能量法等效原則來確定,極限點(diǎn)為峰值荷載下降85%時(shí)所對應(yīng)的點(diǎn)。
圖9 骨架曲線
由圖9和表3可知:
表3 骨架曲線特征點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果
① 完填充墻試件IF和開洞填充墻試件IFW的初始剛度基本相同,且均大于純框架試件BF。從而表明,完全填充墻與開洞填充墻在較小的水平荷載作用下能夠協(xié)同工作,提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,有利于控制結(jié)構(gòu)在小震作用下的變形。
② 填充墻試件IF和IFW的峰值荷載相較于純框架試件BF分別提高了158.5%、107.8%,表明填充墻的存在能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力。
③ 填充墻試件IF和IFW在達(dá)到峰值荷載后,由于墻體的破壞并逐步退出工作,使得結(jié)構(gòu)承載力下降速度大于純框架試件BF。
④ 純框架試件BF的延性系數(shù)為4.9,相較于試件BF,完全填充墻試件IF和開洞填充墻試件IFW的延性系數(shù)的分別是試件BF的64.0%、96.0%,表明填充墻的加入減小了結(jié)構(gòu)的延性,適當(dāng)?shù)拈_洞能夠提高結(jié)構(gòu)的延性。
強(qiáng)度退化是指結(jié)構(gòu)在同一位移幅值下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,承載力下降的現(xiàn)象。根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》(JGJ/T 101—2015)[18]強(qiáng)度退化系數(shù)λi計(jì)算式為
(1)
式中,Pi為某個(gè)位移幅值下,第i次循環(huán)的最大荷載。Pi-1為同一位移幅值下,第i-1次循環(huán)的最大荷載。
圖10 強(qiáng)度退化曲線
強(qiáng)度退化系數(shù)直觀地反應(yīng)了結(jié)構(gòu)受損后的強(qiáng)度降低程度,由于同一位移幅值循環(huán)3次,因此同一位移幅值下計(jì)算了2個(gè)強(qiáng)度退化系數(shù)。試件的強(qiáng)度退化曲線如圖10所示。由圖10可以得到如下結(jié)論:
① 填充墻試件IF、IFW的強(qiáng)度退化程度大于純框架試件BF,表明填充墻的加入雖然能夠提高結(jié)構(gòu)初始側(cè)向承載力,但隨著位移幅值的增大,填充墻試件的強(qiáng)度退化速度要高于純框架試件BF,并且相較于完全填充墻試件,開洞填充墻試件有利于減緩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化程度。
② 在同一位移幅值下,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,各試件的強(qiáng)度退化系數(shù)λ3均大于λ2,表明結(jié)構(gòu)在相同位移滯回過程中損傷程度逐漸減小,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變化減緩。
③ 各試件在達(dá)到框架結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50時(shí)(Δ=28 mm),仍具有較大的強(qiáng)度退化系數(shù),證實(shí)結(jié)構(gòu)具有良好抗震能力,但超過位移角1/50后,試件IF和IFW的強(qiáng)度退化系數(shù)快速下降,表明此階段填充墻快速破壞退出工作。
圖11 剛度退化曲線
剛度退化是指結(jié)構(gòu)隨著位移的增大,剛度逐漸減小的現(xiàn)象。本文使用割線剛度來衡量結(jié)構(gòu)的剛度退化。各試件的剛度退化曲線如圖11所示,割線剛度公式如下:
(2)
式中,Pi為某個(gè)位移幅值下,第i次加載時(shí)的最大荷載;Δi為某個(gè)位移幅值下,第i次加載時(shí)對應(yīng)的位移。
由圖11可知:
① 填充墻的加入提高了結(jié)構(gòu)的初始側(cè)向剛度,試件IF、IFW的初始剛度比純框架試件BF分別提高了約331.5%、294.5%,表明填充墻的存在提高了結(jié)構(gòu)的初始剛度,有利于結(jié)構(gòu)在小震作用下變形的控制。
圖12 累積耗能曲線
② 隨著位移幅值的增大,填充墻試件IF、IFW剛度退化速度遠(yuǎn)大于純框架試件BF,直到位移幅值Δ=h/50(28 mm)時(shí),剛度退化曲線趨于試件BF,表明填充墻基本退出工作,主要由框架提供側(cè)向剛度。
③ 開洞后框架IFW的初始剛度與完全填充墻框架IF接近,隨著位移的增大,試件IFW的剛度退化介于試件BF和試件IF之間,表明開洞有利于減緩結(jié)構(gòu)的剛度退化速度。
耗能能力是指滯回曲線所包圍的面積,它是評價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要參數(shù)。試件在各位移幅值下的累積耗能(E)曲線如圖12所示。從圖12可以看出:
① 在位移幅值Δ=h/200(7 mm)之前,各試件處于彈性階段,耗能較小,且各試件的耗能能力相差不大。
② 隨著位移幅值的增加,各試件的耗能能力明顯增強(qiáng),在位移達(dá)到Δ=h/35(40 mm)之前,相同位移幅值下,試件IF的耗能能力最好,試件BF耗能能力最差;在Δ=h/35(40 mm)時(shí),完全填充墻試件IF、開洞填充墻試件IFW的累積耗能相較于純框架試件BF分別提高了82.7%、67.5%,表明燒結(jié)頁巖空心磚砌體填充墻參與了結(jié)構(gòu)的滯回耗能,且表現(xiàn)出較好的耗能能力。
① 填充墻的加入提高了框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載力,其中試件IF、IFW相較于純框架試件BF提高了約158.5%、107.8%,但會(huì)在一定程度上減小結(jié)構(gòu)的延性。
② 填充墻的加入提高了框架結(jié)構(gòu)的初始剛度,試件IF、IFW的初始剛度相較于純框架試件BF分別提高了約331.5%、294.5%,有利于結(jié)構(gòu)在小震作用下變形的控制;但隨著位移的增加,剛度退化速度高于試件BF。
③ 相較于完全填充墻,開洞有利于減緩結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的退化速度。
④ 燒結(jié)頁巖空心磚砌體填充墻參與了結(jié)構(gòu)的滯回耗能,且表現(xiàn)出較好的耗能能力,使得在位移幅值Δ=h/35(40 mm)前,各級循環(huán)中,填充墻試件的耗能能力均大于純框架試件BF。