新型村鎮(zhèn)裝配砌體抗震性能

冷小民，趙菲菲，王旭光，張玉敏，王紹杰

(河北省地震工程研究中心河北聯(lián)合大學，河北唐山063009)

0 引言

唐山大地震后我國的結(jié)構(gòu)抗震研究者提出了在砌體結(jié)構(gòu)中布置構(gòu)造柱、圈梁的抗震措施。當墻體在地震作用下發(fā)生水平變形后，構(gòu)造柱和圈梁能有效約束墻體，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗倒塌性能，使砌體墻在遭受大震時做到裂而不倒，這項技術(shù)也已得到歷次地震的檢驗，被國內(nèi)外學者所認同。而這項技術(shù)在村鎮(zhèn)建筑中的應(yīng)用中遇到了困難，多數(shù)村鎮(zhèn)建筑都不設(shè)構(gòu)造柱(高抗震設(shè)防區(qū)甚至也是如此)，少量設(shè)置了構(gòu)造柱，但施工成型的構(gòu)造柱質(zhì)量卻很差，起不到約束墻體，提高房屋抗震性能的作用。

本課題組提出了適用于各設(shè)防裂度區(qū)的裝配式構(gòu)造柱圈梁新技術(shù)，其特點是圈梁和構(gòu)造柱由特制的預(yù)制塊砌筑而成，將傳統(tǒng)圈梁、構(gòu)造柱的現(xiàn)澆鋼筋混凝土施工工藝改變?yōu)橐云鲋橹鞯氖┕すに?，即使部分需要澆注也無需支模，并將其作為村鎮(zhèn)房屋中的主要承重構(gòu)件。本文通過新型村鎮(zhèn)裝配砌體墻片承受低周反復(fù)水平荷載作用下的試驗，與傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體、普通磚素墻體以及其他材料磚墻的力學性能進行比較，得出了新型村鎮(zhèn)裝配砌體結(jié)構(gòu)能夠滿足抗震性能要求的結(jié)論，且具有免支模免振搗等優(yōu)點。

1 試驗概況

為了研究裝配式圈梁構(gòu)造柱墻體的破壞形態(tài)和抗震性能，本試驗共制作了4個試件模型墻體，其中2片為素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體，2片為鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體。墻體的制作模擬現(xiàn)有普通住宅房屋及窗間墻的尺寸，墻體編號及應(yīng)用參數(shù)如表1所示。試件模型示意圖和墻體加載照片如圖1和圖2所示。

表1 試驗墻體編號及參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 墻體受力結(jié)果

在加荷初始階段，試件基本上處于線彈性性質(zhì)，墻體受力與墻體頂端位移成線性關(guān)系。當荷載繼續(xù)增加時，荷載位移曲線的曲率有明顯的變化，然后墻體可觀察到微小的裂縫，當施加荷載較小時，墻體裂縫主要沿水平灰縫開裂。當施加荷載達到一定數(shù)值時，墻體既有豎向裂縫和斜裂縫，又有水平裂縫，呈現(xiàn)彎剪破壞的性質(zhì)。當荷載繼續(xù)增大，主裂縫X型交叉裂縫貫通時，墻體破壞。但磚砌體與柱之間直至嚴重破壞也幾乎未發(fā)現(xiàn)脫開。從我們所作的這四片墻體來看，墻體開裂是受主拉應(yīng)力所控制，同時剪應(yīng)力分布在柱上迅速增大。對有鋼筋的的構(gòu)造柱墻體來說，在開裂階段實測到的柱內(nèi)鋼筋應(yīng)變均不大。4片墻加載實驗確定的墻片抗震抗剪承載力與墻頂位移如表2所示。

表2 墻片抗震抗剪承載力與墻頂位移

圖3為四片墻體的骨架曲線，由圖3可以看出，圈梁構(gòu)造柱中有鋼筋的墻體的開裂荷載、極限荷載、破壞荷載遠比素混凝土的墻體大，墻體開裂后位移增長迅速。

圖3 墻體骨架曲線

2.2 新型裝配式砌體的抗震性能

根據(jù)材料試驗及墻體抗震性能的試驗數(shù)據(jù)計算出墻體的開裂抗震抗剪強度、極限抗震抗剪強度、延性系數(shù)及開裂荷載與極限荷載的比值等結(jié)果，如表3所示。從試驗結(jié)果可以看出，新型鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻體主要表現(xiàn)為延性破壞，而新型素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體整個過程主要表現(xiàn)為明顯的脆性破壞。鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻體的開裂荷載、極限荷載明顯比新型素混凝土墻體高，延性系數(shù)也要好。說明與素混凝土構(gòu)造柱圈梁相比，鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁對墻體具有更好地約束作用。墻2和墻3有豎向均布荷載0.15MPa，墻1和墻4沒有施加豎向均布荷載。

表3 本次試驗的抗震性能

2.3 新型鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻體與傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體的比較

傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體的裂縫一般首先出現(xiàn)在墻體中下部位，繼而發(fā)展為二條接近墻體對角線的型交叉的主裂縫，及主裂縫附近的一些次裂縫［1］。而新型鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻2的裂縫既有豎向裂縫和斜裂縫，又有水平裂縫，呈現(xiàn)彎剪破壞的性質(zhì)。與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體的相比，新型鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻2開裂荷載、極限荷載及延性系數(shù)相差不大。表4給出了中國建筑科學研究院的試驗結(jié)果，與之相比［2］，本次試驗結(jié)果略高，其原因在于施加的軸壓力不同、試件尺寸的差異及實測磚及砂漿強度不同。

表4 傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱粘土磚墻體的抗震性能

圖4和圖5分別給出了新型墻2和傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體滯回曲線。由圖4和圖5可以看出，兩種墻體的滯回曲線都很豐滿且耗能性能都很好，骨架曲線的發(fā)展趨勢在上升階段比較相似，這說明墻體在開裂前的受力特征基本相同。墻體達到極限荷載后，新型墻體位移發(fā)生突變，而傳統(tǒng)墻體表現(xiàn)不是很明顯。但總體上說，新型鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻體與傳統(tǒng)鋼筋混凝土構(gòu)造柱圈梁墻體相比，新型墻體能滿足抗震性能的要求。

2.4 新型素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體與傳統(tǒng)普通磚素墻體的比較

傳統(tǒng)普通磚素墻體破壞模式與本試驗的破壞模式相似，試件表現(xiàn)為彎剪型破壞，但以剪切變形為主。其開裂荷載、極限荷載相差不大。表5給出了湖南農(nóng)業(yè)大學實驗測定的傳統(tǒng)普通磚素墻體的抗震性能，WP、WD、GW、WH分別表示蒸壓粉煤灰實心磚素墻體、蒸壓粉煤灰多孔磚素墻體、設(shè)置構(gòu)造柱多孔磚墻體和普通磚素墻體［3，4］。由表5對比可見，新型素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻3的延性系數(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)普通磚素墻體。

表5 傳統(tǒng)普通磚素墻體的抗震性能

圖6和圖7分別給出了新型墻3和傳統(tǒng)普通磚素墻體的滯回曲線。由圖6可以看出，整個滯回曲線較為豐滿，墻體在開裂前，骨架曲線基本為直線，剛度變化不大;開裂后，曲線斜率減小，出現(xiàn)明顯的拐點，墻體剛度降低，變形增幅加大;達到極限荷載后，曲線仍呈現(xiàn)上升趨勢，反映出耗能能力比較好。而從圖7可以看出，曲線不是很豐滿，表明在耗能能力上還是有差距。

2.4 與其他材料磚墻的比較

本次試驗破壞墻體中出現(xiàn)的次生裂縫比蒸壓粉煤灰實心磚試驗墻體及蒸壓粉煤灰多孔磚墻的多，主裂縫通過磚塊的比例比蒸壓粉煤灰實心磚試驗墻體的要多。其開裂荷載、極限荷載相差不大，延性系數(shù)免支模免振搗素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體則更高一些。部分材料磚墻體的抗震性能如表6所示［6-8］，F(xiàn)Q、FQZ分別表示四川省建筑科學研究院研究的粉煤灰實心磚素墻體和設(shè)置構(gòu)造柱墻體，KQ表示湖南大學所做的KP1型燒結(jié)頁巖粉煤灰多孔磚墻體。

表6 其他材料磚墻體的抗震性能

圖8和圖9分別給出了新型墻1和粘土實心磚墻體的滯回曲線［5］。由圖9可以看出，墻體在開裂后，隨著位移的增加，承載力增加不大，并很快達到極限荷載，隨后承載力急劇下降，整個滯回曲線比較瘦削，反映出耗能能力比較差。

3 結(jié)論

(1)新型村鎮(zhèn)裝配砌體與傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體的延性系數(shù)相差不大，但新型素混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體的延性系數(shù)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)普通磚素墻體，比其他材料磚墻也更高一些。延性好的墻體的后期變形能力大，在達到屈服或最大承載能力狀態(tài)后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破壞的發(fā)生。

(2)從墻體抗震性能的比較來看，新型鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體完全能夠滿足強度及延性的需要，同傳統(tǒng)鋼筋混凝土圈梁構(gòu)造柱墻體相比，性能未見明顯差別，但施工方法大大改進，無需支模，無須振搗，強度及變形能力可靠。

(3)帶構(gòu)造柱墻體的開裂荷載明顯高于不帶構(gòu)造柱的墻片，并能明顯地提高墻體在水平反復(fù)荷載作用下的側(cè)向承載力和變形能力，使墻體具有足夠的抗倒塌能力，從而有效地改變砌體結(jié)構(gòu)的脆性性質(zhì)。

［1］ 周宏宇.帶構(gòu)造柱混凝土小型空心砌塊承重墻抗震性能的試驗研究［D］.北京工業(yè)大學.2004.

［2］ 劉錫薈，張鴻熙，劉經(jīng)偉，劉立泉.用鋼筋混凝土構(gòu)造柱加強磚房抗震性能的研究［J］.中國建筑科學研究院工程抗震所.1993，12(22):47-55.

［3］ 李保德，王興肖.混凝土普通磚素墻片抗震性能試驗研究［J］.武漢理工大學學報.2009，31(16):22-27.

［4］ 趙春香.砌體墻片抗震性能研究［D］.哈爾濱工程大學.2007.

［5］ 于敬海.新型輕質(zhì)加氣混凝土承重砌體抗震性能的研究［D］.天津大學建筑工程學院.2008.

［6］ 方亮.蒸壓粉煤灰磚墻抗震抗剪強度及抗震性能試驗研究［D］.長沙理工大學.2009.

［7］ 韓春.蒸壓粉煤灰磚柱與墻體抗震性能的試驗研究［D］.西安建筑科技大學.2009.

［8］ 夏多田.村鎮(zhèn)建筑體系粉煤灰多孔磚墻體抗震性能試驗［D］.天津大學建筑工程學院.2009.

［9］ 鐘德騰，董竟成，吳希南.帶鋼筋混凝土構(gòu)造柱磚房模型及墻體抗震性能的試驗研究［J］.建筑科學.1998，6(4):53-61.