不同軸壓比下HR-EPS模塊剪力墻抗震性能研究

李澤宇， 徐麗麗， 張洪正， 肖瑤， 鄭志遠

（青島理工大學土木工程學院，青島 266033）

0 引言

經濟的快速發展始終伴隨著能源的消耗，其中，建筑耗能約占一次能源消耗的20%～40%，為了貫徹節能發展觀，走持續發展的道路，新型綠色建筑材料成為建筑節能運行重要一環，普通墻體材料已經不能達到要求［1］，故新型墻體逐漸被人們所研發。新型墻體中EPS模塊剪力墻［2］具有優秀的節能減排的能力，其強度高，施工方便而且具有優良的保溫隔熱性。由于HR-EPS模塊剪力墻內設芯肋，導致墻體存在開動，從而影響墻體的抗壓、抗剪及抗震性能，為了使新型墻體在土木領域得到更好運用，眾學者對EPS模塊剪力墻展開一些列試驗研究。國外在1970年左右就出現了EPS模塊的雛形“納士塔（Rastra）”體系［3-6］，1996年加州大學［7］通過對“Rastra”結構體系墻體彎曲試驗，發現隨著荷載增加，墻體未出現脆性，表現出良好的韌性。隨后各國研究發明了多種建筑體系，如德國“Soform”建筑體系、意大利耐泰安建筑體系等［8-10］。目前，國內一些專家對EPS剪力墻已經進行了一系列的研究，李培培等［11］通過對30塊小型EPS模塊和7個EPS模塊剪力墻試驗結合有限元分析的方式，發現了在EPS模塊的抗壓折減系數為0.7條件下，與配筋砌體剪力墻相比，模塊剪力墻具有優良的穩定性和豎向承載力；暴肖飛［12］設計了由配筋率、軸壓比和邊緣約束3個控制條件下的縮尺模塊剪力墻，發現了相較于普通剪力墻提高了剛度和承載力，能夠較好的抵抗地震力；張敏等［13］制作了兩組EPS模塊剪力墻，以高寬比為試驗參數，發現了EPS模塊剪力墻的耗能能力隨高寬比增大而有所提高，且屈服后具有良好的延性性能；宋春玲［14］針對不同條件墻體的豎向承載力試驗，對比分析了HR-EPS剪力墻和普通剪力墻受力及破壞形式。

國內外對足尺HR-EPS剪力墻的抗震性能研究較少。文中采用試驗研究和有限元模擬相結合的方式，對足尺HR-EPS模塊剪力墻在以軸壓比為變量影響下的抗震性能進行研究，對加載過程中墻體的破壞模式、耗能能力等進行分析，為模塊剪力墻在建筑領域的應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 HR-EPS模塊剪力墻簡介

EPS模塊是由聚苯乙烯珠粒（石油中所提煉的白色污染物之一）經過高溫和加熱處理發泡，由專業的器械按照一定模數和尺寸一次加熱成型的塑料建材。EPS模塊類型主要分為空腔模塊和平板模塊以滿足在建筑施工過程中所面對的不同要求［15，16］。

HR-EPS模塊剪力墻是由空腔構造模塊經積木式錯縫搭接成空心墻體，在限位槽內鋪設鋼筋和澆筑混凝土，之后養護成型與模塊表面燕尾槽結合，形成的保溫-承重一體化墻體。與傳統剪力墻相比，具有良好的保溫、防火及抗震等性能，且易于施工，降低人力資源。

1.2 試件設計與制作

試驗設計制作了2個不同軸壓比足尺HR-EPS模塊剪力墻試件，軸壓比設計值分別為0.2、0.3。選用C30混凝土，在進行了多次坍落度試驗之后得到的澆筑配合比見表1。

表1 C30混凝土配合比 kg/m3

鋼筋選用HRB400級，直徑為8mm，鋪設方式采用雙排，橫向和豎向的鋼筋間距分別為300、200mm，豎向鋼筋的上端插入加載梁，下端插入底座。試件設計見表2，具體尺寸及配筋見圖1。

表2 試件設計

圖1 MSW-1/2尺寸及配筋（單位：mm）

1.3 測點布置

試驗采用4個位移計與DH3816數據采集儀相連，用于量測加載過程中底座的穩定性如水平滑移、扭轉和轉動，同時為后續試驗提供相應數據，位移計測點布置如圖2所示。

圖2 位移測點布置

1.4 加載裝置與制度

試驗采用“建研式”加載裝置［17］進行加載。墻體中心部位作為加載點，水平力由固定在反力墻上的液壓伺服作動器通過L梁提供；豎向力由固定在橫梁上的液壓千斤頂提供，具體裝置如圖3所示，試件加載方位如圖4所示。

圖3 加載裝置示意

圖4 試件加載方位（單位：mm）

試驗加載通過位移控制。首先，對試件進行預加載，消除內部不均勻性并確認裝置能夠正常有序的運行；其次，對試件正式加載，屈服之前設置2mm作為加載位移級差，每級循環1次；試件屈服之后，以屈服位移Δy的整數倍進行加載，每級循環3次，當水平力承載力快速降低至其荷載極值點的85%以下，停止試驗，即認為所測試件破壞。加載制度如圖5所示。

圖5 低周反復加載制度

2 試驗結果及其分析

2.1 試驗現象

對試件MSW-1：進行預加載，將設定軸壓比為0.2的1002.18kN的豎向力加到橫梁上，保持恒定。加載第1級循環和第2級循環時，試件未出現裂縫；3級循環時，在9號和10號洞口之間產生第一條長度約10cm的水平裂縫，水平力為125.68kN。4、5級循環時，在洞口附近墻肢處、混凝土處逐漸產生10～15cm左右的裂縫。6級循環時，墻體上的裂縫顯著增加，部分裂縫貫通，端柱上開始出現多條細微裂縫，試件開始屈服，屈服位移Δy為12mm。

屈服后，以Δy為加載增量，水平和斜裂縫逐漸向原裂縫發展的方向加長，在端柱中間出現新裂縫，并且與原有裂縫相互貫通，形成一條大裂縫；加載到2Δy時，裂縫快速向兩側發展并形成“八”字形裂縫，伴有混凝土壓碎的聲音；加載到5Δy時，貫通的裂縫將混凝土模塊切割成類似于菱形的區域，與此同時，混凝土脫落形成墻洞，并出現露筋現象，當開始反向加載時，墻體上出現崩裂的聲音，核心處的混凝土開始脫落，水平力承載力快速下滑，等達到其峰值荷載的85%時，結束試驗。

圖6 MSW-1試件整體破壞

對試件MSW-2進行預加載，將設定軸壓比為0.3的1499.63kN的豎向力加到橫梁上，保持恒定。加載第2級循環，在試件的北側面洞口之間出現首條水平裂縫，大約長為11cm。此后3～5級循環時，陸續出現一些水平裂縫、斜裂縫和豎向裂縫，部分裂縫發生貫通現象；6級循環時，水平力的逐漸增大，混凝土出現脫落的現象，試件開始屈服，屈服位移Δy為12cm。

屈服后，以Δy加載，舊裂縫開始往端柱上延伸，水平裂縫的數量逐漸增多；加載到2Δy時，新裂縫逐漸延伸到老裂縫處，且伴有噼里啪啦聲，混凝土輕微脫落，此時鋼筋的最大應變值達到1854；加載到4Δy時，裂縫開始延伸、擴展加寬，形成“八”字形裂縫或者在洞口處貫穿，模塊間交叉的斜裂縫將剪力墻分成類似于菱形的區域；加載到5Δy時，端柱附近混凝土斜裂縫越來越多，塊狀和粉末狀混凝土脫落嚴重，形成孔洞，端柱底部的裂縫與洞口處裂縫連接到一起。水平力承載力快速降低至其荷載極值點的85%以下，結束試驗。

圖7 MSW-2試件整體破壞

2.2 滯回曲線

滯回曲線［18］是衡量結構抗震性能的一個依據，也是確定地震反應分析的重要指標。試驗得到的滯回曲線如圖8所示。

圖8 滯回曲線

對比分析圖 8（a）和圖 8（b），可以發現，試件MSW-1有較明顯的“捏攏”現象，是由于軸壓比較小，耗能能力稍弱；隨著軸壓比提高，試件的承載能力提高，極限位移下降，但曲線的變化幅度不明顯。

由圖8可知，加載初期，試件處于線彈性階段，變形較小，隨著力的緩慢增加，曲線的斜率開始傾斜，表明試件的剛度有所退化；荷載繼續增加，裂縫的數量逐漸增多，損傷慢慢累積，試件循環承載力發生明顯降低，滯回環的面積變小，HR-EPS模塊剪力墻試件的耗能能力降低。

2.3 骨架曲線

骨架曲線［19］是通過連接滯回曲線上每級荷載首次循環的峰值點所形成的包絡曲線，能夠準確反映試件在各階段的受力情況和強度衰減變化。試件骨架曲線如圖9所示。

圖9 骨架曲線對比

由圖9可知，加載前期，墻體處于線彈性階段，曲線大致為直線，當荷載繼續增大，試件裂縫慢慢開展，骨架曲線開始水平傾斜，試件整體剛度降低；加載后期，骨架曲線呈現下降趨勢，此時試件仍保持較好的塑性，表明試件具有良好的吸能能力。對比分析兩個不同軸壓比試件，發現軸壓比越大，骨架曲線斜率較大，荷載達到極限值后，承載力衰減的速度加快，延性較差。

2.4 位移延性

位移延性［20］也是衡量構件抗震性能的一個指標，可以清楚地顯示構件后期變形性能；位移延性系數μ是指試件破壞時的位移與屈服時的位移比值，計算公式如下［21］：

試件的位移延性系數如表3所示。

表3 試件的位移延性系數

由表3可知，HR-EPS模塊剪力墻的延性系數較高，表明試件模塊剪力墻在往復循環加載的作用下具有良好的延性，即剪力墻擁有較好的變形性能。

相同條件下，軸壓比大的構件延性較差，其原因是由于提高軸壓比會使構件截面的受壓區高度變大，從而構件強度增大，墻體的變形能力會隨著強度的提高而減小，故延性會有所降低。

2.5 剛度退化

試驗試件的剛度退化曲線，如圖10所示。

圖10 剛度退化曲線

由圖10可知，試件剛度整體呈下降趨勢，不同的加載階段，剛度的下降速率不同。試驗加載前期，墻體處于彈性階段，剛度退化較慢，隨著荷載增加，開始出現裂縫，試件剛度退化速度加快，直到加載到極限承載力時，剛度退化速度才有所回降。

當試驗進行到開裂階段時，隨著逐漸增大水平力，加快了試件剛度退化速度，此時試件墻體的變形能力較弱；當試件屈服之后，隨著水平荷載的增加試件剛度退化速度變慢，此時試件的變形能力較強。

對比發現，較大軸壓比的試件MSW-2在加載的前期剛度退化速度比MSW-1試件稍快；到達極限荷載后，試件MSW-1剛度退化速度變緩，是由于小軸壓比試件在前期的往復循環加載時逐步累積的損傷較低，從而剛度退化速度較慢。

2.6 耗能能力

結構的耗能能力對抗震性能的影響非常重要，通常以滯回曲線所包圍的面積來衡量，目前，工程抗震采用由Jacobsen在1930年提出的等效粘滯阻尼系數he來作為衡量耗能能力的一個重要參數。計算公式如下：

式中，SABC+SCDA為滯回環面積；SOBE+SODF為試件峰值荷載組成的三角形面積。

通過對墻體在往復荷載作用下等效粘滯阻尼系數的計算，分析得到了，試件屈服前，he=0.049～0.067，此時軸壓比對試件耗能能力影響不大；試件屈服后，he=0.059～0.107，耗能能力增強。并且等效粘滯阻尼系數隨著軸壓比增大而增大，是由于墻體的軸壓比較大時，開裂受到抑制，開裂面上的摩擦作用力增強，從而耗能能力增加。

3 HR-EPS模塊剪力墻有限元模擬分析

文中利用ABAQUS有限元分析軟件對軸壓比0.1～0.4模塊剪力墻進行力學模擬分析，選用彈塑性理論模型和Embeded方法分別定義模塊剪力墻的混凝土模型和鋼筋模型，與試驗結果進行對比，驗證試驗數據的可行性。

3.1 模擬結果對比分析

由圖11可知墻體應力變化情況。不均勻應力分布主要集中在EPS模塊剪力墻的上部和中部，洞口處受力較大，同時，墻體中部靠近端柱區域斜裂縫較多，裂縫貫通后，混凝土退出工作，墻體上部的彎剪斜裂縫貫通，剪切斜裂縫將墻體中間層模塊剪斷，墻體破壞特征與試驗現象較吻合。

圖11 墻體應力分布云圖

3.2 滯回曲線

通過ABAQUS模擬往復荷載作用下墻體的破壞形態，分別得到了不同軸壓比試件的滯回曲線，如圖12所示。

由圖12可以看出，MSW-1和MSW-2模擬所得滯回曲線與試驗所得兩試件的滯回曲線相比，總體相差不大，故可以采用進行模擬分析。

圖12 滯回曲線

對比圖8和圖12可知，MSW-3和MSW-4在一定程度上增加軸壓比，增大了滯回環的包絡面積，使之像一個飽滿的梭形，墻體構件的耗能能力增強，是由于增大軸壓比，豎向荷載增加，對墻體上面新裂縫的出現和老裂縫的擴展延伸有效產生抑制作用，增加了裂縫之間混凝土的摩擦作用力，進而提高了試件的耗能能力。

3.3 骨架曲線

由圖13可知，軸壓比從0.1～0.4的變化中，試件的水平承載力呈現出先上升后下降的趨勢，MSW-2（0.3軸壓比）試件相較其他試件具有較大水平承載力，說明一定范圍內提高軸壓比可以提高極限承載力，若超過這一限值，豎向應力逐漸占據主導的地位，使破壞形成一定的脆性。

圖13 模擬骨架曲線

由圖14可知，模擬的骨架曲線圖和試驗骨架曲線圖相比，包絡面積要大，但極限承載力要小，總體來看兩者的變化規律較為相似。

圖14 模擬與試驗骨架曲線對比

4 結語

通過試驗和模擬所得數據的分析研究，得到以下結論：

（1） 不同軸壓比試件的破壞形態基本一致，試驗過程中，墻體中間靠近端柱的受拉區先出現裂縫，一定范圍內增大軸壓比，會抑制墻體水平裂縫的發展，對剪力墻的耗能能力和剛度均有所改善。

（2） 試驗和模擬所得試件的滯回曲線均比較飽滿，骨架曲線表明在不同受力階段強度衰減較緩慢，說明足尺的HR-EPS剪力墻具有良好的吸能能力。

（3） 適當增大墻體的軸壓比，可以在一定程度上使試件的極限承載力有所升高，提高墻體的水平承載力，從而增強墻體的抗震性能，但存在某一限值時，墻體破壞具有一定的脆性。

（4） 位移延性系數均接近于5.0，表明HR-EPS模塊剪力墻具有優良的延性，即剪力墻變形性能較好，抗震效果更加優良。