rc框架单跨填充墙抗震性能试验研究

rc框架单跨填充墙抗震性能试验研究

0新型填充墙框架结构抗震性能填补墙对框架结构抗疲劳动性能的影响一直被关注，并进行了大量有效的研究。近年来国内外几次强烈地震,特别是5·12汶川特大地震造成大量的填充墙框架破坏,实际震害再次表明,在地震作用下填充墙与框架结构之间存在复杂的相互作用,对结构的抗震性能有很大的影响。未考虑填充墙与框架之间相互作用的抗震设计难以保证结构在地震作用下的抗震性能。我国现行抗震规范关于填充墙RC框架的设计规定都是基于黏土砖填充墙框架的试验研究成果,随着墙改政策的落实和新型墙体材料的推广使用,新型墙体材料已逐步替代黏土砖并成为主要墙体材料。但由于缺乏对新型砌体填充墙RC框架结构抗震性能的相关研究,限制了新型墙材的进一步推广应用。此外,作为非结构构件的填充墙本身的破坏,不仅影响建筑的使用功能,而且增加修复费用,严重的填充墙破坏甚至可能危及生命安全或影响紧急疏散,以至于地震工程界往往将填充墙的破坏程度作为结构使用功能正常发挥和地震作用下生命安全的重要判据。因此,在目前基于性能的抗震设计理论、汶川地震中填充墙框架严重灾害和禁用黏土砖提倡节能的政策背景下,有必要深入研究新型砌块填充墙框架抗震性能及不同抗震性能水平的评价指标,以便为新型砌块填充墙框架基于性能抗震设计提供依据。本文通过4个1∶2比例的单层单跨填充墙RC框架试件的低周反复加载试验,研究砌块类型和填充墙高宽比对框架结构抗震性能影响。1试验总结1.1充填墙砌体抗压强度试验共制作了4榀单层单跨试件,试件模型与原型的几何比例为1∶2,试验参数包括填充砌块类型和填充墙高宽比,填充墙砌块选取混凝土空心砌块和实心黏土砖砌块,试件的高宽比取1∶1.5和1∶2.0两种,试件基本参数如表1所示。其中空框架试件BF和实心黏土砖填充墙框架试件MWF1为对比试件。框架柱截面尺寸均为250mm×250mm,梁截面尺寸为200mm×250mm,框架水平力作用点位置距柱底为1375mm。试件按现行混凝土设计规范规定的“强柱弱梁”的原则进行配筋设计,以保证框架梁铰破坏机制,节点处箍筋沿柱贯通布置。框架混凝土设计强度等级为C35,柱的设计轴压比n=0.35。框架几何尺寸及截面配筋如图1所示。框架梁和柱纵向受力钢筋均采用HRB335钢筋,箍筋采用HPB235钢筋,其实测力学性能见表2。试件采用立模浇筑的施工方式,底梁和主体框架分开浇筑,先浇筑底梁后浇筑框架,最后砌筑填充墙。试件混凝土在实验室内配置,混凝土立方体抗压强度平均值为34.5MPa。混凝土空心砌块采用满足节能要求的自保温砌块,其外观特征和几何尺寸如图2所示,砌块强度等级为MU5.0,实心黏土砖的几何尺寸为240mm×115mm×53mm,强度等级为MU10。砌筑砂浆立方体抗压强度平均值4.4MPa。在砌筑填充墙的同时为每一种砌块制作了1组(3个)砌体抗压试件,如图3所示。测得混凝土空心砌块砌体抗压强度平均值2.3MPa,弹性模量为5270MPa;黏土砖砌体抗压强度平均值5.4MPa,弹性模量为4622MPa。1.2试验装置和测量方法试验加载装置如图4所示。试验采用2台竖向千斤顶对柱施加竖向荷载至预定轴力,在试验过程中柱轴力恒定不变。在每台千斤顶上部均安装有低摩阻滑动板,使千斤顶在水平加载时可沿上部低摩阻滑动板水平移动。水平荷载由MTS液压伺服加载系统施加在梁端,通过端板与拉杆实现水平往复荷载的施加。整个加载过程采用MTS-GT控制系统控制。水平加载采用位移控制,具体加载制度如图5所示。试件屈服前各位移幅值循环1次,屈服后在各幅值下循环3次。试件承载力降至峰值荷载的80%后,试验终止。试验量测内容包括:(1)采用LVDT测量试件关键位置的变形;(2)采用电阻应变片量测梁、柱的纵筋和箍筋在关键受力区域的应变值;(3)采用纸基应变片,以应变花形式贴于墙体表面,测量墙体各处主应变发展。所有荷载、位移和应变信号通过MTS-GT控制器和IMP数据采集仪自动采集。2试验破坏2.1bf梁破坏特征结果分析各试件的最终破坏形态如图6所示。在位移角为1/1000(Δ=1.38mm)循环中,试件BF和试件MWF1未出现可观察裂缝;试件MWF2墙体顶部砖缝处出现第1条裂缝;试件MWF3梁右端与墙体脱开并出现第1条阶梯形裂缝,且柱与墙交界处也开裂。在位移角为1/700(Δ=1.96mm)循环中,试件MWF1右柱与墙交界面出现第1条裂缝。试件MWF2梁与墙接触面裂缝贯通,墙与柱接触面开裂,同时墙体角部出现阶梯形裂缝;试件MWF3柱与墙接触面裂缝贯通。此循环中卸载后裂缝均很快闭合,试件无残余变形,所有试件处于弹性工作状态。在位移角为1/500(Δ=2.75mm)循环中,试件BF左梁左端部出现第1条弯曲裂缝,并在梁底贯通;试件MWF1墙角出现阶梯形裂缝;试件MWF2墙面形成多条阶梯形裂缝,其中一条沿整个墙面贯通;试件MWF3阶梯形裂缝继续向下扩展,随着位移的增大,梁与墙体接触面裂缝贯通,并与阶梯裂缝相连贯通。在位移角为1/300(Δ=4.58mm)循环中,试件BF梁端不断产生新的裂缝,柱下端产生第1条水平弯曲裂缝。在此位移角幅值下,填充墙试件主体框架均在梁端产生了弯曲裂缝,但梁柱纵向钢筋应变均未达到屈服应变。此外填充墙裂缝继续开展,试件MWF1填充墙对角线阶梯形裂缝沿整个墙面贯通。在位移角为1/200(Δ=6.88mm)循环中,填充墙试件主体框架柱柱端产生弯曲裂缝。在位移角为1/150(Δ=9.17mm)循环中,随着循环次数的增多,各试件主体框架产生大量新的裂缝,原有裂缝在梁和柱侧面贯通,裂缝加宽,各试件产生一定的塑性变形,柱纵筋屈服,试件处于屈服状态,在此位移幅值下循环3次,填充墙沿墙上多条水平灰缝滑移摩擦耗能。在位移角为1/65(Δ=21.15mm)循环中,裂缝数量基本稳定,旧有裂缝不断开展、延伸,裂缝加宽。试件BF梁端主要裂缝宽度超过3mm,柱根部与梁端部混凝土明显起皮并伴有剥落。试件MWF2墙体中部裂缝宽度达到10mm,部分砌块被拉断,试件塑性变形增大。试件MWF3砌块表面不断破裂掉落,填充墙对框架的约束效应减弱,梁、柱受压区混凝土逐步压碎剥落,形成梁柱端塑性铰,试件塑性变形增大,承载力逐步降低。在位移角为1/50(Δ=27.50mm)循环中,框架梁端和柱根部混凝土起皮压碎剥落,试件MWF2和MWF3,空心砌块大面积破裂掉落。在位移角为1/25(Δ=55.00mm)循环中,主体框架根部混凝土大量剥落,箍筋裸露,试件产生较大的塑性变形,残余变形较大,承载能力下降超过峰值荷载的85%,试验结束,各试件主体框架最终均发生梁柱端塑性铰破坏。表3给出了试件主要试验阶段层间位移角。2.2结构破坏形态从以上的试验现象可以看出:(1)混凝土空心砌体填充墙开裂早于黏土砖填充墙。由于填充墙与框架之间无特殊连接,填充墙与框架周边在加载初期即出现裂缝,初裂时位移角为1/900~1/1000。混凝土空心砌块填充墙墙面初裂较早,墙面初裂与墙框交界初裂同时发生,远小于黏土砖填充墙的初裂位移角1/500。在混凝土空心砌块填充墙沿水平方向贯通时,其位移角为1/648~1/586,而实心黏土砖为1/300。(2)混凝土空心砌块填充墙的破坏程度比实心黏土砖填充墙严重。试验过程中,黏土砖未出现掉落,保持良好整体性;空心砌块在大位移角下砌块壁肋被拉断,空心砌块壁整片剥落,存在一定的安全隐患。因此,对空心砌块填充墙应设置其它构造措施,保证其整体性,如改进其截面形式,增加连接砌块壁肋的数量等。(3)填充墙的存在延缓了主体框架的开裂。各试件主体框架均呈现梁先开裂后柱开裂的现象,试件BF梁、柱初裂时层间位移角分别为1/500和1/300,而填充墙框架的梁和柱初裂时层间位移角大致在1/300和1/200,表明由于填充墙参与了水平力分配,承担了部分水平荷载,使得主体框架内力变小,延缓了框架梁、柱的开裂。(4)填充墙框架柱纵筋屈服时层间位移角小于空框架。随着填充墙水平裂缝的贯通,填充墙对框架的刚度效应和约束效应逐步削弱,填充墙承担的水平荷载降低,主体框架内力增大,使框架柱纵筋进入屈服。填充墙框架的柱纵筋屈服时的层间位移角为1/193~1/174,空框架的柱纵筋屈服时的层间位移角为1/151。(5)在水平荷载作用下,填充墙的约束效应使与之相连框架柱的剪跨比减小,最终改变框架的破坏形态,故框架结构的破坏形态与框架柱的受剪承载力及填充墙对框架柱约束效应的强弱有关,而约束效应的强弱也可由填充墙的水平承载力体现。因此,框架与填充墙的受剪承载力之比是影响结构破坏形态的重要参数,其表达式为:其中:Vcu为与填充墙相连柱的受剪承载力,Vwu为填充墙的水平承载力。当ξ>ξ0时,即结构满足“强框架,弱填充墙”的要求,则框架柱发生弯曲破坏;否则结构属于“弱框架,强填充墙”类型,框架柱发生剪切破坏。定义ξ0为临界破坏系数,与框架柱与填充墙的连接方式和砌块类型等有关。文献[9-10]开展了填充墙布置形式对框架抗震性能的试验研究,给出了“弱框架,强填充墙”试件MSF的破坏形态,与填充墙相连的柱最终发生了剪切破坏,如图7所示。该试件填充墙砌块为MU10黏土砖,砌筑砂浆的立方体抗压强度平均值为9.78MPa。而本次试验砌筑砂浆的立方体抗压强度平均值仅为4.4MPa,满足“强框架,弱填充墙”要求的4个试件均发生梁柱端塑性铰破坏。表4给出了这4个试件框架柱与填充墙受剪承载力之比的计算值,从表4可以得到,对黏土砖填充墙,当ξ>3.53时,结构属于“强框架,弱填充墙”类型,主体框架发生梁柱端塑性铰破坏;当ξ<1.63时,结构属于“弱框架,强填充墙”类型,主体框架柱出现剪切破坏;对混凝土空心砌块填充墙,当ξ>2.73,主体框架会发生梁柱端塑性铰破坏。由于试验数量有限,临界破坏系数ξ0的取值仍有待进一步研究。3试验结果的分析3.1层间位移角的影响试件的P-Δ滞回曲线如图8所示。从图中可以看出:(1)试件BF发生梁、柱端塑性铰的弯曲破坏形态,其滞回曲线在层间位移角1/65(Δ=21.15mm)之前呈梭形,试件的残余变形较小。随着位移角的增大,试件裂缝不断开展并加宽,钢筋出现一定的黏结滑移,滞回环出现微小的“捏拢”。(2)试件MWF1在荷载较小时,其滞回曲线呈梭形,当层间位移角大于1/300(Δ=4.58mm)时,填充墙沿对角线形成贯通的阶梯形裂缝,试件的滞回曲线出现一定的捏拢,随着层间位移角增大,填充墙形成多条沿水平方向贯通裂缝,并沿裂缝出现滑移,其滞回环也逐步由“弓形”向“倒S形”转变,表明试件产生较大的剪切变形。随着位移的增大,填充墙对框架的约束效应减弱,“捏拢”效应也逐步减弱。(3)试件MWF2和MWF3,在层间位移角为1/500(Δ=2.75mm)时,填充墙即出现沿对角线形成贯通的阶梯型裂缝,其滞回环出现明显的捏拢,且填充墙高宽比越小,滑移变形造成的捏拢现象越明显。在层间位移角为1/150(Δ=9.17mm)幅值下,滞回环形状转变为“倒S形”。当位移角在1/50(Δ=27.50mm)时,在循环往复荷载作用下,混凝土空心砌块剥落,填充墙逐步退出工作,填充墙对框架的约束效应基本丧失,主体框架恢复到空框架的工作状态,试件的滞回曲线又由“倒S形”变为“弓形”。(4)填充墙参与了试件的滞回耗能,影响了结构的滞回特性,填充墙的存在提高了结构的水平承载能力、侧向刚度和耗能能力,填充墙试件的滞回环要比空框架饱满,滞回耗能面积更大,体现出更好的滞回耗能能力。3.2空心填充墙框架试验结果分析4个试件的骨架曲线如图9所示。骨架曲线上的开裂、屈服、峰值荷载和破坏荷载等主要特征点的试验结果如表5所示。开裂荷载点对应试件MWF1~MWF3形成第1条沿水平方向整墙面贯通裂缝时的荷载,屈服点的取值以柱纵筋应变为主要依据,结合骨架曲线综合确定。从图9和表5可以看出:(1)填充墙的存在提高了框架的水平承载能力,提高程度与砌块类型,砂浆强度及填充墙的高宽比等有关。黏土砖填充墙框架试件MWF1的极限荷载是空框架BF的1.60倍;而空心砌块填充墙框架试件MWF2和MWF3分别是空框架试件BF的1.37倍和1.68倍。且不同层间各位移角下,填充墙框架承受的水平荷载均高于空框架试件BF。(2)填充墙的存在使框架屈服位移变小。空框架试件BF的屈服位移9.13mm,屈服荷载145kN;填充墙框架的屈服位移7.12~7.88mm,屈服荷载199~272kN。表明由于填充墙刚度效应的影响,在相同层间位移角下,填充墙框架比空框架承担更多的水平荷载,随着填充墙开裂,主体框架内力迅速增大,使得框架柱纵筋屈服。(3)不同砌块类型对框架延性的影响差别显著。试验结束时,空框架试件BF由于发生梁柱端塑性铰破坏,其延性系数为6.02,黏土砖填充墙框架试件MWF1由于屈服较早,后期填充墙摩擦面未被明显削弱,试件承载力减小缓慢,其延性系数为6.98,对于空心砌块填充墙框架试件MWF2,虽然屈服较早,但试验后期填充墙摩擦面削弱严重,填充墙逐步退出工作,导致试件后期承载能力迅速降低,其延性系数仅为3.86。试件MWF3延性系数也仅为2.70。(4)虽然混凝土空心砌块填充墙延性系数较小,但由于试验后期砌块壁剥落,填充墙对框架的约束作用减弱,使得主体框架逐步恢复到空框架的工作状态,最终发生梁柱端塑性铰破坏,因此试件仍保持较好的抗倒塌性能。在层间位移角为1/20时,填充墙试件MWF1、MWF2和MWF3的水平荷载分别为试件BF的1.37、1.02和1.18倍。3.3不同高宽比充填墙能耗能力试件在不同层间位移角幅值下累积耗能如图10所示,图11为不同层间位移角幅值下各试件与空框架BF耗能比。从图10~11可看出:(1)填充墙参与了框架结构的滞回耗能,在每一个位移幅值下,填充墙框架试件总累积耗能量均大于空框架试件。不同砌块类型对填充墙框架结构耗能能力的提高程度不同,黏土砖填充墙框架试件MWF1的总耗能量是空框架试件BF的1.31倍,而对于不同高宽比的空心砌块填充墙框架试件MWF2和试件MWF3,其耗能能力分别为空框架的1.12倍和1.18倍,说明高宽比在1.5~2.0之间对填充墙框架的耗能能力影响不大。(2)在不同受力阶段,试件耗能主体不同。在层间位移角1/150之前,主体框架尚处于弹性工作状态,未参与试件的滞回耗能,试件耗能面积很小,此阶段填充墙是耗能主体。随着层间位移角的增大和循环数的增多,填充墙逐步退出工作,主体框架承担更多的水平荷载进入弹塑性工作状态,参与试件的滞回耗能,并逐步成为耗能的主体,试件的残余变形和耗能面积明显增大。在层间位移角大于1/65时,试件MWF2和MWF3混凝土空心砌块逐步被剪断成片剥落,填充墙的耗能能力被极大地削弱,而黏土砖砌块填充墙仍能保持较好的耗能能力。3.4充填墙框架结构刚度在反复荷载作用下,试件刚度可以用割线刚度K来表示,4个试件的刚度退化曲线如图12所示。从图12可以看出:(1)不同砌块填充墙均对框架结构具有明显的刚度效应。黏土砖填充墙框架试件MWF1的初始侧向刚度是空框架试件BF的2.69倍,而空心砌块填充墙框架试件MWF2是空框架试件BF的3.05倍;(2)填充墙框架刚度退化速率较空框架试件BF快,并且混凝土空心砌块填充墙框架的刚度退化速率要比黏土砖填充墙框架快;(3)试验结束时,各填充墙框架试件的割线刚度基本与空框架试件BF相等,表明填充墙后期已基本退出工作,主要由框架提供抗侧刚度。3.5层间位移角对强度退化分析填充墙框架在反复加载过程中,某一级位移幅值下,填充墙框架的最大荷载随循环次数的增加而降低的现象称为强度退化。试件的强度退化系数可按式(2)计算。式中:Pi为某一级位移幅值下第i次循环的最大荷载;Pi-1为某一级位移幅值下第i-1次循环的最大荷载。表6给出了试件在不同层间位移角循环中正反向加载的强度退化系数。从表6可以看出,在各层间位移角下,空框架试件BF的强度退化系数在所有试件中最大。对于黏土砖填充墙框架,在层间位移角较小时,填充墙由于刚度较大,承担较多的水平荷载,导致填充墙裂缝开展迅速,试件的强度退化也较快;填充墙裂缝的开展使得主体框架承担更多的水平荷载,填充墙裂缝开展变缓,使得试件的强度退化系数又升高;加载后期,主体框架承载力也逐步退化,加之填充墙强度退化,使得试件的整体强度退化系数进一步降低。对于混凝土空心砌块填充墙框架,加载前期的试件强度退化规律与黏土砖填充墙试件MWF1相似,但试件MWF2和试件MWF3分别在层间位移角1/50和1/65时砌块被剪断剥落,因此在此循环幅值下试件的强度退化最快,强度退化系数最小;随着填充墙逐步退出工作,试件逐步恢复到空框架的工作状态,其强度退化系数也得到提高。4充填墙承载能力通过4榀单层单跨填充墙RC框架的抗震性能试验研究,得到以下