建筑模網(wǎng)混凝土矮墻抗震性能試驗(yàn)研究

0 引 言

建筑模網(wǎng)混凝土墻體是一種全新的建筑結(jié)構(gòu)，由鋼板網(wǎng)（蛇皮網(wǎng)）、豎向加勁肋和交錯(cuò)連接的水平折鉤拉筋構(gòu)成空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，內(nèi)澆不振搗自密實(shí)混凝土后制成［1］.由于建筑模網(wǎng)的滲濾效應(yīng)、消除容器效應(yīng)、環(huán)箍效應(yīng)和限裂效應(yīng)，在施工過(guò)程中可以方便地實(shí)現(xiàn)不支模板與免振搗，施工方便快捷，并具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在法國(guó)、美國(guó)、澳大利亞及我國(guó)較多工程項(xiàng)目中獲得了應(yīng)用［2、3］.王立久開(kāi)展了建筑模網(wǎng)混凝土的系統(tǒng)性研究，認(rèn)為其滲濾效應(yīng)可使模網(wǎng)內(nèi)新澆混凝土通過(guò)滲流排除多余水分，降低水灰比，提高混凝土強(qiáng)度，滲濾的同時(shí)又消除混凝土中較大氣泡，消除鋼木模板所造成的容器效應(yīng)，使模網(wǎng)混凝土實(shí)現(xiàn)不振搗自密實(shí).環(huán)箍效應(yīng)使模網(wǎng)混凝土處于三向受壓狀態(tài)，可使模網(wǎng)混凝土比普通混凝土強(qiáng)度提高；且建筑模網(wǎng)的三維空間整體結(jié)構(gòu)，特別是鋼板網(wǎng)具有的明顯限裂作用，可使模網(wǎng)混凝土干縮值僅為普通混凝土的1／7～1／6［1、4、5］.何遠(yuǎn)宏［6］通過(guò)22片模網(wǎng)混凝土墻體的抗震性能試驗(yàn)，并基于理論分析和數(shù)值模擬，獲得了模網(wǎng)混凝土墻體抗震能力的初步認(rèn)識(shí)，提出了模網(wǎng)混凝土墻體的抗震設(shè)計(jì)方法；馮鵬等［7、8］在模網(wǎng)混凝土墻體的基礎(chǔ)上外加薄壁型鋼作為受力構(gòu)件，開(kāi)展了鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗震能力試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種新型結(jié)構(gòu)體系的抗震能力.

總體來(lái)看，我國(guó)關(guān)于模網(wǎng)混凝土的研究仍處于起步階段，特別是對(duì)其抗震能力的研究較少，關(guān)于模網(wǎng)混凝土的抗震設(shè)計(jì)，更多的是借助于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）［9］和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［10］執(zhí)行，與我國(guó)目前模網(wǎng)混凝土在工程中應(yīng)用的快速發(fā)展不相適應(yīng).為此本文進(jìn)行6個(gè)模網(wǎng)混凝土墻體的抗震性能擬靜力試驗(yàn)，重點(diǎn)研究其破壞形態(tài)、滯回曲線(xiàn)、變形能力和抗剪承載力，并結(jié)合國(guó)內(nèi)其他試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)模網(wǎng)混凝土的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究，為促進(jìn)此種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 模網(wǎng)混凝土墻介紹

本文選用模網(wǎng)厚度均為160 mm，寬度為530 mm和990 mm兩種，如圖1所示.其中鋼板網(wǎng)由蛇皮網(wǎng)和V形肋構(gòu)成，V形肋起到增加鋼板網(wǎng)剛度和控制其與加勁肋間隔的作用，蛇皮網(wǎng)起到滲濾作用.折鉤拉筋為5冷軋帶肋鋼筋，沿兩側(cè)加勁肋間距100 mm交錯(cuò)放置，折鉤拉筋主要起到水平拉結(jié)作用，使建筑模網(wǎng)形成空間結(jié)構(gòu)，并對(duì)混凝土提供環(huán)箍作用.加勁肋用鍍鋅帶鋼經(jīng)特殊加工制成，主要起到支撐立面骨架作用，加勁肋抗拉強(qiáng)度≥370 MPa，屈服強(qiáng)度≥240 MPa，伸長(zhǎng)率≥18%，基本尺寸為（47.0±0.5）mm×（17.8± 0.5）mm×0.5 mm（厚度）.

1.2 試件設(shè)計(jì)

圖1 建筑模網(wǎng)混凝土墻體Fig.1 The concrete walls with construction formwork

圖2 建筑模網(wǎng)混凝土矮墻試件設(shè)計(jì)詳圖Fig.2 Design details of the squat concrete walls with construction formwork

共設(shè)計(jì)了6片墻體試件，為W1～W6試件，各試件尺寸及配筋情況如圖2所示，其中W1為普通鋼筋混凝土墻體，配有8＠300的水平及豎向分布鋼筋（配筋率約為0.1%），為保證墻體抗彎承載能力，端部配有225豎向鋼筋；W2按模網(wǎng)原始設(shè)計(jì)，不另配水平及豎向分布鋼筋，端頭配225豎向鋼筋，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)模網(wǎng)混凝土墻體的抗震性能；W3同W2，只是在混凝土初凝后將表面鋼板網(wǎng)拆除，研究鋼板網(wǎng)對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體抗震能力的影響；W4同W2，但拆除加筋肋，以木撐在鋼板網(wǎng)外支撐，以確保澆筑時(shí)的剛度，W4主要用以研究加勁肋對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體抗震能力的影響；W5在W2的基礎(chǔ)上每間隔一個(gè)加勁肋（456 mm）加配26豎向分布鋼筋，確定豎向分布鋼筋的作用.W2～W5試件均采用2片990 mm寬的模網(wǎng)；W6同W2，但改用2片530 mm和1片990 mm寬模網(wǎng)，以確定模網(wǎng)拼接產(chǎn)生的豎向縫對(duì)墻體抗震能力的影響.模網(wǎng)拼接詳細(xì)情況如圖3所示.

實(shí)測(cè)混凝土150 mm×150 mm×150 mm試塊抗壓強(qiáng)度為42 MPa；5折鉤拉筋、25縱筋屈服強(qiáng)度分別為523和350 MPa.

圖3 模網(wǎng)混凝土墻體拼接縫詳圖Fig.3 Design details of segment gap of the concrete wall with construction formwork

1.3 加載設(shè)備及加載歷程

試驗(yàn)在中國(guó)建筑科學(xué)研究院完成，試驗(yàn)加載裝置如圖4所示，試件通過(guò)錨栓固定于地面，頂部由豎向千斤頂施加軸向荷載N＝600 k N（對(duì)應(yīng)軸壓比約為0.07），試驗(yàn)過(guò)程中保持不變，豎向千斤頂通過(guò)滑板與反力架橫梁相連，可保證軸力始終向下.側(cè)向荷載通過(guò)固定于反力墻上的水平千斤頂逐級(jí)施加，直至試件破壞.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞現(xiàn)象

模網(wǎng)混凝土墻體（W2～W6）與普通混凝土墻體（W1）試件表現(xiàn)出較為相似的破壞過(guò)程，主要為加載初期，試件底部首先出現(xiàn)水平彎曲裂縫，隨側(cè)向荷載增大，水平裂縫逐漸增多，裂縫寬度增大并擴(kuò)展為彎剪斜裂縫，并伴隨新的裂縫產(chǎn)生；加載后期，裂縫相互交錯(cuò)貫通，試件最終出現(xiàn)主斜裂縫并發(fā)生脆性破壞，承載力迅速下降，試驗(yàn)結(jié)束.

圖4 試驗(yàn)加載裝置Fig.4 Test setup

圖5 試件的破壞形態(tài)Fig.5 The failure patterns of the specimens

各試件的最終破壞形態(tài)如圖5所示，可以看出，W3與W4試件沿兩個(gè)加載方向出現(xiàn)較為明顯的剪切破壞面，其余試件基本沿一個(gè)方向產(chǎn)生剪切破壞面；W2與W4試件沿模網(wǎng)拼縫出現(xiàn)豎向裂縫，但未成為主要破壞形態(tài)；分別拆除表面鋼板網(wǎng)和加勁肋的W3與W4試件表面混凝土出現(xiàn)較多的剝落，可發(fā)現(xiàn)加勁肋的鼓曲與鋼板網(wǎng)拉斷破壞情況，如圖6所示.

圖6 加勁肋與鋼板網(wǎng)的破壞形態(tài)Fig.6 Damage patterns of the stiffening rib and expanded metal lath

2.2 試件滯回曲線(xiàn)與骨架曲線(xiàn)

各試件的側(cè)向荷載F與頂部位移Δ滯回曲線(xiàn)如圖7所示，骨架曲線(xiàn)如圖8所示.可以看出，墻體發(fā)生開(kāi)裂破壞前各試件滯回曲線(xiàn)基本呈直線(xiàn)，滯回環(huán)面積基本為零，試件處于彈性工作狀態(tài)；隨側(cè)向荷載增大，由于混凝土開(kāi)裂和縱筋屈服，滯回曲線(xiàn)斜率逐漸減小，試件剛度退化，滯回環(huán)面積加大，試件殘余變形增加，試件達(dá)極限荷載后承載能力快速降低，直至試驗(yàn)結(jié)束.總體來(lái)看，各試件延性變形能力均較低.但試件滯回曲線(xiàn)的“捏攏”現(xiàn)象并不嚴(yán)重，說(shuō)明試件縱筋、加勁肋與混凝土之間的滑移現(xiàn)象并不嚴(yán)重［11、12］.需要說(shuō)明，試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的疏漏使得W1與W6試件兩個(gè)方向的加載并不對(duì)稱(chēng)，但不影響本研究的定性結(jié)論.

2.3 試件抗剪強(qiáng)度與變形能力

圖7 試件的滯回曲線(xiàn)Fig.7 Hysteretic curves of the specimens

各試件的極限承載力Fu、屈服位移Δy、極限位移Δμ、位移延性系數(shù)μΔ、極限位移Δμ與試件高度H的比值等主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，各參數(shù)的定義方式同文獻(xiàn)［13］.總體來(lái)看，各模網(wǎng)混凝土墻體基本達(dá)到了與普通混凝土墻體相當(dāng)?shù)目辜裟芰Γ冃文芰ζ?拆除表面鋼板網(wǎng)的W3試件抗剪強(qiáng)度與變形能力均明顯偏低，說(shuō)明鋼板網(wǎng)對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體的抗震有利.拆除加勁肋的W4試件承載力較W2試件偏低，但變形能力與W2試件相當(dāng)；配有豎向分布鋼筋的W5試件抗剪承載力略高于其他試件，但變形能力較差，表明模網(wǎng)混凝土墻內(nèi)增加豎向分布鋼筋不增加其延性；W6試件的抗剪能力與變形能力與其他試件相比未表現(xiàn)出明顯差異，表明模網(wǎng)豎向拼縫對(duì)其抗震能力影響不大.需要說(shuō)明，由于橫向水平鋼筋對(duì)剪力墻抗震性能的有利影響是眾多研究的普遍結(jié)論［14、15］，本文中W1試件的水平分布鋼筋配筋率約為0.1%，對(duì)W2～W6試件，水平折鉤拉筋換算配筋率為0.092%，與W1試件相當(dāng).

圖8 試件的骨架曲線(xiàn)Fig.8 The skeleton curves of the specimens

表1 主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Main test results

3 模網(wǎng)混凝土矮墻抗剪強(qiáng)度分析

我國(guó)《建筑模網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DB 21／T1210—2004）［16］對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體抗剪承載力的規(guī)定借鑒了《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2002）的規(guī)定，考慮地震作用組合的剪力墻斜截面抗震受剪承載力計(jì)算公式為

式中：ft為混凝土抗拉強(qiáng)度；λ為計(jì)算截面的剪跨比，且1.5≤λ≤2.2；N為軸力，且N≤0.2fcbnh，fc為混凝土抗壓強(qiáng)度，bn為模網(wǎng)墻的計(jì)算凈寬度，且bn＝b－10 mm，b為模網(wǎng)的名義寬度；h0為墻體有效高度；Ash為配置在同一水平截面內(nèi)的水平分布鋼筋的全部截面積；s為水平鋼筋豎向間距；fyv為水平鋼筋抗拉強(qiáng)度；Ashe為模網(wǎng)混凝土墻體內(nèi)折鉤拉筋的折算面積；se為折鉤拉筋豎向間距；fyve為折鉤拉筋抗拉強(qiáng)度；γRE為構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù).

將實(shí)測(cè)混凝土強(qiáng)度和水平分布鋼筋、折鉤拉筋強(qiáng)度代入上式進(jìn)行計(jì)算，試件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c和抗拉強(qiáng)度f(wàn)t與150 mm×150 mm×150 mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu按下列關(guān)系換算［17］：

式中：α1為棱柱體強(qiáng)度與立方體強(qiáng)度之比，α2為高強(qiáng)混凝土的脆性折減系數(shù)，0.88為考慮實(shí)際構(gòu)件與試塊混凝土強(qiáng)度之間的差異而采用的折減系數(shù).

可以看出，《建筑模網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DB 21／T1210—2004）對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體的抗剪強(qiáng)度主要考慮了混凝土、軸力、水平箍筋及折鉤拉筋的貢獻(xiàn).為了對(duì)模網(wǎng)混凝土墻體的抗剪強(qiáng)度獲得更清晰認(rèn)識(shí)，以本文的6個(gè)試件及文獻(xiàn)［6］中發(fā)生剪切及彎剪的20個(gè)墻體試件試驗(yàn)結(jié)果與式（1）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9所示.26個(gè)試件中，包括5個(gè)普通混凝土墻體試件和21個(gè)模網(wǎng)混凝土墻體試件.5個(gè)普通混凝土墻體試件中，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值之比Fu／V在1.14～1.75，平均為1.37；21個(gè)模網(wǎng)混凝土墻體試件中，抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值與計(jì)算值之比在1.09～1.77，平均為1.41.可以看出，《建筑模網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DB 21／T1210—2004）對(duì)模網(wǎng)混凝土矮墻的抗剪強(qiáng)度有足夠的保證，同時(shí)，模網(wǎng)混凝土墻體的抗剪強(qiáng)度與普通混凝土墻體相比未表現(xiàn)出明顯差異.

圖9 模網(wǎng)混凝土墻體抗剪強(qiáng)度對(duì)比Fig.9 Comparison of shear strength of concrete walls with construction formwork

基于纖維模型計(jì)算了各試件縱筋屈服對(duì)應(yīng)的抗剪承載力Fmy和試件破壞對(duì)應(yīng)的抗剪承載力Fmu，結(jié)果如表2所示.對(duì)比表1和2可發(fā)現(xiàn)試件抗彎能力遠(yuǎn)大于抗剪能力，為典型的強(qiáng)彎弱剪設(shè)計(jì)構(gòu)件.

表2 試件抗剪能力Tab.2 The shear strength of the specimens

4 結(jié) 論

（1）建筑模網(wǎng)混凝土矮墻的破壞過(guò)程及最終破壞形態(tài)與普通混凝土墻體較為相似，呈剪切破壞形態(tài)；鋼板網(wǎng)對(duì)模網(wǎng)混凝土矮墻的抗震能力有較大影響，可提高墻體的抗剪強(qiáng)度和延性.

（2）模網(wǎng)混凝土墻體表現(xiàn)出較高的抗剪能力，且《建筑模網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（DB 21／T1210—2004）對(duì)模網(wǎng)混凝土的抗剪強(qiáng)度有足夠的保證.

（3）與普通混凝土墻體相比，模網(wǎng)混凝土墻體變形能力略低于普通鋼筋混凝土墻體試件，可通過(guò)改進(jìn)其細(xì)部配筋措施提高其變形能力.致謝：中國(guó)建筑科學(xué)研究院王翠坤研究員、肖從真研究員在擬靜力試驗(yàn)過(guò)程中給予了大力支持與幫助.

［1］王立久，趙國(guó)藩.建筑模網(wǎng)夾芯混凝土增強(qiáng)機(jī)理研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2000，3（2）：98－102

［2］劉 巖，榮利民，王來(lái)福.帝枇建筑模網(wǎng)在我國(guó)建筑工程中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2001，30（8）：29－30

［3］榮利民，李洪義，曹明莉.建筑模網(wǎng)混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固住宅樓研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002，32（11）：16－17

［4］WANG L J，CHI Y H.Experimental research on the bearing capacity of axially loaded composite columns with concrete core encased by steel tube［C］／／Advances in Steel Structures.Shanghai：Elsevier，2005：593－598

［5］REN Z Y，WANG L J.Research of high fly ash content in concrete with Dipy construction formwork［C］／／Proceedings of the International Workshop on Sustainable Development and Concrete Technology.Ames：Iowa State University，2004：347－359

［6］何遠(yuǎn)宏.Dipy模網(wǎng)混凝土剪力墻力學(xué)性能試驗(yàn)分析與設(shè)計(jì)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2004

［7］馮 鵬，初明進(jìn)，侯建群，等.鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)多層住宅足尺模型抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30（3）：1－10

［8］初明進(jìn)，馮 鵬，侯建群，等.鋼網(wǎng)構(gòu)架混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)多層住宅墻體抗震性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42（7）：36－45

［9］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002

［10］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010

［11］司炳君，孫治國(guó)，艾慶華，等.鋼筋混凝土橋墩滯回性能的有限元參數(shù)敏感性分析及模型改進(jìn)［J］.工程力學(xué)，2009，26（1）：174－180

［12］KWAN W P，BILLINGTON S L.Simulation of structural concrete under cyclic load［J］.Journal of Structural Engineering，2001，127（12）：1391－1401

［13］孫治國(guó)，王東升，杜修力，等.鋼筋混凝土橋墩塑性鉸區(qū)約束箍筋用量研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2010，23（3）：48－57

［14］HIDALGO P A，LEDEZMA C A，JORDAN R M.Seismic behavior of squat reinforced concrete shear walls［J］.Earthquake Spectra，2002，18（2）：287－308

［15］錢(qián)稼茹，呂 文，方鄂華.基于位移延性的剪力墻抗震設(shè)計(jì)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1999，20（3）：42－49

［16］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.DB 21／T1210—2004建筑模網(wǎng)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

［17］孫治國(guó)，司炳君，王東升，等.高強(qiáng)箍筋高強(qiáng)混凝土柱抗震性能研究［J］.工程力學(xué)，2010，27（5）：128－136