框支密肋復合墻體擬靜力試驗研究

賈穗子，曹萬林，袁 泉

(1.北京工業大學建筑工程學院，100124北京;2.北京交通大學土木建筑工程學院，100044北京)

近年來，隨著人們對生活環境和工作條件要求的提高，現代建筑向著多功能、多用途方向發展.為滿足建筑使用功能的需要，底部框架-抗震墻砌體結構、框支剪力墻結構得到較廣泛應用.然而，歷次地震震害顯示，底層框架-抗震墻砌體房屋發生嚴重破壞，承重墻體材料在已有的大開間住宅中沒有得到充分的利用，關鍵部位受力不合理，剛度分布不靈活［1-3］.框支剪力墻結構雖然突破了框支砌體結構房屋對高度和層數的限制，且抗震性能優于框支砌體結構房屋，適用于底部大空間的高層建筑，但其造價高、自重大、施工較復雜，且底部易成為薄弱層，產生變形集中［4-6］.

本文將新型抗震結構體系密肋復合墻結構引入底部大空間，形成框支密肋復合墻結構.由于密肋復合墻體具有可靠的整體性、良好的冗余性、較好的耗能性、靈活的剛度可調性［7-9］等特點，因此有利于框支密肋復合墻結構薄弱層承載力與剛度的合理匹配.

本文通過對兩榀恒定豎向荷載作用下的框支-密肋復合墻體試件擬靜力試驗，分析墻體破壞過程、傳力機理、滯回特性等抗震性能，并對結構總體剛度退化特征、殘余變形率進行分析，得到結構在受力性能、破壞形態和抗倒塌能力方面的特點，為工程設計提供參考依據.

1 試驗概況

1.1 密肋復合墻結構

密肋復合墻結構(圖1(a))采用獨特嵌套式結構構造形式，由預制的密肋復合墻板、現澆的隱形外框和樓板組成［10-11］，其中，密肋復合墻板(圖1(b))是由截面及配筋率較小的鋼筋混凝土肋梁和肋柱構成框格，內嵌以輕質保溫型填充砌塊預制而成;隱形框架是由鋼筋混凝土邊框柱、連接柱和暗梁澆筑而成.在受力過程中，密肋復合墻板一方面受到隱形外框的約束作用，另一方面又對隱形框架施加反作用，兩者相互作用，充分發揮各自性能，形成密肋復合墻結構主要承力構件—密肋復合墻體.

圖1 密肋復合墻結構

1.2 試件制作及加載情況

兩榀試件的制作基于前期進行的不等跨框支密肋復合墻結構模型(MLB-1和 MLB-2)［10］，并參考“二托四”框剪—密肋復合墻結構配筋尺寸圖［12］，1/2比例縮尺，以 MLB-3和 MLB-4編號.其中，MLB-3選取原型結構中二層和三層橫向單跨底部框剪-密肋復合墻體.MLB-4上部密肋復合墻板中由肋梁、肋柱組成的正交框格變為斜交框格，并內嵌相應形狀的輕質砌塊，試件模型尺寸配筋見圖2.

采用荷載-位移控制的混合加載制度，首先豎向千斤頂施加200 kN恒定豎向荷載，之后施加水平反復荷載，每級循環一次且遞增30 kN，試件屈服后，采用位移控制，每級循環一次，位移增加5 mm.

圖2 試件尺寸配筋圖(mm)

1.3 試驗過程

1.3.1 MLB-3

水平荷載達到255 kN時，剪力墻底部出現裂縫，上部密肋墻在靠近連接柱的兩側均產生微量斜向裂縫;繼續加載到300 kN時，砌塊裂縫明顯變寬，框支梁和框支柱也出現多條裂縫;加載到550 kN時，砌塊與肋格、密肋墻板與框支梁交界處出現少量分離現象，砌塊表面脫落點較多，試件屈服;按位移控制加載，位移達到45 mm時，砌塊表皮不斷剝落，剪力墻向外鼓出;位移達到55 mm時，砌塊碎裂嚴重，框支柱鋼筋屈服，上下層坐漿滑移，試件破壞.MLB-3構件在各階段破壞情況見圖3.

圖3 MLB－3構件裂縫

1.3.2 MLB-4

在彈性階段，水平荷載小于250 kN時，剪力墻和框支柱底部出現微裂縫.當水平荷載增加到360 kN時，墻體中部砌塊產生斜裂縫，試件進入彈塑性階段;在660 kN時，框支柱底部水平貫通裂縫寬度達到5 mm，密肋復合墻與框支梁間坐漿開裂，框支梁柱節點及框支梁與抗震墻交界處裂縫加大，試件屈服;此后按位移控制加載，當位移達到48 mm時，框支柱柱腳出現斜裂縫，砌塊出現大量裂縫，并零星剝落;繼續增加位移至54 mm時，框支柱底部出現較多交叉斜裂縫，水平貫穿裂縫寬度達到5 mm，柱腳混凝土局部壓潰.MLB-4構件在各階段破壞情況見圖4.

圖4 MLB－4構件裂縫

在兩榀試件破壞過程中，MLB-3二層密肋復合墻體比 MLB-4破壞嚴重，而底層框剪結構比MLB-4裂縫及混凝土剝落現象少.密肋復合墻體在整個受力過程中按照3道抗震防線，即填充砌塊-密肋框格-隱形框架的破壞模式依次耗能.進一步說明試件的設計符合耗能減震的要求.

2 試驗結果及分析

2.1 傳力機理

兩榀試件密肋復合墻板中砌塊和鋼筋混凝土用量，框格橫截面及配筋率基本相同，但MLB-4的開裂荷載和屈服荷載比MLB-3分別增加45%、22%，主要因為MLB-4中斜交的肋格不僅約束砌塊，與砌塊共同受力，還起到類似桁架的作用，斜向框格受力變形形成明顯斜壓桿效應，主應力沿斜交肋格方向分別向兩側邊框柱和框支梁傳遞.采用ANSYS建立二維平面單元，分析墻體彈塑性階段鋼筋應力云圖(圖5)，由圖可見，主應力沿交叉肋格方向向下傳力清晰可見，進一步證明斜交肋格的構造形式，改變傳力途徑，使得下層結構受力增大，上下層剛度合理分配.

圖5 鋼筋應力云圖

2.2 滯回曲線

由層間滯回曲線圖6可知:MLB-4斜交肋格的構造形式使得墻體上下層剛度比更合理，層間位移變形更充分.此外，由于抗震墻的設置，底部抗側剛度變大，兩片墻體二層層間位移均比一層大，變形集中于第二層，第二層為薄弱層.

2.3 鋼筋應變分析

2.3.1 框支柱鋼筋應變

荷載在正負交替加載過程中，鋼筋應變始終為正(圖7(a))，說明鋼筋受拉應變明顯大于受壓應變，這是因為混凝土開裂后受拉區縱筋應變充分發 揮，而受壓區縱筋受到混凝土壓應變限制應力較小.

圖6 試件的層間滯回曲線

2.3.2 抗震墻水平分布鋼筋應變

由于MLB-4上部密肋復合墻體中斜交肋格的構造形式，可使主應力沿斜向肋格交叉方向充分向抗震墻傳力.由圖7(b)可看出，在相同加載機制下，MLB-4鋼筋應變比MLB-3大，且鋼筋的應變趨勢仍以受拉應變為主.

圖7 構件鋼筋應變圖

2.4 殘余變形率分析

結構殘余變形反映了結構的損傷程度和變形修復能力［13］.本文采用平均殘余變形率δi，探討框支密肋復合墻結構可修復性能，見表1.從表1可得:試件δi值逐漸增加;在試件達到峰值荷載時，其殘余變形增長速率緩慢;當試件最終破壞時，其殘余變形率仍然沒有達到0.5.說明底部框剪-密肋復合墻結構具有較強的變形恢復能力，最終破壞后的殘余變形較小，結構具有良好的可修復性，且MLB-4的后期修復功能更強.

表1 試件殘余變形率

2.5 框支密肋復合墻結構抗震設計建議

2.5.1 房屋適用高度和高寬比

框支密肋復合墻結構除應參照GB50010—2011《建筑抗震設計規范》要求，結合《密肋復合板結構技術規程》中多層和高層密肋復合墻板適用層數、高度和高寬比的設計，建議底部設置剪力墻的框支-密肋復合墻結構，適用層數、高寬比限值見表2.

表2 框支密肋復合墻結構適用層數及房屋高寬比限值

2.5.2 地震作用

1)高度不超過40 m、以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的框支密肋復合墻結構，可采用底部剪力法進行簡化計算.對于不適合采用底部剪力法計算的結構可采用振型分解反應譜法進行分析.

2)密肋復合墻體砌塊開裂后，砌塊內部裂縫界面摩擦過程會形成較高的阻尼，框支密肋復合墻結構體系在彈性動力分析時的阻尼比仍取0.05.

3 結論

1)底部框剪-密肋復合墻體的破壞形式以上部密肋復合墻體和底部抗震墻破壞為主.底層框支柱和抗震墻鋼筋應變在低周反復荷載作用下主要為受拉應變.密肋復合墻體按照填充砌塊-密肋框格-隱形框架的破壞模式實現分級能量釋放，形成結構的多道抗震防線，結構具備較高承載能力和抗倒塌能力.

2)下部抗震墻的存在，對框支柱起到支撐和約束作用，彌補底部大空間所造成的承載力和剛度降低，避免因底層框支柱變形過大而發生破壞.

3)上部密肋復合墻板采用斜交肋格的構造形式，起到類似桁架的作用，改變傳力途徑，上下層層間位移變形發展更充分且剛度分配更合理.

4)框支密肋復合墻體具有較強變形恢復能力，在最終破壞后的殘余變形較小，結構具有良好的可修復性，斜交肋格構造形式使得結構后期修復功能更強.

［1］梁興文，王慶霖，梁羽風.底部框架抗震墻磚房1/2比例模型擬動力試驗研究［J］.土木工程學報，1999，32(2):14-21.

［2］ LI X J，ZHOU Z H.，YU H Y，et al.Strong motion observations and recordings from the greatWenchuan Earthquake［J］.Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，7(3):235-246.

［3］劉錫軍，鄒銀生.底部兩層混凝土框剪八層磚房模型抗震試驗研究［J］.土木工程學報，2004，37(2):19-22.

［4］葉列平，陸新征.汶川地震建筑震害分析［J］.建筑結構學報，2008，29(4):1-9.

［5］ BARROSO L R， BRENEMAN S E，SMITH H A.Performance evaluation of controlled steel frames under multi-levelseismic loads［J］.Journal of Structure Engineering，2002，128(11):1368-1378.

［6］LEE H S，KO D W.Shaking table tests of a high-rise RC bearing-wall structure with bottom piloti stories［J］.Journal of Asian Architecture and Building Engineering，2002，1(1):47-54.

［7］LIU P，YAO Q F.Dynamic reliability of structures:the example of multi-ribbed composite walls［J］.Structural Engineering and Mechanics，2010，36(4):463-479.

［8］JIA S Z，CAO W L ，YUAN Q.An experimental study of frame-supported multi-ribbed composite walls ［J］.Advances in Structural Engineering，2015，18(4):497-511.

［9］賈穗子，袁泉.近斷層地震動作用下密肋復合墻結構地震反應分析［J］.哈爾濱工程大學學報，2012，33(11):1366-1370.

［10］袁泉，賈穗子.框支密肋復合板低周反復加載試驗［J］.土木工程學報，2014，47(8):20-31.

［11］賈穗子，袁泉.密肋復合墻結構滯回退化參數及耗能減震性能［J］.華中科技大學學報，2013，41(7):32-35.

［12］袁泉，何玉陽.框支密肋復合墻結構模型振動臺試驗研究［J］.振動與沖擊，2014，33(22):72-77.

［13］JGJ 101—1996建筑抗震試驗方法規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，1997.