竹簾膠合板夾板剪力墻的破壞模式及損傷評估

夏天，周宇，鄭維*，董利，王志強(qiáng)，趙天長

(1. 南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210037； 2. 江蘇森之虎建筑工程有限公司，南京 210012)

夾板剪力墻是一種抗側(cè)力性能優(yōu)異的輕型木結(jié)構(gòu)墻體，所提供的抗側(cè)剛度與強(qiáng)度是普通輕木剪力墻的2～3倍[1-2]，符合多高層木結(jié)構(gòu)建筑的抗側(cè)力性能需求。然而現(xiàn)有研究表明，以木基結(jié)構(gòu)板材、普通釘子制作的夾板剪力墻在側(cè)向力作用下仍存在板邊易撕裂、釘子易拔出等問題，嚴(yán)重影響其抗側(cè)力性能[3]。

相比木基結(jié)構(gòu)板材[4]，建筑行業(yè)里廣泛應(yīng)用的竹簾膠合板(簡稱竹膠板)有著更高的力學(xué)強(qiáng)度，且原材料豐富[5-6]，適合用于輕型木結(jié)構(gòu)墻體中。Correal等[7]和Varela等[8]將竹膠板用作普通輕木剪力墻的覆面板，有效避免了墻板撕裂，但仍存在大量釘子拔出破壞，以致其抗側(cè)力性能與普通墻體相比并沒有顯著提升。Xiao等[9]也得到了相似的結(jié)論，同時發(fā)現(xiàn)普通圓釘難以釘入密度、硬度較大的竹膠板。為此，鄭維等[10]提出采用自攻螺釘配合竹膠板應(yīng)用在夾板剪力墻中，充分利用自攻螺釘高抗拔、易鉆入的優(yōu)點，來改善上述不利破壞，提升夾板剪力墻抗側(cè)力性能。

為進(jìn)一步探究采用了竹膠板和自攻螺釘?shù)膴A板剪力墻破壞機(jī)理和損傷，筆者設(shè)計了4組竹膠板夾板剪力墻試件，開展單調(diào)以及低周往復(fù)加載試驗，分析其力學(xué)性能指標(biāo)及破壞機(jī)理，并結(jié)合基于能量的損傷模型對其進(jìn)行損傷評估，以期為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試件設(shè)計

本試驗共設(shè)計了4組竹膠板夾板剪力墻試件，考慮了竹膠板厚度、釘間距、墻肢長度的參數(shù)變化，每組均包含2個單調(diào)加載試件和1個低周往復(fù)加載試件，如表1所示。墻體由墻骨(包括頂梁板、底梁板、墻骨柱)、中心夾板與抗拔緊固件組成，具體構(gòu)造見圖1。墻骨選用北美進(jìn)口No.2級(IIIc級)SPF規(guī)格材，彈性模量為9.5 GPa；除共用墻骨柱和底梁板使用38 mm×140 mm的SPF規(guī)格材外，其余墻骨規(guī)格材尺寸均為38 mm×89 mm，墻骨柱間距610 mm。中心夾板選用9.5和12.5 mm 2種厚度的竹簾膠合板，彈性模量約為9.5 GPa，X(長度)和Y(寬度)向竹篾質(zhì)量比約1∶1，含水率約為10%，由浙江夢麗宏竹木有限公司提供。墻骨以寬面對稱布置在中心夾板兩側(cè)，由自攻螺釘連接形成墻骨-墻板-墻骨的雙剪螺釘連接形式。所用自攻螺釘?shù)墓Q直徑為5.2 mm，內(nèi)徑為3.5 mm，長度為80 mm，可彎折角度為45°，抗彎屈服強(qiáng)度不小于1 000 MPa，由上海美固漢得威緊固件有限公司提供。螺釘間距分100/200 mm和150/300 mm 2種，其中100和150 mm指墻板邊緣墻骨(包括頂梁板、底梁板、端部墻骨柱與共用墻骨柱)上的螺釘間距，200和300 mm為內(nèi)部墻骨的螺釘間距。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

圖1 竹膠板夾板剪力墻結(jié)構(gòu)Fig. 1 Schematic diagram of the midply-bamboo shear wall

墻角部位采用了U形抗拔緊固件，Q235材質(zhì)，其上部為6 mm厚鋼板，與端部墻骨柱通過10根交錯布置的8 mm×80 mm盤頭螺釘相連；緊固件底部錨固區(qū)為壁厚12 mm的半圓形鋼管，與基礎(chǔ)鋼梁通過1根直徑16 mm的8.8級高強(qiáng)螺栓連接，如圖2所示。此新型抗拔緊固件沿端部墻骨柱兩側(cè)施加對稱的約束力，避免了傳統(tǒng)抗拔緊固件易導(dǎo)致端部墻骨柱偏心受拉的問題[1]，有利于避免其底部區(qū)域發(fā)生拉彎斷裂破壞。

圖2 竹膠板夾板剪力墻中的抗拔緊固件Fig. 2 Hold-down connectors used for the midply-bamboo shear walls

1.2 試驗裝置和數(shù)據(jù)量測

本試驗采用25 t電液伺服作動器加載，其位移量程為±250 mm。荷載分配鋼梁與作動器端部鉸接，并通過8根8.8級M12高強(qiáng)螺栓與墻體頂梁板相連；墻體底梁板通過相同方式固定在基礎(chǔ)鋼梁上，墻體兩側(cè)設(shè)有側(cè)向支撐以防止平面外失穩(wěn)，如圖3所示。

圖3 試驗裝置Fig. 3 Test setup

圖4 測量儀器布置Fig. 4 Arrangement of measuring instruments

試驗共設(shè)置了3個位移計(LVDT)，如圖4所示，其中：LVDT1測量墻體底梁板的水平位移；LVDT2和LVDT3分別測量墻體左側(cè)、右側(cè)端部墻骨柱的豎向位移。墻體的實際側(cè)移取作動器位移數(shù)據(jù)與LVDT1位移數(shù)據(jù)之差，荷載取作動器內(nèi)荷載傳感器數(shù)據(jù)。

1.3 加載制度

單調(diào)加載試驗參照ASTM E564-06“Standard practice for static load test for shear resistance of framed walls for buildings”標(biāo)準(zhǔn)。加載共分為4個階段，前3個階段分別加載到墻體預(yù)估極限荷載(80 kN)的1/10、1/3以及2/3，持荷5 min，之后再卸載至0，并空載5 min，3個階段的加載速率均為6 kN/min；第4個階段，將墻體從0加載至荷載達(dá)到墻體極限承載力的80%或者出現(xiàn)嚴(yán)重破壞時停止加載，此階段加載速率為30 mm/min。

低周往復(fù)加載試驗參照ISO 16670：2003“Timber structures-Joints made with mechanical fasteners-Quasi-static reversed-cyclic test method”標(biāo)準(zhǔn)，按位移控制進(jìn)行兩階段加載，其控制位移Δm=80 mm。第1階段分別以2.5%Δm、5%Δm、7.5%Δm、10%Δm為幅值進(jìn)行單循環(huán)往復(fù)加載，加載速率10 mm/min；第2階段分別以20%Δm、40%Δm、60%Δm、80%Δm、100%Δm、120%Δm為幅值進(jìn)行三循環(huán)往復(fù)加載，加載速率60 mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗現(xiàn)象與破壞模式

在單調(diào)荷載作用下，各組試件中的竹膠板保持完好，自攻螺釘僅出現(xiàn)輕微彎曲，且常規(guī)夾板剪力墻[1,11]中易出現(xiàn)的端部墻骨柱受拉斷裂破壞也得以避免。各組試件最終的破壞模式因構(gòu)造差異而有所不同，具體如下。

1)MW2、MW4組單調(diào)加載試件的受拉側(cè)端部墻骨柱上拔極小，而受壓側(cè)端部墻骨柱出現(xiàn)了平面外失穩(wěn)破壞(圖5a)。需要指出的是，實際房屋中的剪力墻端部通常會采用多根規(guī)格材拼合成T形或L形，其抗失穩(wěn)能力顯著強(qiáng)于本試驗情況。

2)MW1組單調(diào)加載試件的破壞模式表現(xiàn)為受拉側(cè)端部墻骨柱與抗拔緊固件的連接失效(圖5b)，這是因為MW1組試件(長度1.22 m)中僅有1塊1.22 m×2.44 m的中心竹膠板，其在側(cè)向力作用下整體繞受壓側(cè)抗拔緊固件底部弧形區(qū)域旋轉(zhuǎn)，而無法像2.44 m寬墻體中的2塊竹膠板繞各自平面幾何中心旋轉(zhuǎn)[11]；相比之下，1.22 m墻體的中心夾板轉(zhuǎn)動角度更大，使得端部墻骨柱上拔幅度也更大。MW1組單調(diào)加載試件的抗拔約束失效后，墻體承載力迅速降低，以致受壓側(cè)端部墻骨柱中的軸力無法達(dá)到其失穩(wěn)極限。

3)MW3組單調(diào)加載試件的破壞模式表現(xiàn)為頂梁板的劈裂破壞(圖5c)。這是因為MW3組試件釘間距相對較大，墻體中螺釘連接總數(shù)較少，而單個螺釘連接傳遞的荷載較大，以致89 mm寬的頂梁板劈裂；相比之下，140 mm寬的底梁板中未發(fā)生類似破壞，表明后者更宜用作竹膠板夾板剪力墻的邊緣墻骨。此外，單個螺釘連接中過大的荷載傳遞，還導(dǎo)致墻體邊緣出現(xiàn)少量螺釘斷裂破壞。

圖5 單調(diào)加載試件破壞現(xiàn)象Fig. 5 Failure modes of the specimens under monotonic loading

試件編號尾數(shù)“1”和“2”指兩重復(fù)單調(diào)加載試件，“C”指低周往復(fù)加載試件。圖7 各組試件的荷載-位移曲線Fig. 7 Load-displacement curves of specimens

在低周往復(fù)荷載作用下，各組試件的端部墻骨柱均未出現(xiàn)平面外失穩(wěn)現(xiàn)象。MW2、MW3、MW4組低周往復(fù)加載試件的破壞現(xiàn)象較為類似，以螺釘疲勞剪斷(圖6a)和頂梁板劈裂為主；當(dāng)位移等級達(dá)到80 mm時，共用墻骨柱因螺釘連接全部失效而脫離墻體(圖6b)，墻體喪失承載能力。這種釘連接疲勞剪斷破壞也見于輕型木結(jié)構(gòu)墻體的相關(guān)文獻(xiàn)[1,12-13]中，故在實際應(yīng)用中有必要對釘連接件的彎折疲勞性能提出要求，并在相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中加以規(guī)定。MW1組低周往復(fù)加載試件的螺釘失效數(shù)量較少，其破壞主要集中于抗拔緊固件與端部墻骨柱的連接部位，抗拔約束失效，端部墻骨柱上拔明顯。試驗后拆解墻體，發(fā)現(xiàn)抗拔緊固件中的盤頭螺釘發(fā)生明顯彎曲變形(圖6c)。

圖6 低周往復(fù)加載試件破壞現(xiàn)象Fig. 6 Failure modes of the specimens under cyclic loading

2.2 荷載-位移曲線

各組試件在單調(diào)加載時的荷載-位移曲線與低周往復(fù)加載時的滯回曲線如圖7所示。

單調(diào)加載試件的荷載-位移曲線在達(dá)到峰值前，幾乎呈線性上升趨勢，且無明顯屈服點；達(dá)到峰值后，MW2、MW3和MW4組單調(diào)加載試件的曲線迅速下降，對應(yīng)于端部墻骨柱失穩(wěn)和頂梁板劈裂等脆性破壞；MW1組單調(diào)加載試件曲線下降較平穩(wěn)，對應(yīng)于其端部墻骨柱底部盤頭螺釘?shù)膹澢冃巍?/p>

各組低周往復(fù)加載試件的滯回曲線均存在捏縮效應(yīng)，滯回環(huán)整體呈反“S”形。在墻體達(dá)到峰值荷載前，幾乎未發(fā)生強(qiáng)度退化現(xiàn)象，且卸載后的殘余變形較??；當(dāng)試件達(dá)到極限荷載后，頂梁板、墻骨柱與墻面板間的螺釘連接相繼失效，滯回曲線出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度退化現(xiàn)象，且每次卸載后都存在較大的殘余變形。

2.3 力學(xué)性能參數(shù)

根據(jù)圖7中的曲線可得到各試件的抗側(cè)剛度Ke、極限承載力Ppeak及對應(yīng)的極限位移Δpeak、破壞位移Δu等力學(xué)性能參數(shù)，如表2所示，其中：Ke取原點與曲線上升段上40%極限荷載對應(yīng)點的割線斜率；Ppeak及Δpeak分別取曲線峰值點的荷載及位移；Δu取曲線下降段上80%Ppeak點所對應(yīng)的位移值。

表2 各組試件的力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of specimens

對比各組試件力學(xué)性能參數(shù)的平均值，可以分析構(gòu)造參數(shù)差異對抗側(cè)力性能的影響。試件MW2和MW4的各項性能參數(shù)均相差不大，表明中心竹膠板的厚度對夾板剪力墻抗側(cè)性能的影響較小，與文獻(xiàn)[10]中竹膠板雙剪螺釘連接的試驗結(jié)果吻合。釘間距為150/300 mm的MW3組試件極限承載力明顯低于上述兩組，是因為釘連接數(shù)量與釘間距成反比，而釘連接數(shù)量直接決定了墻體的極限承載能力，這與常規(guī)夾板剪力墻所得到的結(jié)論相同[13]。1.22 m長的MW1組試件極限承載力約為2.44 m長的MW2組試件的一半，符合GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中輕木剪力墻中墻肢長度與抗側(cè)承載力成正比的規(guī)律，但MW1組試件的抗側(cè)剛度并未達(dá)到MW2組試件的一半，這是因為MW1組試件端部墻骨柱的上拔更高，相應(yīng)地導(dǎo)致抗側(cè)剛度偏低。

2.4 受壓側(cè)端部墻骨柱失穩(wěn)破壞分析

在單調(diào)荷載作用下，MW2、MW4組試件均表現(xiàn)出端部墻骨柱失穩(wěn)破壞，其截面形式如圖8所示。根據(jù)歐拉壓桿穩(wěn)定公式可算得端部墻骨柱失穩(wěn)時的臨界力Pcr為：

(1)

式中：E為各部件的彈性模量；I為全截面繞X軸的慣性矩；l為端部墻骨柱的計算長度，根據(jù)墻體實際構(gòu)造取為2 351 mm。

單位:mm圖8 端部墻骨柱橫截面Fig. 8 Cross-section of the end studs

此外，根據(jù)GB 50005—2017所述的剪力墻靜力平衡條件，墻體平面內(nèi)的彎矩由端部墻骨柱承受，故端部墻骨柱內(nèi)軸力N為：

(2)

式中：P為墻體所受側(cè)向力；H和L分別為墻體高度和墻體長度。將各組單調(diào)加載試件的極限承載力Ppeak代入式(2)，即可得到試驗加載過程中端部墻骨柱實際承受的極限軸力。

將由式(1)、(2)算得的端部墻骨柱極限承載力進(jìn)行對比，如表3所示，其中：試件MW2和MW4依據(jù)彎矩平衡算得的端部墻骨柱軸力高于依據(jù)壓桿穩(wěn)定算得的臨界力，與試驗中觀測到的端部墻骨柱失穩(wěn)破壞相吻合；相比之下，試件MW1和MW3的端部墻骨柱極限承載力低于壓桿穩(wěn)定計算值，試驗中也未發(fā)生端部墻骨柱受壓失穩(wěn)?？傮w來看，端部墻骨柱的抗失穩(wěn)能力對竹膠板夾板剪力墻抗側(cè)力性能至關(guān)重要，在實際應(yīng)用中應(yīng)以拼合柱或增封頭墻骨等方式來增大邊界桿件的截面尺寸，以避免其在大震下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

表3 端部墻骨柱的極限承載力Table 3 Ultimate bearing capacity of the end studs

2.5 基于能量累積的損傷分析

損傷指數(shù)能用以評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在地震作用后的破壞狀態(tài)[14]。本研究采用Kratzig等[15]提出的基于構(gòu)件滯回耗能的損傷模型，算得各組試件的損傷指數(shù)，并繪制累積損傷指數(shù)曲線，如圖9所示。該模型引入了主半循環(huán)(PHC)和從半循環(huán)(FHC)的概念，依據(jù)式(3)和(4)分別計算正負(fù)損傷指數(shù)D+和D-為：

(3)

(4)

D=D++D--D+D-

(5)

由圖9可以看出，各組墻體試件有著較為相似的損傷累積過程，具體描述如下：在模擬地震作用的低周往復(fù)加載過程中，竹膠板夾板剪力墻先后出現(xiàn)了竹膠板與木材的局部撕裂、自攻螺釘疲勞斷裂、頂梁板劈裂等損傷現(xiàn)象。在第6循環(huán)(16 mm側(cè)移)之前，損傷指數(shù)較小(不超過0.2)，試件幾乎未發(fā)生損傷，僅出現(xiàn)了竹膠板與墻骨中輕微的纖維撕裂聲。當(dāng)加載到第9循環(huán)(32 mm側(cè)移)時，螺釘?shù)钠诩魯嚅_始出現(xiàn)，頂梁板部位出現(xiàn)裂紋，損傷指數(shù)曲線急劇增長，達(dá)到了0.5～0.6；由于只是部分螺釘發(fā)生斷裂，因而重新打入螺釘即可進(jìn)行修復(fù)。當(dāng)加載12循環(huán)(48 mm側(cè)移)時，墻體已發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，墻體邊緣部位雙剪螺釘連接大量失效(圖6a)，頂梁板劈裂嚴(yán)重(圖5c)，累積損傷指數(shù)接近0.9，但墻體仍保持較高承載性能，可維持不倒；此時層間位移角為1.97%，接近GB/T 51226—2017《多高層木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的輕型木結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值。此后，共用墻骨柱脫落(圖6b)，墻體承載力急速下降，損傷曲線逐漸趨近于1，可認(rèn)為墻體達(dá)到完全破壞。

圖9 各組試件的累積損傷指數(shù)曲線Fig. 9 Cumulative damage index curves of specimens

結(jié)合觀察到的試驗現(xiàn)象和損傷指數(shù)曲線規(guī)律，同時綜合考慮我國地震設(shè)防水準(zhǔn)和對結(jié)構(gòu)性能水平的需求[16]，本研究將竹膠板夾板剪力墻的損傷劃分為基本完好、輕微損傷、嚴(yán)重?fù)p傷、失效4個等級，并確立了觀測損傷、損傷指數(shù)以及抗震設(shè)防水準(zhǔn)三者之間的對應(yīng)關(guān)系，如表4所示。

表4 竹膠板夾板剪力墻損傷等級劃分Table 4 Damage levels of the midply-bamboo shear wall

3 結(jié) 論

1)竹膠板夾板剪力墻在單調(diào)荷載作用下存在端部墻骨柱失穩(wěn)破壞，在實際應(yīng)用中應(yīng)通過拼合柱或增加封頭墻骨的方式來提高墻體邊界桿件截面尺寸，以避免其在大震下發(fā)生失穩(wěn)破壞。

2)在往復(fù)荷載作用下，竹膠板夾板剪力墻以螺釘疲勞剪斷和頂梁板劈裂破壞為主，并因此出現(xiàn)明顯的強(qiáng)度退化現(xiàn)象和殘余變形，建議將釘連接件的彎曲疲勞性能納入輕型木結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3)減小螺釘間距和增大墻體長度都可以顯著提高竹膠板夾板剪力墻的抗側(cè)力性能，而改變中心夾板厚度則影響甚微。

4)結(jié)合觀察到的試驗現(xiàn)象和損傷指數(shù)曲線規(guī)律，同時考慮我國地震設(shè)防水準(zhǔn)和對結(jié)構(gòu)性能水平的需求，本研究將竹膠板夾板剪力墻的損傷劃分為4個等級：基本完好(D<0.2，對應(yīng)小震)、輕微損傷(0.2≤D<0.55，對應(yīng)中震)、嚴(yán)重?fù)p傷(0.55≤D<0.9，對應(yīng)大震)、失效(D≥0.9，對應(yīng)倒塌)。