高寬比對(duì)生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式的影響

侯莉娜，盧俊龍，黃 煒，田英俠（.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安700；.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安70048；.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安70054）

高寬比對(duì)生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式的影響

侯莉娜1，盧俊龍2，黃 煒3，田英俠1
（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西西安710021；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西西安710048；3.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710054）

生態(tài)復(fù)合墻體是生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件，其破壞模式不單一。高寬比是影響墻體破壞模式的重要因素之一。在不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，介紹了墻體破壞機(jī)理及破壞模式 ，對(duì)比分析了不同高寬比墻體破壞模式及原因，建立非線性有限元模型，對(duì)不同高寬比墻體破壞模式進(jìn)行分析。結(jié)果表明:生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式本質(zhì)上由復(fù)合墻板及邊框柱的相對(duì)強(qiáng)弱決定，對(duì)于填充加氣混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體 ，當(dāng)墻體高寬比＜1.5時(shí)，墻體發(fā)生合理的剪切型破壞；對(duì)于填充秸稈泥坯磚生態(tài)復(fù)合墻體，當(dāng)墻體高寬比＜1.7時(shí)，墻體發(fā)生剪切型破壞。研究結(jié)果對(duì)于生態(tài)復(fù)合墻體的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

生態(tài)復(fù)合墻體；試驗(yàn)研究；高寬比；破壞模式

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)是一種新型裝配式結(jié)構(gòu)體系［1］，生態(tài)復(fù)合墻體是該結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件 ，墻體由砌塊、肋格及隱形框架三部分構(gòu)件組成。在荷載作用下，各構(gòu)件互相作用、協(xié)同工作。荷載作用下，結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為剪切型，彎曲型及彎剪型等破壞模式［1-5］（如圖1所示）。其中剪切型為墻體合理破壞模式，該破壞使得墻體中各構(gòu)件能夠在小震、中震及大震作用下依次發(fā)揮主要作用，具有多道抗震防線。

前期試驗(yàn)研究［2］表明高寬比是影響墻體破壞模式的重要因素之一。本文擬結(jié)合研究結(jié)果，分析不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體破壞機(jī)理及模式，建立數(shù)值擴(kuò)展分析模型，對(duì)不同高寬比墻體破壞模式進(jìn)行分析，得到不同破壞模式發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)高寬比取值范圍，并給出設(shè)計(jì)合理取值，以期為不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 生態(tài)復(fù)合墻體

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

為研究不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式變化情況，試驗(yàn)選取兩組共5榀1/2比例模型生態(tài)復(fù)合墻體試件，墻體高寬比由0.67增加至2.3，試件設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。試件XML-1、ECW-4為填充秸稈泥坯磚墻體，試件MLB-1、MLB-3A和MLB-3B為填充加氣混凝土砌塊墻體，試件外框尺寸均為0.1 m ×0.1 m，肋格尺寸為0.05 m×0.05 m。外框縱筋均為4Φ6，肋格縱筋為4Φ4，試件設(shè)計(jì)見表1。墻板混凝土采用C20，外框混凝土采用C30。墻體內(nèi)填材料實(shí)測值見表2。

表1不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2墻體內(nèi)填材料性能

1.2 加載方式

試件XML-1、ECW-4采用水平低周反復(fù)加載；MLB-1、MLB-3A和MLB-3B均采用單調(diào)加載。本文僅描述分析了與研究工作相關(guān)的試驗(yàn)情況，詳細(xì)試驗(yàn)分析見文獻(xiàn)［6-9］。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過程及破壞模式

由于各試件墻體高寬比不同，各個(gè)墻體的破壞形態(tài)有所差異，墻體最終破壞形態(tài)見圖2。5榀生態(tài)復(fù)合墻體在施加荷載后，根據(jù)破壞過程的不同，墻體可劃分為三組。

圖2 生態(tài)復(fù)合墻體最終破壞圖

（1）剪切型破壞（試件XML-1、MLB-1）

試件MLB-1、XML-1高寬比為1，二者均發(fā)生剪切型破壞，墻體破壞表現(xiàn)為彈性、彈塑性段及破壞三個(gè)階段。彈性階段時(shí)，墻體可看作一個(gè)整體受力構(gòu)件。當(dāng)荷載增加至一定值，墻體中填充砌塊逐漸出現(xiàn)裂縫，并不斷發(fā)展至肋梁柱，此時(shí)墻體進(jìn)入彈塑性階段。隨著荷載逐漸增大，砌塊出現(xiàn)破碎及剝落現(xiàn)象。隨著砌塊破壞基逐步退出工作，肋梁多處出現(xiàn)塑性鉸，縱筋達(dá)到屈服。而肋柱及隱形外框破壞不明顯。此時(shí)，復(fù)合墻板可視為已退出工作，但隱形外框仍可承擔(dān)一定的豎向荷載，墻體具有較好的抗倒塌能力。由此可知:發(fā)生剪切型破壞的墻體，在彈性、彈塑性及破壞三階段，各構(gòu)件對(duì)應(yīng)的破壞順序?yàn)椤疤畛淦鲶w-肋格-隱形外框”，表明各構(gòu)件可分階段抗震耗能，該破壞為墻體合理的破壞模式。

（2）彎曲型破壞（試件MLB-3B）

試件MLB-3B高寬比為2.33，破壞模式為整體彎曲型破壞。當(dāng)荷載較小時(shí)，墻體處于彈性階段，與剪切型破壞墻體類似，可看作一個(gè)整體受力構(gòu)件，復(fù)合墻板與隱形外框變形協(xié)調(diào)。隨著荷載的增大，墻體中砌塊開裂，但開裂荷載較剪切型破壞墻體高。砌塊裂縫逐漸發(fā)展至肋梁、柱。同時(shí)，邊框柱受拉側(cè)出現(xiàn)均勻分布的水平裂縫 ，當(dāng)荷載繼續(xù)增大，邊框柱裂縫發(fā)展迅速，貫穿整個(gè)受拉截面，并向邊肋柱延伸，最終墻體因受拉側(cè)邊框柱拉壞而破壞。破壞過程中，墻板中砌塊與肋梁、柱均破壞不明顯?？梢姡w彎曲型破壞將直接致使結(jié)構(gòu)整體失效，其破壞機(jī)制不合理，為不利破壞模式。

（3）彎剪型破壞（試件ECW-4、MLB-3A）

試件ECW-4及MLB-3B發(fā)生彎剪型破壞。墻體在加載前期，試驗(yàn)現(xiàn)象與剪切型破壞墻體類似，表現(xiàn)為砌塊與肋格依次發(fā)生破壞。加載后期，外框柱腳混凝土壓碎明顯，部分鋼筋暴露。最終破壞時(shí)，墻體受拉區(qū)邊框柱縱筋首先達(dá)到屈服，即邊框柱先于復(fù)合墻板破壞。墻體破壞顯彎剪型破壞特征。發(fā)生彎剪型破壞的墻體，其材料利用較充分，但由于邊框柱最終先于內(nèi)墻板發(fā)生破壞，沒有形成墻體的多道抗震防線，因此屬于不利的破壞機(jī)制。

2.2 不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式對(duì)比分析

由試驗(yàn)結(jié)果可知，生態(tài)復(fù)合墻體中復(fù)合墻板主要承擔(dān)水平剪力，邊框柱主要承擔(dān)整體彎矩引起的拉壓力 ，二者的相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系決定了墻體的最終破壞模式。因此，生態(tài)復(fù)合墻體的破壞模式本質(zhì)上由剪切破壞所考慮抗剪構(gòu)件的實(shí)際承載力與彎曲破壞所考慮抗彎構(gòu)件的實(shí)際承載力之間相對(duì)大小的關(guān)系決定，如果前者大于后者，則墻體必然發(fā)生剪切破壞，反之則發(fā)生彎曲破壞，如果二者相等，則發(fā)生彎剪型破壞。生態(tài)復(fù)合墻體高寬比在一定程度上可以體現(xiàn)這種相對(duì)強(qiáng)弱關(guān)系［10-11］。由試驗(yàn)結(jié)果分析可知，墻體的破壞模式類型隨著高寬比的變化而改變。具體表現(xiàn)為:

（1）試件XML-1、MLB-1高寬比均為1，試件MLB-3A高寬比為0.67，3榀墻體的填充材料不同 ，墻體均發(fā)生了剪切型破壞，試件MLB-3B發(fā)生了整體彎曲性破壞，這是因?yàn)镸LB-3B高寬比為試件XML-1、MLB-1的2.3倍，為試件MLB-3A的3.43倍。由于高寬比的增加，墻體承擔(dān)的整體彎矩增大，邊框柱的內(nèi)力增大 ，最終由于邊框柱破壞而引發(fā)了墻體的整體破壞?？梢?，隨著墻體高寬比的增大，墻體的破壞模式由剪切型向整體彎曲型過渡。

（2）試件ECW-4發(fā)生了彎剪型破壞，其高寬比為2，大于發(fā)生剪切型破壞的試件XML-1、MLB -1，與發(fā)生彎曲型破壞的試件MLB-3B相近，墻體邊框柱整體彎矩較大，但由于試件MLB-3B為填充加氣混凝土砌塊墻體，該砌塊具有較高的抗壓強(qiáng)度及較大的彈性模量 ，同時(shí)其與肋格水泥砂漿粘結(jié)性能良好，而試件ECW-4為內(nèi)填秸稈泥坯塊的墻體，內(nèi)填材料抗壓強(qiáng)度與彈性模量均較低，且與肋格水泥砂漿粘結(jié)性能差，墻體開裂荷載較低，墻體加載初期，破壞主要集中在內(nèi)填墻板中。后期由于邊框柱內(nèi)力較大發(fā)生破壞，因此，墻體最終發(fā)生了介于剪切型與彎曲型破壞之間的彎剪型破壞?？梢姡芯扛邔挶葘?duì)墻體破壞模式影響時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮墻體內(nèi)填材料的影響。

3 高寬比對(duì)生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式的影響分析

3.1 有限元模型及驗(yàn)證

運(yùn)用 ANSYS建立墻體非線性數(shù)值分析模型［12-15］，選擇的單元為:混凝土—Solid65六面體單元；砌塊—Solid65六面體單元；鋼筋—Link8空間桿單元。不考慮鋼筋和混凝土之間的聯(lián)系單元模型，混凝土和砌塊的連接按固接處理，混凝土采用William-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則，肋梁及肋柱縱筋采用二折線模型本構(gòu)關(guān)系，砌塊本構(gòu)模型由前期內(nèi)填材料試驗(yàn)結(jié)果擬合得到［16］。

本文以發(fā)生剪切破壞的試件XML-1為例，分析其鋼筋應(yīng)變。圖3為試件XML-1屈服及極限狀態(tài)時(shí)的鋼筋應(yīng)力圖，從圖中可以看出:試件XML-1在屈服狀態(tài)時(shí)肋梁鋼筋應(yīng)力達(dá)到屈服，而此時(shí)的邊框柱受拉側(cè)及受壓側(cè)鋼筋均未達(dá)到屈服強(qiáng)度，表明此時(shí)墻體破壞主要集中在復(fù)合墻板中，邊框柱破壞較小。達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，肋梁鋼筋均進(jìn)入屈服狀態(tài)，甚至到達(dá)強(qiáng)化階段 ，外框柱鋼筋受拉側(cè)最后也達(dá)到屈服，墻體中鋼筋利用充分，表明該墻體中復(fù)合墻板與邊框柱依次達(dá)到破壞，符合剪切型破壞模式特征，與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。采用與試件XML-1同樣的分析方法，對(duì)其余試件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，有限元模型適用于生態(tài)復(fù)合墻體的模擬分析。

圖3 試件XML-1鋼筋應(yīng)力圖

3.2 破壞模式分析

采用上述有限元模型，分析不同高寬比情況下墻體破壞模式，得到不同破壞模式發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)高寬比取值范圍，模型試件外框及肋格尺寸、配筋均與試驗(yàn)試件相同，試件選取同時(shí)考慮了框格劃分（4組試件）及填充材料（2種材料）的影響，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3高寬比不同的墻體破壞模式

由計(jì)算結(jié)果可知:

（1）對(duì)于填充加氣混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，墻體中的加氣混凝土砌塊具有較高的抗壓強(qiáng)度及較大的彈性模量，同時(shí)其與肋格水泥砂漿粘結(jié)性能良好，當(dāng)高寬比＞2時(shí)，墻體發(fā)生由于墻體整體彎矩較大引起的整體彎曲型破壞；當(dāng)高寬比1.5≤λ≤2時(shí)，墻體發(fā)生彎剪型破壞；當(dāng)高寬比 λ＜1.5時(shí)，墻體發(fā)生合理的剪切型破壞。

（2）對(duì)于填充秸稈泥坯磚生態(tài)復(fù)合墻體，由于填充材料抗壓強(qiáng)度與彈性模量均較低，且與肋格水泥砂漿粘結(jié)性能差，抗壓強(qiáng)度低，彈性模量低且與水泥砂漿粘結(jié)性能不好，當(dāng)高寬比 λ＞2.4時(shí)，墻體發(fā)生整體彎曲型破壞；當(dāng)高寬比1.7≤λ≤2.4時(shí)，墻體發(fā)生彎剪型破壞；當(dāng)高寬比 λ＜1.7時(shí)，墻體發(fā)生合理的剪切型破壞。

4 結(jié) 論

在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同高寬比生態(tài)復(fù)合墻體破壞機(jī)理及模式進(jìn)行分析，建立非線性數(shù)值擴(kuò)展分析模型，分析不同高寬比下墻體破壞模式，得到不同破壞模式發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)高寬比取值范圍，并給出設(shè)計(jì)合理取值，結(jié)論如下:

（1）生態(tài)復(fù)合墻體破壞模式本質(zhì)上由主要抗剪構(gòu)件—復(fù)合墻板及主要抗彎構(gòu)件—邊框柱的相對(duì)強(qiáng)弱決定，當(dāng)前者大于后者，則墻體發(fā)生合理的破壞模式——剪切型破壞，高寬比在一定程度上可以體現(xiàn)二者相對(duì)關(guān)系。為了使生態(tài)復(fù)合墻體發(fā)生其合理破壞模式—剪切型破壞，墻體的高寬比應(yīng)控制在合理的范圍之內(nèi)。

（2）隨著生態(tài)復(fù)合墻體高寬比的增加，墻體的破壞模式由剪切型向整體彎曲型過渡。對(duì)于填充加氣混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，當(dāng)墻體高寬比 λ＜1.5時(shí)，墻體發(fā)生合理的剪切型破壞；對(duì)于填充秸稈泥坯磚生態(tài)復(fù)合墻體，當(dāng)墻體高寬比 λ＜1.7時(shí)，墻體發(fā)生剪切型破壞。研究結(jié)果對(duì)于生態(tài)復(fù)合墻體的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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Influence of Aspect Ratio on Failure Patterns of Eco-composite Walls

HOU Li-na1，LU Jun-long2，HUANG Wei3，TIAN Ying-xia1
（1.School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an Technological University，Xi’an，Shaanxi 710021，China；2.School of Civil Engineering and Architecture，Xi’an University of Technology，Xi’an，Shaanxi 710048，China；3.School of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture&Technology，Xi’an，Shaanxi 710054，China）

As the main bearing member of the eco-composite wall structure，the eco-composite wall has various failure patterns.Aspect ratio is one of the most important parameters which affects on failure patterns of the walls.Based on the test results of the eco-composite walls with various aspect ratios，the main failure processes and patterns of the walls were introduced.Contrast analysis on the reason of the walls’failure patterns with different aspect ratios was conducted.A nonlinear finite element model was set up to study the influence of different aspect ratios on failure patterns of eco-composite walls.Results indicate that the failure patterns of the eco-composite walls are essentially determined by the relative strength of the eco-composite slabs and the side-frame columns.For the eco-composite walls with air-entraining concrete blocks，when the aspect ratio＜1.5，shear failure which is the reasonable failure mechanism occurs；For the walls with straw mud blocks，when＜1.7，shear failure occurs.These findings will provide certain reference for optimal a seismic design of eco-composite wall structures.

eco-composite walls；test research；aspect ratio；failure patterns

TU227

A

1672—1144（2015）02—0116—05

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.024

2014-11-07

2014-12-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51378416、51178385）；陜西省教育廳自然科學(xué)專項(xiàng)基金 （2013JK0986）；西安市建設(shè)科技項(xiàng)目（SJW2014027）

侯莉娜（1983—），女，陜西榆林人，博士 ，講師 ，主要從事新型建筑結(jié)構(gòu)體系方面的教學(xué)與科研工作。

E-mail:houlina-163@163.com