（工程力学专业论文）框支密肋复合墙梁试验研究及竖向荷载作用下的受力性能分析.pdf

西安建筑科技大学硕士学位论文 框支密肋复合墙梁试验研究及竖向荷载作用下的受力。陛能分析 专业：工程力学 硕士生：张冬菊 指导教师：赵冬教授 两要 密肋墙板结构作为一种新兴的结构体系，有着良好的受力和抗震性能，有 广阔的应用和推广前景。本文以底部大空间框支密肋壁板结构中重要的承力构 件框支密肋壁板结构墙梁为研究对象，对其受力性能进行研究。 本文首先进行了四榀大比例两跨框支密肋壁板结构墙梁模型的伪静力试 验，研究了框支密肋壁板结构墙梁在竖向荷载作用下的受力性能和组合作用， 以及在竖向和水平荷载共同作用下的破坏过程及其破坏形态、承载能力、变形 性能、滞回延性、抗倒塌能力等抗震性能，探讨了墙梁跨长比、托梁高跨比及 墙体开洞等因素对框支密肋壁板结构墙梁受力性能的影响。 其次，采用实体单元模拟混凝土及砌块、杆单元模拟钢筋，运用等向强化模 型与w i l l i a m w a r n k e 五参数破坏准则建立了框支密肋壁板结构墙梁的非线性有 限元分析模型，主要研究框支密肋复合墙梁在竖向荷载作用下的应力分布，并 就试验结果与有限元分析结果进行对比分析。通过竖向荷载作用下的非线性有 限元分析，较为真实地模拟了框支密肋壁板结构墙梁的应力分布，以及墙梁跨 长比、托梁高跨比、墙体开洞等因素对其应力分布的影响。 最后，在试验研究及有限元分析的基础上，研究了框支密肋壁板结构墙梁 的受力机理。研究分析表明，框支密肋复合墙梁的受力性能较好，是一种理想 的组合构件。 关键词：框支密肋壁板结构框支密肋复合墙梁试验研究受力性能分析 + 本研究为国家“十五”科技攻关课题资助项目( 2 0 0 2 b a 8 0 6 8 0 5 ) 陕西省自然科学基金资助项目( 陕科 2 0 0 4 1 6 8 号) 西安建筑科技大学硕士学位论文 t e s ts t u d yo nf r a m e - s u p p o r t e dm u l t i - r i b b e dw a l lb e a ma n d m e c h a n i c a la n a l y s i su n d e rv e r t i c a lf o r c e m a j o r , m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h a n gd o n g j u m e n t o r ：p r o f z h a od o n g a b s t r a c t a san e ws y s t e mo fs t r u c t u r e ，m u l t i r i b b e dc o m p o s i t es l a bs t r u c t u r ei sc h a r a c t e r i z e db y e x c e l l e n tm e c h a n i c a la n dr e s i s t i n ge a r t h q u a k ef o r c ec a p a c i t y m u l t i - r i b b e dc o m p o s i t es l a b s t r u c t u r ei sw o r t ho fs p r e a d i n gw i d e l yw h i l et h es t u d yo ft h i ss y s t e mi nb u i l d i n g sw i t hl a r g e s p a c ea tt h eb o t t o mr e m a i f l sb l a n k t h ed i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt of r a m e s u p p o r t e dm u l t i r i b b e d w a l lb e a m t h em a i nb e a r i n gm e m b e ri nt h ef h m e s u p p o r t e dm u l t i - r i b b e ds l a bs t r u c t u r ew i t h l a r g es p a c ea tt h eb o s o m ，a n dm a i n l ys t u d i e si t sl o a d - b e a r i n gp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，t h ep s e u d o - s t a t i ce x p e r i m e n t so ff o u rl a r g e - s c a l em o d e l so ff r a m es u p p o r t e d m u l t i r i b b e dc o m p o s i t es l a bs t r u c t u r ea r ed o n e t h el o a d b e a r i n gp e r f o r m a n c ea n dc o m p o s i t e a c t i o no ff s m r w bu n d e rv e r t i c a l l o a da r ee x p l o r e d ，t h e nt h ef a i l u r ep r o c e d u r ea n dt h es e i s m i c p e r f o r m a n c e su n d e rb o t hv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ll o a d ，s u c ha sf a i l u r em o d e ，b e a r i n gc a p a c i t y ， d e f o r m a t i o nf e a t u r e s ，h y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i ca n da n t i - c o l l a p s ep e r f o r m a n c e ，a r es t u d i e d t h e s t u d yc o n s i d e r e ds u c hf a c t o r sa ss p a n - t o s p a n ，h e i g h t - s p a nr a t i oo f t h eb e a m ，a n dc a v i t ye t c s e c o n d l y , t h r o u g hs i m u l a t i n gc o n c r e t e a n db l o c k sw i t hs o l i de l e m e n t ，b a r sw i t hl i n k e l e m e n t ，a n du s i n gi s o t r o p i ch a r d e n i n gm o d e la n dw i l l i a m w a m k ef i v e - p a r a m e t e rf a i l u r er u l e ， t h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i sm o d e lo ff s m r w bi ss e tu p ，w h o s er a t i o n a l i t yi s c e r t i f i c a t e db ye x p e r i m e n t a ld a t a t h r o u g ht h en o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n a l y s i su n d e r v e r t i c a ll o a d ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ei n f l u e n c eo fs p a n t o s p a nr a t i oo ft h ew a l lb e a m ， h e i g h t t o - s p a nr a t i oo ft h et r i m m e rb e a m ，a n dt h eo p e n i n gi nt h ew a l l ，a r es i m u l a t e d a n dt h e d i s t r i b u t i o np r o p o r t i o no fv e r t i c a ll o a di nd i f f e r e n tm e m b e r so ft h em u l t i - r i b b e dc o m p o s i t ew a l l i so b t a i n e d l a s t ，a u t h o rd r e wt h ec o n c l u s i o no ft h ef s m r w bp e r f o r m a n c eu n d e rv e r t i c a lf o r c e a l li n a 1 1 f s m r c w bi ss u p e ro na s e i s m i cp e r f o r m a n c ea n da ni d e a ls t r u c t u r e k e y w o r d s ： f r a m e - s u p p o r t e d m u l t i r i b b e d c o m p o s i t e s l a bs t r u c t u r e f r a m e - s u p p o r t e dm u l t i - r i b b e dc o m p o s i t ew a l lb e a m t e s t s t u d y m e c h a n i c a l a n a l y s i s + t h es t u d yi ss p o n s o r e db yt h et e n t h5 - y e a rk e yt e c h n o l o g i e sr & dp r o g r a mf 2 0 0 2 b a 8 0 6 8 0 5 1 s h a n x ip r o v i n c en a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 2 0 0 4 1 6 8 ) 声明 x 9 7 0 0 2 , 2 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：认冬筠 日期：二2 0 0 6 、牛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：旅答萄导师签名：蔓力么l 目期：泖6 4 - 注；请将此页附在论文首页。 # 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 近年来，随着我国经济建设的发展和人们生活水平的提高，现代建筑向着 多功能、综合用途的方向发展，目的在于为人们提供更好的生活环境和工作条 件。在同一座建筑中，沿房屋高度方向建筑功能往往要发生变化，上部楼层布 置住宅、旅馆，下部楼层用作商店、餐馆和文化娱乐中心。同时，由于对住宅 小区环境质量要求的提高，使得建筑的底层有必要设计成开放式的空间，这不 仅可以改善房屋之间空气的流通条件和居住质量，而且可避免房屋底层潮湿、 采光和冬天日照较差的情况，同时增加了小区的公共活动空间，改善了居民之 间的交流条件。这种不同用途的功能需要采用不同的结构形式。 从建筑使用功能上来看，上部楼层房间较小，需要布置较多的墙体；而下 部楼层为公用部分，则要求有尽可能大的自由灵活空间。从结构受力上看，由 于下部楼层受力较大，上部楼层受力较小，正常的结构布置应是下部刚度大， 墙体多，到上部逐渐减少墙体的数量。这样，结构的正常布置与建筑功能对空 间的要求正好相反( 图1 1 ) 。因此，为满足建筑功能的要求，结构必须进行“反 常规设计”，即将上部布置小空间，下部布置大空间；上部墙体布置较多、刚度 较大，下部墙体布置较少、刚度较小。这种底部大空间房屋建筑在结构转换的 楼层设置有水平转换构件，即转换层结构( t r a n s f e rf l o o rs t r u c t u r e ) 。可以说， 这类建筑已成为现代建筑发展的一大趋势，尤其是现代大中城市用地紧张以及 复杂的立体交叉更是如此。但由于底部大空间房屋结构的“反常规性”，使得其 上部 下部 旅馆、住宅 ( 小空间) 商业、文娱 ( 大空间) ( a ) 结构的正常布置( b ) 建筑功能对空间的要求 图1 1 多功能建筑中结构正常布置与建筑功能的矛盾 西安建筑科技大学硕士学位论文 受力异常复杂，从而给其结构设计带来一系列问题。因此，如何解决好底部大 空间房屋结构，使其既能满足建筑使用功能的要求，又能保证结构的安全可靠、 经济实用，一直倍受科研人员与工程技术人员的关注。 1 2 底部大空间房屋结构研究概况 1 2 1 底部框架一抗震墙砌体结构 底部框架一抗震墙砌体结构是指底部一层或两层为大空间的框架一抗震墙 结构、上部为多层砌体结构的房屋，其中底部抗震墙可以根据房屋的设防烈度 和层数的不同相应地选用砌体墙( 包括烧结普通粘土砖砌体、烧结多孔粘土砖 砌体和混凝土小型空心砌块砌体等) 、钢筋混凝土墙或两者兼用。 底部框架一抗震墙砌体结构房屋为混合承重结构，具有比全框架结构经济 ( 在相同使用功能条件下可节约造价( 2 5 3 0 ) n ( n + 2 ) ，n 为砌体层的层数) 和 施工简单的优越性，因此是一种适合我国国情特点的房屋结构形式，在城市繁 华地段的临街建筑和居民住宅小区的带商店建筑中使用较多，在经济欠发达的 中西部地区尤为适用。 但是，底部框架一抗震墙砌体结构房屋仍属于砌体房屋的范畴，由于砌体 是一种脆性材料，其抗拉、抗弯、抗剪强度均很低，因此未经过合理抗震设计 的底部框架一抗震墙砌体房屋的抗震能力和抗震性能均较差，大量的试验研究 和历次的地震震害也证实了这一点。在唐山地震中，位于高烈度区的底层框架 一抗震墙砌体房屋均发生了严重破坏，个别房屋倒塌，人民的生命财产遭受了 严重损失。 由于砌体结构自身的局限性，底部框架一抗震墙砌体结构房屋存在的一些 问题：如房屋的底部与上部所用材料不同，底部为钢筋混凝土材料，变形较大， 属“延性”材料，上部主要是用砂浆、粘土砖或砌块砌筑而成的砌体材料，变 形能力较差，属“脆性”材料，而且底部是由框架和一定数量的抗震墙组成的 框剪体系，上部是开间较小的砌体抗震墙体系，虽然砌体的弹性模量较钢筋混 凝土小很多，但一般来说，墙体数量很多，这就导致了结构沿竖向上刚下柔， 在水平地震作用下，底部易成为薄弱层，产生变形集中。反之，若底部过于刚 强，则砌体过渡层将成为薄弱层。另外，砖砌体自重大而强度低，地震作用下 会产生很大的地震效应，更加重了结构的震害。因此，抗震规范对底部框架一 抗震墙砌体结构房屋的总高度和层数作了严格限定，使它的应用受到很大限制。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 2 底部框架一抗震墙组合砌体结构 底部框架一抗震墙组合砌体结构房屋是指底部一层或两层为大空间的框架 一抗震墙结构、上部为钢筋混凝土一砌体组合墙结构的房屋。钢筋混凝土砌 体组合墙结构是在约束砌体的基础上发展起来的种集中配筋砌体结构，也叫 “加密柱砌体”或“组合砌体”。它除了在墙端柱和楼盖处设置圈梁外，又增设 了墙中柱和配筋带；钢筋混凝土圈梁和柱子通过一定的连接方式( 如马牙磋、 拉结筋或异形柱等) 与砌体现浇。这些附加构件和构造措施对砖墙不再象构造 柱一样仅仅起到约束作用，它们与砌体组合成整体，共同承载。 研究表明，钢筋混凝土一砌体组合墙结构的抗震性能和承载能力较砌体结 构有所改善，相应地，底部框架一抗震墙组合砌体结构房屋可以突破现行规范 对于底部框架一抗震墙砌体结构房屋的层数和高度限制，而且其工程造价仍较 钢筋混凝土全框架结构和底部大空问剪力墙结构低。 但是，底部框架一抗震墙组合砌体结构房屋仍然属于砌体结构，除抗震性 能比底部框架一抗震墙砌体结构房屋有所改善外，还是具有砌体结构房屋的其 它缺点，如施工繁杂且工业化程度低，并且砖墙体仍要挖土毁田、能耗大。同 时，底部框架一抗震墙组合砌体结构房屋的研究目前只停留在概念上，主要是 套用底部框架一抗震墙砌体结构房屋的设计理论，理论研究还不是很完善；对 于组合砌体墙梁，目前尚不能确定其具体的计算方法和设计公式。 1 2 3 框支剪力墙结构 框支剪力墙结构房屋是指底部一层或几层为大空间的框架或框架一剪力墙 结构、上部为剪力墙结构的房屋。起初，这种房屋的底层采用纯框架结构，即 底部的竖向荷载和水平荷载全部由框架的梁柱来承受。这种结构的侧向刚度在 转换层楼盖处发生突变。震害表明，在地震作用冲击下，常因底部框架刚度太 弱、侧移过大、延伸性差以及强度不足而引起破坏，甚至导致整栋建筑物的倒 塌，因而，近年来，这种底部为纯框架的剪力墙结构在地震区已很少采用。为 了改善结构的受力性能，提高建筑物的抗震能力，在结构的平面布置中可以将 一部分剪力墙落地，并贯通至基础，称为落地剪力墙；而另一部分剪力墙则在 底部改为框架，称为框支剪力墙。这样，在水平力作用下，便形成落地剪力墙 与框支剪力墙协同工作的体系：借助于框支剪力墙，可以形成较大的空间；依 靠落地剪力墙，可以增强和保证结构的抗震能力。 框支剪力墙结构房屋能突破底部框剪砌体结构房屋的层数和高度限制，适 应于底部大空间的高层建筑。而且框支剪力墙结构房屋属于钢筋混凝土结构房 屋，其抗震性能优于底部框架一抗震墙砌体结构房屋。 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 3 框支密肋壁板结构的提出 1 3 1 密肋壁板结构研究概况 密肋壁板结构体系( m u l t i r i b b e ds l a bs t r u c t u r e ) 是由预制的密肋复合墙板、现 浇的隐形框架和楼板组合而成的一种新型结构体系。其结构构造如图1 2 所示。 密肋复合墙板是由截面及配筋较小的钢筋混凝土肋( 肋梁和肋柱) 构成框格， 内嵌加气混凝土砌块( 或其他具有一定强度的轻质骨料砌块) 预制而成的板式 构件，是密肋壁板结构的主要受力构件之一。隐形框架是由钢筋混凝土边框柱、 连接柱及暗梁组成的空间框架，约束密肋复合墙板，并与之共同受力。连接柱 是布置在门窗洞口边或墙板之间、主要起连接作用的小截面柱，与墙板等厚， 截面高度一般在4 0 0 r a m 以内。由密肋复合墙板与边框柱、连接柱及暗梁组合的 墙肢或墙段称为密肋复合墙体。 密肋复合墙板使用密布的肋梁、肋柱及内嵌轻质砌块形成整体墙板，墙板 又与隐形框架整浇为一体，形成一个完整的受力体系。在水平荷载作用下密肋 复合墙板与隐形框架共同工作，墙板方面受到框架的约束，另一方面又对框 架进行反约束，两者相互作用、共同受力、充分发挥各自性能。因此，密肋复 合墙板在密肋壁板结构中不仅起围护、分隔空间和保温作用，而且与隐形框架 一起承担结构的竖向及水平荷载。另外，砌块由于受到框格( 包括肋格和外框) 的约束，其裂缝被限制在一定范围之内，在反复荷载作用下，墙板在一方向荷 载产生的裂缝在反方向加载时将趋于闭合，并能继续有效地承受荷载，这首先 使得砌块有效参与试件的抗侧力体系成为可能，不仅墙体承载能力不会明显降 低，而且可以提高墙体的抗侧刚度；其次，由于众多砌块在约束条件下的开裂 与非弹性变形，类似一耗能装置，可吸收及耗散大量地震能量，从而有效地提 高了结构的变形能力和延性。 西安建筑科技大学硕士学位论文 密肋壁板结构的一个重要特点是形成其承力体系的三部分构件( 砌块、框 格及框架) 能够分阶段释放地震能量。地震是一种随机过程，当建筑结构的自 振周期与场地的地震动卓越周期接近时，结构易发生共振破坏而造成人民生命、 财产的严重损失。一次大地震中，能造成建筑物破坏的场地地震动强震持续时 间少则几秒，多则几十秒甚至更长，这样长时间的地震动使强脉冲一个接一个 的对建筑物产生多次往复式冲击而造成结构的累积破坏。如果是单一结构体系， 仅有一道抗震防线，一旦结构发生破坏，接踵而来的持续地震动就会促使建筑 物倒塌；如果结构具有多重抗侧力体系，作为第一道防线的抗侧力构件在强烈 地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替， 抵挡后续地震动冲击，可保证建筑物最低限度的安全，使其免于倒塌。对于建 筑物来说，最大的危害莫过于结构的自振周期与场地的卓越周期相近而导致的 结构共振，因为地震动的能量巨大，建筑物要么避开场地的卓越周期而尽量少 吸收地震能量，要么依靠内部阻尼机制和整体或局部的大变形来耗散地震能量。 对于具有多重抗侧力体系的结构，当其遇到场地卓越周期与其自振周期相同或 相近的地震动时，结构能自动以作为第一道防线的抗侧力体系的破坏为牺牲， 使结构的自振周期出现较大变动从而缓解共振现象，减轻地震动的破坏作用， 而第二道和第三道防线的抗侧力体系仍能保证结构安全。密肋壁板结构适应了 这种多道防线与智能避免共振的理论，是一种性能优越的新型抗震体系。 前期已进行了大量的试验研究，其中包括6 层大开问1 2 比例房屋模型试验、 1 2 层1 3 比例房屋模型拟动力和伪静力试验、1 0 层1 1 0 比例房屋模型模拟地震 振动台试验、l o 层1 3 比例房屋模型拟动力试验以及大量大比例墙板试验等， 并在此基础上进行了细致的理论研究。研究表明，密肋壁板结构自重较轻，抗 震性能好，结构适应性强，节能效果佳，产业化程度高，施工速度快，经济效 益及社会效益明显，具有广阔的应用发展前景。 1 3 2 框支密肋壁板结构 框支密肋壁板结构的底部采用大空间的框架一抗震墙结构、上部采用密肋 壁板结构。由于密肋壁板结构自重轻，整体性好，具有较高的承载能力及耗能 能力，而且其墙体承载力和刚度可根据设计具体情况进行调整，因此框支密肋 壁板结构可实现底部大空间房屋结构的竖向刚度协调，减轻地震震害，提高结 构的整体抗震能力。 目前对于密肋壁板结构中的基本受力构件一密肋复合墙板的理论研究还不 够成熟；对于密肋壁板结构的系统理论研究也还欠完善；密肋壁板结构在底部 大空间房屋的应用研究尚属空白。因此，为了进一步完善密肋壁板结构这一新 型结构体系，充分发挥该结构的优越性，有必要对框支密肋壁板结构进行进一 西安建筑科技大学硕士学位论文 步的分析研究。 框支密肋壁板结构墙梁是这种结构中主要的承力构件之一，它要承受墙体 自重及几层楼盖和屋盖等传来的荷载，它的设计合理与否关系到整个结构的安 全性和经济性。因此，墙梁受力性能及设计计算方法的研究是框支密肋壁板结 构研究的关键环节，应首先对框支密肋壁板结构墙梁进行深入系统的研究。 1 4 本文主要工作 结合前期的实验和理论研究成果对该新型结构的框支密肋壁板结构墙梁的 受力性能进行探讨。研究的主要内容为： 1 、进行了四榀大比例两跨框支密肋壁板结构墙梁模型的伪静力试验，研究 了框支密肋壁板结构墙梁在竖向荷载作用下的受力性能和组合作用，以及在竖 向和水平荷载共同作用下的破坏过程及其抗震性能； 2 、采用实体单元模拟混凝土及砌块、杆单元模拟钢筋，建立了框支密肋壁 板结构墙梁的非线性有限元分析模型，对试件模型进行了竖向荷载作用下的非 线性有限元分析，并利用试验数据验证了模型的合理性： 3 、在试验研究及有限元分析的基础上，研究了框支密肋壁板结构墙梁的受 力机理。 6 2 1 概述 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 框支密肋复合墙梁试验研究 本试验主要研究框支密肋壁板墙梁在竖向荷载作用下的受力性能，以及在 恒定竖向荷载作用下施加水平低周反复荷载作用时的受力性能和破坏形态： 1 研究框支密肋壁板墙梁在竖向及水平低周反复荷载作用下的受力性能、 变形性能、滞回性能和破坏形态，对框支密肋壁板墙梁的抗震设计提出建议。 2 研究墙梁跨长比1 1 2 、托梁高跨比h b 1 及墙板开洞等因素对框支密肋壁 板墙梁受力性能的影响。 2 2 框支密肋复合墙粱实验研究 2 2 1 实验概况 本次试验共设计了四榀两跨框支密肋复合墙梁试件，四个试件分别编号为： k z m l 一1 ，k z m l 2 ，k z m l 3 ，k z m l 4 。试件的尺寸及配筋如表2 - 1 及图2 - 1 2 - 4 。其中，k z m l 一1 为一两层等跨1 2 比例不开洞模型，k z m l 一2 为一两层不 等跨1 2 比例不开洞模型，k z m l 3 为一两层不等跨1 2 比例开洞模型，k z m l 4 为一三层不等跨i 3 比例不开洞模型。 1 试件制作过程 1 ) 结构制作过程 绑扎底梁、框支柱 钢筋笼骨 筑底梁混 凝土 扎托梁钢筋笼骨，并在托梁中插入上部 肋壁板结构的连接柱纵筋 谶h 吊装墙板顶梁混凝土r 1 吊装墙板 2 ) 复合墙板制作过程： 绑扎肋粱、肋柱钢 筋钢筋笼骨 放置硅酸盐砌 块 7 浇筑框支柱、 托梁混凝土 筑肋梁、肋柱 凝土 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 - 1 试件形式一览表 试件编号缩尺比例构件名称截面尺寸砼强度等级纵筋箍筋 底梁3 0 0 3 5 0 c 3 0 6 d o2 0士6 5 0 1 0 0 框支柱 2 5 0 x 2 5 0 c 2 5 6 中1 4由6 5 0 2 由1 4 托粱1 5 0 3 5 0c 2 52 中1 0由6 5 0 1 0 0 2 由1 2 k z m l 11 ，2 t 形连接柱 2 0 0 2 0 0c 2 51 0 d o6 中4 5 0 1 0 0 + 形连接柱 2 0 0 x 2 0 0c 2 51 2 巾6 巾4 5 0 1 0 0 肋梁、肋柱1 0 0 x5 0 c 2 04 由4 由2 1 0 0 顶梁3 5 0 2 1 0c 2 56 由1 2由6 8 0 底梁3 5 0 x 3 5 0 c 3 0 6 由2 0由6 5 0 1 0 0 框支柱3 0 0 3 0 0 c 3 0 6 中1 6由6 5 0 2 由1 6 托梁 2 0 0 4 0 0c 3 02 由1 0 由6 5 0 1 0 0 k z m l 2 2 中】6 1 2 t 形连接柱 2 0 0 2 0 0c 2 51 0 中6 由4 5 0 1 0 0 k z m l 3 + 形连接柱 2 0 0 2 0 0c 2 51 2 中6 由4 5 0 1 0 0 矩形连接柱1 0 0 1 0 0 c 2 54 由6 由4 5 0 1 0 0 肋梁、肋柱 1 0 0 5 0c 2 04 由4 巾2 】0 0 项梁3 5 0 2 1 0 c 2 56 由1 2 由6 8 0 底梁3 0 0 3 5 0 c 3 06 由2 0 由6 5 0 1 0 0 框支柱 2 0 0 2 0 0c 3 06 由1 4 中6 5 0 2 由1 2 托梁1 3 3 2 6 7 c 3 02 由1 0 由6 5 0 1 0 0 2 巾1 2 k z m l 4】3 t 形连接柱1 3 3 1 3 3 c 2 5 1 0 士5士3 5 0 8 0 + 形连接柱 1 3 3 1 3 3c 2 51 2 ( b5 巾3 5 0 8 0 矩形连接柱7 5 x 6 7c 2 54 由5 巾3 5 0 8 0 肋梁、肋柱 7 5 3 3 ( 4 0 ) c 2 04 由4 由1 6 1 0 0 顶梁3 5 0 2 1 0c 2 56 中1 2 由6 8 0 8 图2 - 1k z m l 1 模型尺寸及配筋图 口团口il 口口口 f 口口口口 _ i 固口固【f 固口固 i 国口口口i 幸昌导 ! 一( 2 3 l 口口口 ! 口固口l ! 口口口口l g 塑函嚣 叫型r 、封墅 二二二二j = 二l 4 0 0 【 图2 - 2k z m l 2 模型尺寸及配筋图 西安建筑科技大学硕士学位论文 5 05 05 0 5 05 05 05 05 01 0 01 0 05 05 05 0 5 0 5 0 图2 - 3k z m l 3 模型尺寸及配筋图 珈l 一j 8 。配s 。3 l , 1 5 垄4 。0 0 蝗4 0 婴3 | 2 5 3 酩s 0 4 1 0 3 i 3 隆烈3 哑3 3 瞠3 到3 堕3 。3 4 【磐 一1 11 1 1 州广1 1 邢i 1 广丌1 圈77 3 3 p - 1 7 0 13 7 1 3 3 圆口 厂 广 口口 剑 一【_ - 1 一 肇 口口习口口口口 口口 口口口口 f 离。 f 商b 轵昌 厂1 阿 厂l 阿 目广 厂 厂一 鼍并一鹭一 _ - l h = ：= _= = = j l j e ：= ! e 型l _ j l _ _ l 一 翔 、irj 吐 刍口口 口巳口口口 掣 罱 口口 口圆 1 【j 【一j 1 一 1 一 简 挚 卜 剑 墼。正孽匹6 (o 带。 上籍“- 叫 星门j 雪 1 0 c 一 删 5 0o l o n 4 0 0 2 0 0 0n i1 3 0 0 4 0 0 l j 4 3 3 图2 4k z m l 4 模型尺寸及配筋图 0 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 相似关系 表2 - 2 相似关系表 项目 材料特性e ；g ：“长度 面积位移应力力 1 2 模型1l 21 41 211 ，4 1 3 模型 11 31 91 ，3l1 9 3 。试件材料材性 1 ) 钢筋材性 试件制作时，对每种规格钢筋按标准长度( 4 0 c m ) 各预留三根，试件试验完 毕后，在材料试验机上对其进行受拉材性试验，试验前在钢筋上粘贴电阻应变 片，试验时利用l z 3 3 0 4 型函数记录仪得钢筋的应力一应变曲线，根据此应力 一应变曲线对每种规格的钢筋取平均值，得到其屈服强度、极限强度和弹性模 量，见表2 3 。 表2 - 3 钢筋材性表 规格 屈服强度( m p a )极限强度( m p a ) 弹性模量( m p a ) m23 1 8 中32 8 3 中45 9 7 6 7 1 9 9 5 x1 0 4 巾55 6 0 6 2 1 1 4 9 x1 0 5 由64 1 05 3 12 0 5 1 0 5 中1 04 4 85 1 61 9 9 1 0 5 中1 24 0 05 0 3 1 9 5 1 0 5 中1 4 4 0 55 9 01 9 3 x1 0 5 中1 64 7 36 2 81 9 1 1 0 5 2 ) 混凝土材性 试件制作时，对于每一批混凝土制作三个标准立方体试块f 1 5 1 5 15 c m ) ， 试件试验完毕后，在材料试验机上对混凝土试块进行试验，将试验结果平均得 到混凝土的实际抗压强度，见表2 - 4 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 表2 - 4 混凝土材性试验结果 试件 底框( m p a l墙板( m p a l 连接柱及顶梁( m p a l k z m l 13 4 5 3 1 1 2 6 8 k z m l 23 4 52 3 73 4 7 k z m l 33 2 3 2 8 2 3 4 7 k z m l 43 5 42 9 32 8 9 3 ) 砌块材性 对试验中墙板所用的砌块进行标准强度试验，得到其实际强度，见表2 5 。 表2 - 5 墙板填充砌块材性试验结果 i 抗压强度( m p a ) 棱柱强度( m p a ) 抗拉强度( m p a )弹性模量( m p a ) i 6 55 8 5o 6 52 x 1 0 3 4 加载装置： 竖向荷载用两个千斤顶通过两级分配梁分8 个点施加在试件顶梁上，以模 拟竖向均布荷载；为保证试件侧移不受竖向加载装置约束，在竖向千斤顶与加 载横梁之间装置了滚轴；为保证试件平面外的稳定性，在约3 4 试件总高处设置 了一道侧向支撑，并且在试件与支撑之间设置了滚轴：在试件顶梁中预埋了两 根直径为2 8 m m 的螺纹钢筋，水平反复荷载由一推拉千斤顶通过预埋钢筋传递。 5 加载制度： 先分级旋加竖向荷载至最大值( 5 0 0 k n 左右) ，然后卸载至恒定值( 相当于总 层数为8 层的框支密肋壁板结构房屋的重力荷载代表值) ，开始施加水平荷载， 水平荷载采用荷载一位移混合控制法，试件屈服前采用荷载控制，单调加载，每 级荷载增加】0 k n 2 0 k n ，屈服后采用位移控制，以屈服位移的整倍数控制，循 环加载，每级位移下循环3 次。 6 试验的主要测试内容 1 ) 各层的水平侧移：在各层的托梁、圈梁以及顶梁的中轴线位置布置位移 计； 2 ) 托梁跨中纵筋应变、托梁支座处纵筋和箍筋应变，连接柱、肋梁肋柱纵 筋应变，框支柱端部纵筋应变。钢筋上布置3 5 m m 应变片，应变片布置在距 节点约5 0 m m 处，通过y d 一1 5 型动态应变仪测量钢筋应变； 3 ) 沿框格对角布置拉杆，以测量框格对角变形； 4 ) 沿托梁底面布置百分表，以测量托粱挠度； 5 ) 在两边连接柱外侧设置弦线，以测量连接柱受拉时的轴向变形。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 2 2 试验过程 1 k z m l 一1 加载过程： 1 ) 竖向荷载： 加载至1 2 7 k n ， 加载至1 5 4 k n ， 加载至2 0 9 k n ， 加载至2 6 3 k n ， 加载至3 1 7 k n ， 加载至3 7 2 k n ， 加载至4 2 6 k n ， oo = 0 2 8 9 m p a 。 oo = 0 3 5 0 m p a 。 oo = 0 4 7 5 m p a 。 oo = 0 5 9 8 m p a 。 oo = 0 7 2 0 m p a 。 oo = 0 8 4 5 m p a ， oo = 0 9 6 8 m p a 。 ( oo 为试件墙体顶面的竖向压应力值) 相当于8 层房屋竖向荷载。 加载至4 8 1 k n ，oo = 1 0 9 3 m p a ，相当于1 0 层房屋竖向荷载。 分级卸载至3 3 1 k n ，oo = o 7 5 2 m p a ，相当于8 层房屋的重力荷载代表值。 2 ) 水平荷载： 先单调加载并按荷载控制，分级施加，每级2 0 k n ；屈服后循环加载并按屈 服位移控制，a ，、2 ，分别循环3 次。 破坏过程： 竖向荷载施加过程中，试件未出现裂缝。水平荷载施加过程中，试件各组 成部分出现不同程度、不同形态的裂缝，试件最后因框支柱柱根出现塑性铰而 导致试件变形过大、不宜再加载而终止。 上部结构：水平荷载加载至+ 1 0 0 k n 时，墙体下部砌块出现数条细微斜裂缝， 加载至+ 2 0 0 k n 时，中下层砌块斜裂缝明显增多并有部分延伸至肋梁肋柱；加载 至+ 2 8 0 k n 时，试件屈服，墙与托梁界面开裂并发生明显滑移，加载至+ 3 2 0 k n 时，试件达极限荷载，砌块上裂缝增多、加宽；进入位移循环加载后，砌块在 拼缝处有轻微剥落，左跨左连接柱根部出现两条水平裂缝。由于密肋复合墙体 与托梁之间共同工作，以“拱”机构来承担竖向及水平荷载，所以墙体的中下 部砌块处于压剪复合受力状态，也因此这里出现了首批斜裂缝；随着水平荷载 的增大，裂缝逐渐扩展到整个墙板并且宽度不断加大；同时，由于砌块的破坏 削b b 了墙板，不断增大的水平荷载引起的弯矩在连接柱跟部导致了水平弯曲裂 缝。 托梁：水平荷载加载至+ 1 4 0 k n 时，右跨靠近左支座l 4 处出现道细微竖 向裂缝；水平荷载加载至+ 1 6 0 k n 时，右跨右支座处出现斜裂缝，水平荷载加载 至+ 2 0 0 k n 时，左跨左支座处出现竖向裂缝，随着荷载增加，托梁靠近各支座处 斜裂缝和竖向裂缝都增多、加宽，但跨中附近几乎没有裂缝出现。整个试验过 西安建筑科技大学硕士学位论文 程中，托梁挠度很小。托梁作为“拱”的拉杆，首先出现的是竖向裂缝，但竖 向裂缝比较稳定，宽度不随水平荷载的增大而剧烈变化；同时，由于竖向荷载 向支座聚集，托梁挠度较小，但同时也导致托梁支座附近剪力较大，因而这里 出现了斜裂缝，并且裂缝不断增多、加宽，托梁表现为支座附近截面的剪切破 坏。 柱：水平荷载加载至+ 2 2 0 k n 时，左柱柱根以及中柱节点下出现细微水平裂 缝，随着荷载增加，柱两端的斜裂缝以及水平裂缝都增多、加宽；进入位移循 环加载后，柱子侧移比较大。 图2 - 5k z m l 1 裂缝图 图2 - 6k z m l i 破坏 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 k z m l 一2 加载过程： 1 ) 竖向荷载： 加载至1 2 7 k n ， 加载至1 8 1 k n ， 加载至2 3 6 k n ， 加载至3 0 4 k n ， 加载至3 7 2 k n ， 加载至4 4 0 k n ， oo = 0 2 4 7 m p a 。( oo 为试件墙体顶面的竖向压应力值) on = o 3 5 1 m p a 。 oo = 0 4 5 8 m p a 。 oo = 0 5 9 0 m p a 。 oo = o 7 2 2 m p a 。 on = o 8 5 4 m p a 。 加载至5 0 8 k n ，0o = 0 9 8 6 m p a ，相当于9 层房屋竖向荷载。 逐级卸载至3 8 5 k n ，oo = 0 7 4 8 m p a ，相当于8 层房屋的重力荷载代表值。 2 ) 水平荷载 先单调加载并按荷载控制，分级施加，每级2 0 k n ；屈服后循环加载并按屈 服位移控制，a ，2 a ，3 a ，4 、分别循环3 次。 破坏过程： 竖向荷载加载至最大值5 0 8k n 时，大跨托梁跨中附近出现约1 5 c m 长的竖 向裂缝，宽度约o 0 5 m m 。水平荷载施加过程中，试件各组成构件出现不同程度、 不同形态裂缝，试件最后因上部密肋壁板结构的充分破坏而终止。 上部结构：水平荷载加载至2 0 k n 时，墙板中下部砌块上出现一批裂缝：小 跨底层右边砌块与肋梁界面上出现水平裂缝，中层右边两砌块出现斜裂缝；大 跨中层左边砌块出现数条4 5 。斜裂缝；继续分级施加水平荷载至1 6 0 k n 的过程 中，砌块上的裂缝发展较缓慢，每级只出现二三条；加载至1 8 0 k n 时，小跨砌 块上出现较多斜裂缝；加载至2 0 0 k n 时，大跨砌块上出现较多斜裂缝，之后的 水平荷载施加过程中，砌块上的裂缝发展较快，并延伸至肋梁；加载至4 0 0 k n 时，砌块表面有起皮、轻微。 剥落现象；加载至4 4 0 k n 时，试件屈服，对应位移1 5 m m 。进入位移循环 加载后，砌块开始剥落，随着大位移循环的开始，砌块大面积剥落，大部分形 成孔洞，墙板与连接柱界面完全开裂，连接柱柱根出现两条水平裂缝，右连接 柱裂缝宽度较大约l m m ；中连接柱柱顶和柱根的混凝土都有压酥现象，钢筋压 屈。由于密肋复合墙体与托粱之间共同工作，以“拱”机构来承担竖向及水平 荷载，所以墙体的中下部砌块处于压剪复合受力状态，也因此这里出现了首批 斜裂缝：随着水平荷载的增大，裂缝逐渐扩展到整个墙板并且宽度不断加大， 伴随着大位移循环加载，砌块破坏严重；不断增大的水平荷载引起的弯矩在连 接柱跟部导致了水平弯曲裂缝；砌块的剥落严重削弱了墙板，连接柱也因此破 西安建筑科技大学硕士学位论文 坏较严重。 图2 7k z m l 一2 裂缝图 图2 8k z m l 一2 破坏 托梁：水平荷载加载至2 0 k n 时，大跨左支座截面上边缘出现一条竖向裂缝： 加载至2 0 0 k n 时，小跨右支座上边缘出现斜裂缝，左支座下边缘出现条很短 的斜裂缝；加载至2 4 0 k n 时，大跨右支座上边缘出现斜裂缝，左支座处及离其 l 4 处下边缘出现约2 0 c m 长的竖向裂缝；加载至2 6 0 k n 时，小跨右支座斜裂缝 西安建筑科技大学硕士学位论文 宽度达0 1 5m m ：加载至3 8 0 k n 时，大跨右支座斜裂缝宽度达0 1 5m m ；加载至 4 0 0k n 时，大跨跨中有新的竖向裂缝出现；加载至4 4 0 k n 时，小跨右支座斜裂 缝宽达1 1 5m m ，大跨右支座斜裂缝宽达o 3r l l r l l ，竖向荷载引起的跨中竖向裂 缝宽度始终很小。进入位移循环加载后，有新的斜裂缝出现且旧的斜裂缝宽度 较大，但梁的挠度比较小。托梁作为“拱”的拉杆，有竖向裂缝，但竖向裂缝 比较稳定，宽度不随水平荷载的增大而剧烈变化；同时，由于竖向荷载向支座 聚集，托梁挠度较小，但同时也导致托梁支座附近剪力较大，因而这里出现了 斜裂缝，并且裂缝不断增多、加宽，托梁表现为支座附近截面的剪切破坏。 柱：加载至1 8 0 k n 时，中柱节点区下边缘出现水平裂缝，柱根出现水平略倾斜 的裂缝；加载至2 2 0 k n 时，中柱节点区下边缘水平裂缝贯通半截面；加载至3 4 0 k n 时，左柱柱根出现一道水平裂缝；进入位移循环加载后，两边框柱节点上角区 有两三道竖向裂缝出现。总的来说，框柱破坏较轻。 3 k z m l 3 加载过程 1 ) 竖向荷载： 加载至1 2 7 k n ，oo = 0 2 4 7 m p a 。( oo 为试件墙体顶面的竖向压应力值) 加载至1 8 1