鋼管混凝土圈梁構造柱約束墻體的抗震性能

安仁兵 張 譽 李天洋

(西南科技大學土木工程與建筑學院 四川綿陽 621010)

砌體結構作為一種傳統而古老的建筑結構形式，因易于就地取材、運輸方便、施工簡單等優點，目前仍被我國村鎮民居大量使用。然而，砌體結構存在抗側移能力低、整體穩定性差等缺點，在歷次大地震中均發生大面積的坍塌[1]。因此，國內外學者提出將鋼筋混凝土框架應用于砌體結構中，形成帶圈梁構造柱約束的砌體結構體系。雖然現澆圈梁構造柱技術能有效提高砌體結構的抗震性能，但在“汶川地震”等震后調研發現，因造價較高、養護周期長以及施工困難等原因，村鎮砌體結構民居中難以采用[2-3]。針對此類問題，課題組提出將鋼管混凝土優良的力學性能運用到砌體結構圈梁構造柱中，省去了模板的支護以及混凝土的養護等工序，縮短了施工工期。為研究鋼管混凝土圈梁構造柱約束磚墻的抗震性能，同時制作相同尺寸的無構造約束黏土磚墻以及傳統鋼筋混凝土圈梁構造柱約束黏土磚墻，通過擬靜力加載試驗，對比分析3片墻體之間的破壞特征，并結合滯回曲線、耗能能力等抗震性能指標對鋼管混凝土圈梁構造柱建造技術作出整體評價。

1 試驗概況

1.1 試件的設計與制作

本實驗以砌體結構中的墻體為研究對象，根據相關實驗規范和研究目的設計制作不同工況的3片黏土磚墻體：無構造約束黏土磚墻(Q1)、帶鋼筋混凝土圈梁構造柱約束磚墻(Q2)和帶鋼管混凝土圈梁構造柱約束磚墻(Q3)。3片墻體試件的幾何尺寸、黏土磚強度、砂漿強度等參數均相同，主要參數見表1。其中，圈梁構造柱截面尺寸均為240 mm×240 mm；方鋼管采用截面尺寸為100 mm×100 mm×2 mm 的Q235-B鋼。根據試驗要求，墻體應砌筑于地梁之上，地梁長3 000 mm，截面尺寸為300 mm×250 mm。試驗所采用的混凝土配合比為：水∶水泥∶砂∶石子=0.38∶1∶1.1∶2.72，制作邊長為150 mm立方體試塊，在自然條件下養護28 d后抗壓強度為30.5 N/mm2。

表1 試件參數Table 1 Parameters of the specimens

試驗墻體的材料與施工工藝全部參考工程實際情況[4]。對于鋼管混凝土圈梁構造柱約束墻體，在地梁與鋼管混凝土柱連接部位設置預埋鋼筋，同時在地梁上部設置與方鋼管同截面的槽溝，保證墻體與地梁的連接可靠。墻體砌筑時，將方鋼管固定于預留位置處，砌塊沿鋼管外壁進行砌筑，達到指定高度后放置圈梁鋼管，并在兩側砌筑豎向砌塊作為填充。砌筑完成后直接在鋼管中澆筑混凝土。混凝土澆筑時應分層下料、分層振搗，每次下料高度不宜大于500 mm；保證澆注密實。鋼管灌注完全混凝土后，在兩側及頂部砌筑磚砌塊，形成整片墻體。鋼管混凝土制作過程如圖1所示。

圖1 Q3墻體制作過程Fig.1 Q3 wall production process

1.2 加載裝置與方式

試驗采用擬靜力方法進行[5]。電液伺服測試系統(MTS)與項目組自行設計的一套夾具相連，實現對墻體的水平反復推拉荷載，墻體布置如圖2所示。正式加載前，首先對墻體試件進行兩次預加載,檢驗墻體是否有側移，底梁固定情況是否良好，觀察連接夾具的鋼筋是否有松弛，地腳螺栓、錨固 螺栓是否有滑扣或松動情況，并檢查各測試儀器、數據采集系統是否能夠正常工作。確認正常后，再對墻體試件正式加載，直至墻體破壞為止[6]。

圖2 墻體布置Fig. 2 The layout of the wall

2 試驗現象及破壞形態

(1)Q1墻體試驗過程與現象。按前述方法進行預加載，待各項指標正常后開始施加低周往復荷載，級差為5 kN每循環。當水平荷載加至25 kN時，墻體產生第一條裂縫，發生在試件左下角砂漿縫處。加載繼續向上增加一級，墻體下部的水平裂縫即刻發展，貫穿整片墻體下部，墻體發生平面內滑移，墻體充分破壞加載停止。最終破壞形態如圖3所示。

圖3 Q1破壞特征Fig. 3 The destructive characteristics of Q1

(2)Q2墻體試驗過程與現象。按前述進行預加載，待各項指標正常后開始施加低周往復荷載，極差為10 kN每循環。加載初期，滯回環呈現明顯的梭形，隨著荷載的增加，墻體伴有咔咔響聲，但墻體未出現明顯的變化特征。在水平推力為100 kN時，墻體右上角出現長度約為10 cm的裂縫，同時左下角也產生些微的水平裂縫。此時改為位移加載，墻體上角裂縫斜向開展，左下角裂縫水平開展，右下角裂縫豎向開展。當位移控制達到8 mm時，墻體裂縫分布面積增多，之前的斜裂縫繼續發展至35 cm，豎向裂縫寬度增加。墻體沿水平方向通縫開裂破壞(圖4)。

圖4 Q2破壞特征Fig. 4 The destructive characteristics of Q2

(3)Q3墻體試驗過程與現象。按前述進行預加載，待各項指標正常后開始施加低周往復荷載，極差為10 kN每循環。當荷載加載至 100 kN，墻體仍未出現裂縫。荷載繼續增加到120 kN時，滯回曲線有所彎折，但墻體仍未有裂縫產生。當荷載加載至130 kN 時，墻體以腳部為軸被抬起，鋼管柱與內部的混凝土柱發生界面剝離。與此同時，墻體左側沿構造柱方向出現豎向裂縫。墻體破壞形式如圖5所示。

圖5 Q3破壞特征Fig. 5 The destructive characteristics of Q3

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

滯回曲線是荷載-位移曲線，是結構試件骨架曲線、剛度退化曲線和能力消耗等抗震性能指標的重要依據[7]。試件滯回曲線如圖6所示。

(1)Q1墻體滯回環僅在前兩級加載中表現出良好的彈性性能，而后滯回環變為弓形，雖未產生肉眼可見裂縫，但滯回環已體現出明顯的殘余變形，荷載加至30 kN，墻體裂縫開始產生，滯回曲線產生更大的位移。相對于其余兩個試件，Q1墻體滯回環圈數較少、包絡面積較小，在墻體荷載達到極限荷載后，墻體承載力立刻大量降低，具有明顯的脆性破壞特征。

(2)Q2墻體的滯回曲線相對飽滿，滯回環面積較Q1墻體明顯增大，在加載過程中形狀由梭形逐漸向弓形轉變。Q2墻體各階段的位移值都顯著高于無約束墻體，表明墻體具有良好的變形性能。鋼筋混凝土圈梁構造柱墻體開裂后，滯回曲線斜率有所下降，但可以看出卸載后試件仍然存在一定的殘余變形。

圖6 試件滯回曲線Fig. 6 Hysteretic loops of specimens

(3)Q3墻體的滯回環的面積顯著高于Q1墻體，滯回環從加載初期開始便呈現出明顯的反“S”形特征，但每一加載循環結束后，墻體的殘余變形較少，墻體表現出良好的彈性變形特征。Q3墻體的極限荷載與極限位移明顯高于Q1以及Q2墻體，變形和耗能能力良好。

3.2 骨架曲線

骨架曲線是把每一滯回環上同向的荷載極值點依次連接形成的包絡曲線，是確定試件承載能力特征值以及延性系數的重要依據[8]。試件的骨架曲線如圖7所示。

圖7 骨架曲線Fig. 7 Skeleton curves

(1)在試件加載初期，3片墻體骨架曲線基本重合，說明3片墻體在彈性階段具有相同的變形協調能力。Q1墻體的加載曲線為直線，說明無構造約束的墻體一裂即壞，表現為明顯的脆性破壞特征。Q2墻體與Q3墻體的曲線走勢基本相同，但在相同荷載下，Q3墻體曲線的斜率低于Q2墻體，即Q3墻體受到與Q2墻體相同的水平作用力時，能夠產生更大的位移，Q3墻體的變形性能優于Q2墻體。

(2)從骨架曲線中提取出的承載能力特征值以及延性系數見表2。可以看出，Q1墻體的屈服承載力與極限承載力接近，說明Q1墻體的屈服階段較短，進一步證明墻體的脆性破壞特征。Q2墻體與Q3墻體的屈服承載力、極限承載力和延性均遠遠高于Q1墻體，且Q3墻體的最終承載能力比Q2墻體提高10.4%，墻體的位移增大了40.7%，墻體的延性也略微高于Q2墻體，表明鋼管混凝土圈梁構造柱墻體具有更好的變形協調能力。

表2 承載能力特征值及延性Table 2 Bearing capacity characteristic value and ductility

3.3 剛度退化

墻體剛度隨著加載循環周數增加而不斷減小的現象稱之為剛度退化，是墻體裂縫的開展以及墻體塑性變形的充分體現[9]。各墻體剛度退化曲線如圖8所示。

圖8 剛度退化曲線Fig. 8 Stiffness degration curves

在3片試驗墻體中，Q1墻體的初始剛度最小，Q2墻體的初始剛度與Q3墻體接近。隨著加載的繼續進行，Q1墻體的剛度迅速退化并最終趨近于零。Q2與Q3墻體剛度經過前幾階的迅速下降后趨于平緩，Q2墻體破壞時的剛度保持在14 929 N/mm；Q3墻體的位移量比Q2墻體大，Q3墻體的剛度隨著位移的增加繼續降低，破壞時的殘余剛度為10 336 N/mm。

3.4 耗能能力

墻體的耗能能力通過能量耗散系數E以及等效黏滯阻尼系數ζeq反應[10](表3)。由表3可以看出，3片墻體的能量耗散指標E以及ζeq均隨著加載次數的增加而逐漸降低，但Q3墻體的變形能在相同加載次數下均大于Q1和Q2墻體，表明此種新型墻體的抗震性能優于傳統砌體墻。鋼管混凝土圈梁構造柱約束墻體的能量耗散系數隨著加載次數的增加下降很快，表明墻體吸收能量主要發生在力施加的前期。

表3 能量耗散指標Table 3 Energy dissipation index

4 結論

(1)鋼管混凝土圈梁構造柱約束墻體裂縫發展較晚，由于在反復推拉過程中構造柱的鋼管與混凝土之間黏結力喪失而產生相對滑移導致墻體破壞，墻體的承載力與極限位移均比傳統圈梁構造柱墻體有所提高。

(2)鋼管混凝土圈梁構造柱約束墻體的加載循環周數較無構造約束磚墻以及傳統圈梁構造柱約束墻體明顯增多，滯回環所包面積相對較大，墻體的耗能能力有所增強。

(3)鋼管混凝土圈梁構造柱技術解決了支模、混凝土養護等施工不便問題，同時有效提高了砌體結構房屋的承載能力和變形性能，適合在設防烈度區域的混合結構農房中采用。