基于芯柱設(shè)置的蒸壓加氣混凝土砌塊墻抗震性能試驗(yàn)研究

基于芯柱設(shè)置的蒸壓加氣混凝土砌塊墻抗震性能試驗(yàn)研究

墻體材料的改革和建筑節(jié)能是當(dāng)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(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)推擠混凝土砌塊進(jìn)行了研究，形成了新的水泥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保、空壓混凝土砌塊的整合。對(duì)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(qiáng)度很低，結(jié)構(gòu)體積差異。如何確保其抗疲勞動(dòng)，已成為推動(dòng)該墻應(yīng)用于地震區(qū)域的關(guān)鍵。為此，北京大學(xué)和北京建筑設(shè)計(jì)研究院開(kāi)展了該墻的抗聲研究。在砌體結(jié)構(gòu)中設(shè)置鋼筋混凝土芯柱已被實(shí)踐證明對(duì)抗震有重要作用,這種構(gòu)造措施施工簡(jiǎn)便并具有良好的經(jīng)濟(jì)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(guò)試驗(yàn),研究其抗震性能.考慮到以往試驗(yàn)多采用縮尺模型試件,為使試驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際、真實(shí)可靠,本文進(jìn)行了足尺試件的大型試驗(yàn).1試驗(yàn)總結(jié)1.1無(wú)通道混凝土澆筑試件本試驗(yàn)共包括3個(gè)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(shí)際工程,取長(zhǎng)度和高度分別為4230mm和2990mm,厚度200mm,用A2.5級(jí)蒸壓砂加氣混凝土砌塊(尺寸為600mm×240mm×200mm)和M5.0級(jí)砌塊專用砂漿砌筑.底梁截面高400mm,寬450mm,由C35早強(qiáng)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(gè)試件按開(kāi)洞情況分別編號(hào)為WX-1、WX-2、WX-3.其中,WX-1為無(wú)洞口試件;WX-2開(kāi)有窗洞,洞寬1800mm,高1200mm;WX-3開(kāi)有門(mén)洞,洞寬900mm,高1960mm.所有試件在墻體左右兩端均設(shè)有鋼筋混凝土芯柱,設(shè)置方法為,將擬設(shè)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(zhǎng)縱筋.WX-2和WX-3在洞口兩側(cè)還各加設(shè)1根芯柱.WX-2在窗洞下第1皮灰縫內(nèi)還設(shè)有26的通長(zhǎng)拉結(jié)筋,錨固于相應(yīng)的芯柱中.各試件示意圖見(jiàn)圖1.1.2試驗(yàn)加載制度試驗(yàn)在恒定的豎向荷載下采用水平低周反復(fù)加載.水平荷載通過(guò)支承于反力墻的拉壓千斤頂施加,豎向荷載通過(guò)2個(gè)油壓千斤頂和2個(gè)分配梁對(duì)試件施加4點(diǎn)恒定的豎向荷載.正式加載時(shí),豎向千斤頂一次性加至每個(gè)千斤頂100kN后,保持不變,然后在試件頂部分級(jí)施加低周反復(fù)水平荷載.試驗(yàn)加載示意如圖2.試驗(yàn)加載按荷載和位移混合控制的方案進(jìn)行,墻體開(kāi)裂前,由水平力控制,開(kāi)裂后,由加載點(diǎn)處水平位移控制;每級(jí)荷載反復(fù)循環(huán)1次;加載時(shí)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(shí)際試驗(yàn)中往往再多加幾個(gè)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(yàn)的主要量測(cè)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(diǎn)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(yīng)變及WX-2窗洞下墻體水平鋼筋應(yīng)變;5)底梁的水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng).上述數(shù)據(jù)均采用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)全程監(jiān)控采集.2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1破壞過(guò)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(kāi)裂前剛度大,側(cè)移很小,實(shí)測(cè)荷載-位移曲線基本呈線性關(guān)系.當(dāng)水平荷載達(dá)到極限荷載的70%左右時(shí),墻體開(kāi)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(gè)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(gè)方向裂縫不斷加寬的同時(shí),沿另一個(gè)方向逐漸被斜向壓碎,承載力緩慢下降.破壞時(shí),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(yàn)前,最大裂縫寬度15mm左右.2墻體出現(xiàn)裂裂期3.墻體開(kāi)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(lái)自反向加載時(shí)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(kāi)裂后很快達(dá)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(shí),裂縫很寬,破碎嚴(yán)重,但承載力下降十分緩慢.進(jìn)一步的加載循環(huán)使洞口兩側(cè)芯柱處的砌體嚴(yán)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(yán)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(zhǎng)時(shí)間里,裂縫主要集中在門(mén)洞兩側(cè)的芯柱附近,遠(yuǎn)處較稀、陸續(xù)加密(尤其是大墻肢).達(dá)極限荷載時(shí),主裂縫明顯,大墻肢內(nèi)裂縫交叉現(xiàn)象嚴(yán)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(yàn)前,大墻肢斜裂縫寬度約20mm,且裂縫兩側(cè)墻體有相對(duì)錯(cuò)動(dòng),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(wú)大塊砌體脫落.從上述3片墻的破壞過(guò)程來(lái)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(shí),墻體芯柱內(nèi)均有貫通的水平裂縫,但未斷開(kāi),說(shuō)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(kāi)洞對(duì)墻體承載力的影響各墻體開(kāi)裂荷載、極限荷載、破壞荷載的實(shí)測(cè)值如表1所示.Fci、Fui、Fdi分別為各試件開(kāi)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(jìn)行開(kāi)裂荷載和極限荷載的比較,可以看到開(kāi)洞對(duì)墻體承載力的影響.無(wú)洞墻體(WX-1)的開(kāi)裂荷載和極限荷載均大于開(kāi)洞墻體(WX-2和WX-3)的相應(yīng)荷載.可見(jiàn)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(guò)了因開(kāi)洞所致墻體水平截面積減小的程度.2)開(kāi)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(shuō)明開(kāi)洞墻體在洞口增設(shè)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(dāng)于(甚至還低于)僅在墻體左右兩端設(shè)有芯柱的整體墻.2.3開(kāi)洞情況對(duì)位移的影響各墻體的水平位移實(shí)測(cè)值如表2所示.其中Δci、Δui、Δdi和θci、θui、θdi分別為各試件加載點(diǎn)處在開(kāi)裂、極限荷載及破壞時(shí)的實(shí)測(cè)位移值和相應(yīng)的位移角,均取正反向加載的平均值.1)WX-1和WX-3的開(kāi)裂位移及極限荷載下的位移均分別相對(duì)接近,WX-2開(kāi)裂位移大,而極限荷載下的位移相對(duì)較小.說(shuō)明到達(dá)極限荷載前,墻體的開(kāi)洞情況對(duì)變形的影響較明顯(其中WX-3的開(kāi)裂位移大于WX-1反映了試件數(shù)量少所導(dǎo)致的離散性).而破壞時(shí)的位移不同,3個(gè)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(kāi)洞墻體WX-2和WX-3的變形能力相對(duì)較大、破壞位移相近.這表明墻體達(dá)到極限荷載后的后期變形性能主要與墻體內(nèi)所設(shè)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(shí)測(cè)結(jié)果表明,墻體開(kāi)裂時(shí)位移角較小,即開(kāi)裂前剛度大,能滿足正常使用時(shí)的要求;而達(dá)到極限承載力后,直到位移角較大時(shí),仍能保持較高的承載力,說(shuō)明這種墻體(包括僅在墻體左右兩端設(shè)芯柱者)在強(qiáng)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(kāi)裂前曲線基本為直線,滯回環(huán)基本重合,滯回面積較小;當(dāng)墻體開(kāi)裂后,滯回環(huán)開(kāi)始向位移軸傾斜,水平承載力繼續(xù)提高,直到達(dá)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(jìn)一步向位移軸傾斜.滯回環(huán)在開(kāi)裂后的加載循環(huán)中基本上是狹長(zhǎng)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(shí)試件進(jìn)入了非彈性工作階段.到達(dá)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(dāng)達(dá)到極限荷載后,WX-1的曲線下降也相對(duì)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(zhǎng).從曲線的下降趨勢(shì)可以看出,增設(shè)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(jì)算試件在每級(jí)正、反向加載時(shí)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(jí)荷載下正反向水平荷載值;Δi+、Δi-為第i級(jí)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(wú)洞墻體(WX-1)的初始剛度明顯大于開(kāi)洞墻體(WX-2和WX-3),開(kāi)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(shì)基本一致.隨著墻體位移的增大,剛度退化減緩,到破壞時(shí)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(yàn)中所耗散能量的多少.各試件在開(kāi)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(shí))的等效黏滯阻尼系數(shù)he見(jiàn)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(shì)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(yàn)的3個(gè)試件耗能能力總體相差不多.在加載過(guò)程中,墻體的裂縫不斷發(fā)展,數(shù)量增加,裂縫間的滑動(dòng)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(shè)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(duì)墻體性能的改善作用是通過(guò)其對(duì)墻體的約束作用實(shí)現(xiàn)的,它除使墻體在水平荷載作用下開(kāi)裂后繼續(xù)保持承載能力外,主要是