密肋復合墻板框格與填充材料相互作用機理試驗研究

摘 要：框格單元是構成密肋復合墻板的最基本構件，在框格單元中，框格與填充材料的相互作用對復合墻板的整體力學性能具有重要意義。本文針對密肋復合墻板框格與填充材料的相互作用問題進行了試驗研究，給出了荷載位移曲線，并給出了試驗分析。試驗分析結論表明砌塊對整體構件承載能力的提高作用明顯。

關鍵詞：框格； 填充材料； 試驗； 荷載位移曲線

1.前言

密肋壁板結構作為一種新型建筑結構體系，有著良好的應用前景[1]。它是由預制的密肋復合墻板、現澆的隱形框架和樓板組合而成的一種新型結構體系，其結構構造如圖1[1]所示。構成密肋壁板結構的重要受力構件是密肋復合墻板，如圖2[2]所示，它是在混凝土框格中內嵌輕質填充材料后形成框格單元后，在框格單元周圍二次澆筑肋梁、肋柱后整體預制而成[3]。框格和填充材料組成的框格單元是密肋復合墻板的最基本構件。在框格與填充材料之間存在著彼此的相互作用[4]，這種相互作用對于研究復合墻板的整體力學性能有著重要的意義。

在已有的研究工作中，針對密肋復合墻板進行了整體試驗研究，但對于框格單元內部的受力機理和相關因素并未給出試驗研究方案和試驗結論，因此對于框格與填充材料之間的相互作用機理試驗[5]研究意義十分明顯。

2.試驗研究

2.1試件設計

試驗的試件是將密肋復合墻板的框格基本單元，按照相似關系以1/2比例縮小設計。試件分為4個系列，編號依次為FD，IFD-1，IFD-2，IFD-3。FD為空框格試件，框格試件設計截面高度分別為70，50，40mm。IFD-1、IFD-2、IFD-3分別為將聚丙烯纖維珍珠巖、普通珍珠巖、加氣混凝土作為填充材料的整體現澆試件，鋼筋及混凝土的基本力學性能指標見表1，填充材料的基本力學性能指標見表2。在IFD系列試件中，還考慮到砌塊與框格相對尺寸變化對復合墻板的影響，填充塊統一采用400×400mm的正方形預制塊，依次分別設計截面高度為80，70，60，50，40mm。

IFD類型試件的制作流程為：①預制砌塊②綁扎鋼筋骨架③放置砌塊④鋼筋就位⑤支模板⑥澆筑混凝土，FD類型試件的制作流程省去制作砌塊和放置砌塊的工序。

2.2 加載方案

采用手動液壓千斤頂作為加載設備，反力由鋼結構門架提供，在試件的兩端采用特別加工的剛性加載頭將外荷載施加給試件。在受力時，剛性加載頭自身變形忽略不計以保證荷載均勻地傳給試件的梁柱節點。千斤頂與加載頭之間放置球鉸支座，保證荷載始終與試件的豎向對角線保持重合。

框格單元的配筋見圖3，測點布置見圖4[6]。

3.試驗結果

3.1 FD系列試件

對FD系列試件的裂縫記錄和荷載位移曲線（圖5）分析可知，FD系列試件出現的裂縫主要集中于四個角區，破壞時出現塑性鉸。框格單元三種試件破壞過程是經歷了彈性，彈塑性和破壞三占個階段。彈性階段極限荷載值的35%，極限荷載偏低，僅為2.5～9.2KN；極限位移大，在15.5～20.5mm之間，屬于延性破壞。承載力高的試件其初始剛度也大。荷載隨著梁柱截面高度的增加而增大。

3.2 IFD系列試件

對IFD系列試件的裂縫記錄可知：IFD-1的抗裂性較好，破壞面裂縫分布廣泛，試件破壞時為2～3條主裂縫，且在受力對角線兩側，整個砌塊表面裂縫分布廣，“斜壓桿”特征明顯；IFD-2 系列的試件破壞特征是砌塊上只有若干2～3條主裂縫，分布在在受力方向的兩側，沒有分布均勻的微細裂縫，且節點的塑性鉸轉動不充分，整個砌塊表面裂縫分布少；IFD-3系列的試件為不規則的若干條粗縫隙，裂縫由某個破壞點蔓延，且不對稱，沒有“斜壓桿”形狀特征。角區局部壓壞。構件變形很大，砌塊的作用沒有得以充分發揮，硅酸鹽屬于脆性材料，在承載力很低時就已經壓潰，肋梁柱的塑性鉸轉動不明顯。

對IFD系列試件荷載位移曲線圖（圖6～圖8）可以看出，從彈性階段進入彈塑性階段的曲線斜率變化不大，彈性階段特征明顯；在載達到極限荷載的47～71%左右之前，荷載位移曲線基本為線性變化，此段過程為彈性工作階段；當荷載繼續增大時，填充塊中首先開始出現裂縫，荷載位移曲線上曲線斜率變小，填充塊中裂縫不斷變密，變形明顯加快，繼續加載至極限荷載，此段過程為彈塑性工作階段；各試件基本上在超過2～3倍的極限荷載對應的位移后，承載力降低至極限承載力的85%以下，此段過程為試件的破壞階段。IFD-3系列試件沒有明顯的屈服點，并且超過極限荷載后，與IFD-1、IFD-2系列試件相比，隨著變形的增大，荷載下降相對較快，這主要是因為填充材料的脆性及不均勻性引起的。

4.試驗結果分析

4.1 承載能力分析

由試驗數據繪曲線，可以得到各階段荷載、位移匯總表，見表3。

由表3可看出，同一種截面高度的構件，填加砌塊后，開裂荷載明顯高于空框格，提高的倍數Kc約為5.8-38倍。同樣可得極限荷載提高倍數Ku約為3.8-11.4倍。由此得空框格在填加材料后開裂能力和承載能力明顯提高。這主要是因為砌塊對框格起到支撐的作用，可以使框格的承載能力明顯增大。

4.2 變形能力分析

通過荷載位移曲線（圖6～圖8）的曲線總結，可以得到各試件的變形能力分析如下。

（1）IFD -1系列

由圖6可見，各試件的荷載位移曲線在初始階段基本呈直線，并且同一組試件的初始段試驗點集中在同一條直線附近，之后進入了非線性階段，位移增大，剛度下降，同一組試件的極限荷載隨著框梁柱的截面尺寸增加而增大。截面尺寸為40mm的極限荷載最低，而截面尺寸為70mm的極限荷載最高。在達到彈性荷載后試件出現了第一條裂縫，加荷曲線出現了彎折，剛度下降，但仍然可以繼續加載，且位移幅值很大。在位移為1.8mm左右時達到了極限荷載。

（2）IFD -2系列

由圖7可見，試件的荷載位移曲線在初始階段基本呈直線，并且同一組試件的初始段試驗點集中在同一條直線附近，之后進入了非線性階段，位移增大，剛度下降，同一組試件的極限荷載隨著框梁柱的截面尺寸增加而增大，在位移為5.5～7.5mm范圍時達到了極限荷載。

（3）IFD -3系列

由圖8可見，試件的荷載位移曲線在初始階段基本呈直線，并且同一組試件的初始段試驗點集中在同一條直線附近，之后進入了非線性階段，位移增大，剛度下降，同一組試件的極限荷載隨著框梁柱的截面尺寸增加而增大，在位移為2～2.5mm范圍時達到了極限荷載。

由表3可看出，同一種截面高度的構件，填加砌塊后，開裂剛度明顯高于空框格，提高的倍數Kf約為4.4-26.9倍。由此得空框格在填加材料后剛度明顯提高；另外，填加砌塊后，試件的極限位移減小，縮小倍數Du約為0.06～0.39。

5.結語

在對無填充砌塊的框格和有填充砌塊的框格進行了4組14個試件的對角線加載試驗完畢后，總結如下：

①試件的破壞分為三個階段： （1） 彈性階段 ，（2） 彈塑性階段，（3） 破壞階段。

② 各試件的破壞特征總結如下：

（1）彈性階段：框格和砌塊的協同工作良好，荷載位移曲線為直線段；

（2）彈塑性階段：節點肋梁處有微裂縫，中間砌塊開裂，斜壓桿形成；

（3）破壞階段：框格梁柱出現了塑性鉸，斜壓桿出現了橫向裂縫并蔓延至兩側。節點出現扇形塑性區。

③彈性階段時框格的荷載—位移曲線斜率很高，初始剛度很大，在彈塑性階段，框格的剛度下降，達到了極限荷載后，荷載值緩慢下降，位移增加幅度大。

④ 荷載-位移曲線以及荷載分析表可看出：砌塊對整體構件承載能力的提高作用明顯，與純框格相比，添加砌塊后的試件的開裂荷載比純框格提高了6-30倍，位移比純框格減小為原來的0.06～0.39倍。

⑤三種材料中，摻加聚丙烯纖維的珍珠巖砌塊裂縫分布均勻，破壞過程最充分，純粉煤灰砌塊的裂縫很不規則，破壞過程最不充分。

參考文獻

[1] 黃煒.密肋復合墻體抗震性能及設計理論研究.中國博士學位論文全文數據庫

[2] 袁泉.蒸壓加氣混凝土砌塊在新結構體系中的應用，建筑節能，2006.34（1）：34～34

[3] 王愛民.填充砌塊對密肋復活墻體受力性能影響的非線性數值分析.工業建筑，2008.38（1）：9～13

[4] 喻磊.鋼筋混凝土框格單元結構力學性能試驗研究 西安建筑科技大學學報自然科學版，2006. 39（3 ：317～318

[5] 喻磊.密肋復合墻體框格單元結構剛度與承載力分析，西安建筑科技大學學報，自然科學版，2006. 38（1） ：24～28

[6] 楊建寧.密肋復合墻板框格單元與填充材料相互作用機理試驗研究.中國優秀碩士學位論文全文數據庫