4 西南科技大学学报第 33 卷的抗震性能, 同时制作相同尺寸的无构造约束黏土砖墙以及传统钢筋混凝土圈梁构造柱约束黏土砖墙, 通过拟静力加载试验, 对比分析 3 片墙体之间的破坏特征, 并结合滞回曲线耗能能力等抗震性能指标对钢管混凝土圈梁构造柱建造技术作出整体评价部砌筑砖砌块, 形成整片墙体

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联崔
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1 第 33 卷第 3 期 2018 年 9 月西南科技大学学报 JournalofSouthwestUniversityofScienceandTechnology Vol.33No.3 Sep.2018 钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能安仁兵张誉李天洋 ( 西南科技大学土木工程与建筑学院四川绵阳 ) 摘要 : 以砌体结构圈梁构造柱为主要变化因素, 对 3 种类型的足尺模型墙体试件进行拟静力试验, 通过墙体的破坏形态滞回曲线等一系列试验指标对方钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能进行研究结果表明 :3 片墙体均发生弯剪型破坏, 钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体由于在反复推拉过程中构造柱的钢管与混凝土之间黏结力丧失而产生相对滑移破坏钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的滞回曲线具有明显的反 S 形特征, 在极限承载力延性和耗能能力等方面均优于无约束墙体以及钢筋混凝土圈梁构造柱约束墙体关键词 : 钢管混凝土圈梁构造柱拟静力试验抗震性能中图分类号 :TU 文献标志码 :A 文章编号 : (2018) SeismicPerformanceofWalwithConstructionalSteelBeam andcolumns ANRenbing,ZHANGYu,LITianyang (SchoolofCivilEngineringandArchitecture,SouthwestUniversityofScienceandTechnology, Mianyang621010,Sichuan,China) Abstract:Withthemasonrystructureoftheringbeamstructurecolumnbeingthemainchangingfactor, threetypesofful scalemodelwalspecimensweresubjectedtoquasi statictest.seismicbehaviorofcon creteframeswithconcrete filedsquaresteeltubularbeamswasstudiedthroughthepaternofdestruction, hysteresiscurve,skeletoncurveandstifnesdegradationcurveandothertestindicatorsofwals.there sultsshowthatthebrickwalwiththeconcrete filedsteeltubeisconstrainedduetothelosoftheadhe siveforcebetweenthesteelpipeandtheconcreteintheprocesofrepeatedpushandpul.thehysteresis curveoftheconfinedwalhasobviousanti "S"shapecharacteristics,whichissuperiortotheuncon strainedwalandthereinforcedconcreteringbeamintheultimatebearingcapacity,ductilityandenergy disipationwal. Keywords:Concrete filedsteeltube;ringbeam constructioncolumn;quasi statictest;seismicper formance 砌体结构作为一种传统而古老的建筑结构形式, 因易于就地取材运输方便施工简单等优点, 目前仍被我国村镇民居大量使用然而, 砌体结构存在抗侧移能力低整体稳定性差等缺点, 在历次大地震中均发生大面积的坍塌 [1] 因此, 国内外学者提出将钢筋混凝土框架应用于砌体结构中, 形成带圈梁构造柱约束的砌体结构体系虽然现浇圈梁构造柱技术能有效提高砌体结构的抗震性能, 但在汶川地震等震后调研发现, 因造价较高养护周期长以及施工困难等原因, 村镇砌体结构民居中难以采用 [2-3] 针对此类问题, 课题组提出将钢管混凝土优良的力学性能运用到砌体结构圈梁构造柱中, 省去了模板的支护以及混凝土的养护等工序, 缩短了施工工期为研究钢管混凝土圈梁构造柱约束砖墙收稿日期 : 基金项目 : 国家科技支撑计划子课题 (2015BAL03B03); 大学生创新训练计划项目 (17CXCY53) 作者简介 : 第一作者, 安仁兵 (1991 ), 男, 硕士研究生,E mail:arbxnkjdx@126.com; 通信作者, 张誉, 副教授, 研究方向为结构工程, E mail: @qq.com

4 西南科技大学学报第 33 卷的抗震性能, 同时制作相同尺寸的无构造约束黏土砖墙以及传统钢筋混凝土圈梁构造柱约束黏土砖墙, 通过拟静力加载试验, 对比分析 3 片墙体之间的破坏特征, 并结合滞回曲线耗能能力等抗震性能指标对钢管混凝土圈梁构造柱建造技术作出整体评价部砌筑砖砌块, 形成整片墙体钢管混凝土制作过程如图 1 所示 1 试验概况 1.

方钢管采用截面尺寸为 100mm 100mm 2mm 的 Q235 B 钢根据试验要求, 墙体应砌筑于地梁之上, 地梁长 3000mm, 截面尺寸为 300mm 250mm 试验所采用的混凝土配合比为: 水水泥砂石子 =0.38 1 1.1 2.72, 制作边长为 150mm 立方体试块, 在自然条件下养护 28d 后抗压强度为 30.

2 4 西南科技大学学报第 33 卷的抗震性能, 同时制作相同尺寸的无构造约束黏土砖墙以及传统钢筋混凝土圈梁构造柱约束黏土砖墙, 通过拟静力加载试验, 对比分析 3 片墙体之间的破坏特征, 并结合滞回曲线耗能能力等抗震性能指标对钢管混凝土圈梁构造柱建造技术作出整体评价部砌筑砖砌块, 形成整片墙体钢管混凝土制作过程如图 1 所示 1 试验概况 1.1 试件的设计与制作本实验以砌体结构中的墙体为研究对象, 根据相关实验规范和研究目的设计制作不同工况的 3 片黏土砖墙体 : 无构造约束黏土砖墙 (Q1) 带钢筋混凝土圈梁构造柱约束砖墙 (Q2) 和带钢管混凝土圈梁构造柱约束砖墙 (Q3) 3 片墙体试件的几何尺寸黏土砖强度砂浆强度等参数均相同, 主要参数见表 1 其中, 圈梁构造柱截面尺寸均为 240mm 240mm; 方钢管采用截面尺寸为 100mm 100mm 2mm 的 Q235 B 钢根据试验要求, 墙体应砌筑于地梁之上, 地梁长 3000mm, 截面尺寸为 300mm 250mm 试验所采用的混凝土配合比为: 水水泥砂石子 = , 制作边长为 150mm 立方体试块, 在自然条件下养护 28d 后抗压强度为 30.5N/mm 2 表 1 试件参数 Table1Parametersofthespecimens 砂浆砌块试件试件尺寸圈梁构造强度强度编号 B H b(mm) 柱形式等级等级 Q M5 MU7.5 无 Q M5 MU7.5 钢筋混凝土 Q M5 MU7.5 方钢管混凝土试验墙体的材料与施工工艺全部参考工程实际情况 [4] 对于钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体, 在地梁与钢管混凝土柱连接部位设置预埋钢筋, 同时在地梁上部设置与方钢管同截面的槽沟, 保证墙体与地梁的连接可靠墙体砌筑时, 将方钢管固定于预留位置处, 砌块沿钢管外壁进行砌筑, 达到指定高度后放置圈梁钢管, 并在两侧砌筑竖向砌块作为填充砌筑完成后直接在钢管中浇筑混凝土混凝土浇筑时应分层下料分层振捣, 每次下料高度不宜大于 500mm; 保证浇注密实钢管灌注完全混凝土后, 在两侧及顶 1.2 加载装置与方式图 1 Q3 墙体制作过程 Fig.1 Q3walproductionproces 试验采用拟静力方法进行 [5] 电液伺服测试系统 (MTS) 与项目组自行设计的一套夹具相连, 实现对墙体的水平反复推拉荷载, 墙体布置如图 2 所示正式加载前, 首先对墙体试件进行两次预加载, 检验墙体是否有侧移, 底梁固定情况是否良好, 观察连接夹具的钢筋是否有松弛, 地脚螺栓锚固螺栓是否有滑扣或松动情况, 并检查各测试仪器数据采集系统是否能够正常工作确认正常后, 再对墙体试件正式加载, 直至墙体破坏为止 [6] 图 2 墙体布置 Fig.2 Thelayoutofthewal 2 试验现象及破坏形态 (1)Q1 墙体试验过程与现象按前述方法进行预加载, 待各项指标正常后开始施加低周往复荷载,

第３期安仁兵等钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能４５级差为５ｋＮ每循环当水平荷载加至２５ｋＮ时墙３Ｑ３墙体试验过程与现象按前述进行预体产生第一条裂缝发生在试件左下角砂浆缝处加加载待各项指标正常后开始施加低周往复荷载极载继续向上增加一级墙体下部的水平裂缝即刻发差为１０ｋＮ每循环

柱方向出现竖向裂缝墙体破坏形式如图５所示图３Ｑ１破坏特征Ｆ３Ｔｄｏｆｑ１２Ｑ２墙体试验过程与现象按前述进行预加图５Ｑ３破坏特征Ｆ５Ｔｄｏｆｑ３载待各项指标正常后开始施加低周往复荷载极差为１０ｋＮ每循环加载初期滞回环呈现明显的梭形随着荷载的增加墙体伴有咔咔响声但墙体未出３

当位移控制达到８ｍｍ时墙体裂缝分布面积要依据７试件滞回曲线如图６所示增多之前的斜裂缝继续发展至３５ｍ竖向裂缝宽度增加墙体沿水平方向通缝开裂破坏图４１Ｑ１墙体滞回环仅在前两级加载中表现出良好的弹性性能而后滞回环变为弓形虽未产生肉眼可见裂缝但滞回环已体现出明显的残余变形荷载加至３０ｋＮ

3 第３期安仁兵等钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能４５级差为５ｋＮ每循环当水平荷载加至２５ｋＮ时墙３Ｑ３墙体试验过程与现象按前述进行预体产生第一条裂缝发生在试件左下角砂浆缝处加加载待各项指标正常后开始施加低周往复荷载极载继续向上增加一级墙体下部的水平裂缝即刻发差为１０ｋＮ每循环当荷载加载至１００ｋＮ墙体仍展贯穿整片墙体下部墙体发生平面内滑移墙体充未出现裂缝荷载继续增加到１２０ｋＮ时滞回曲线分破坏加载停止最终破坏形态如图３所示有所弯折但墙体仍未有裂缝产生当荷载加载至１３０ｋＮ时墙体以脚部为轴被抬起钢管柱与内部的混凝土柱发生界面剥离与此同时墙体左侧沿构造柱方向出现竖向裂缝墙体破坏形式如图５所示图３Ｑ１破坏特征Ｆ３Ｔｄｏｆｑ１２Ｑ２墙体试验过程与现象按前述进行预加图５Ｑ３破坏特征Ｆ５Ｔｄｏｆｑ３载待各项指标正常后开始施加低周往复荷载极差为１０ｋＮ每循环加载初期滞回环呈现明显的梭形随着荷载的增加墙体伴有咔咔响声但墙体未出３试验结果分析００ｋＮ时墙体现明显的变化特征在水平推力为１右上角出现长度约为１０ｍ的裂缝同时左下角也产３１滞回曲线生些微的水平裂缝此时改为位移加载墙体上角裂滞回曲线是荷载位移曲线是结构试件骨架曲缝斜向开展左下角裂缝水平开展右下角裂缝竖向线刚度退化曲线和能力消耗等抗震性能指标的重开展当位移控制达到８ｍｍ时墙体裂缝分布面积要依据７试件滞回曲线如图６所示增多之前的斜裂缝继续发展至３５ｍ竖向裂缝宽度增加墙体沿水平方向通缝开裂破坏图４１Ｑ１墙体滞回环仅在前两级加载中表现出良好的弹性性能而后滞回环变为弓形虽未产生肉眼可见裂缝但滞回环已体现出明显的残余变形荷载加至３０ｋＮ墙体裂缝开始产生滞回曲线产生更大的位移相对于其余两个试件Ｑ１墙体滞回环圈数较少包络面积较小在墙体荷载达到极限荷载后墙体承载力立刻大量降低具有明显的脆性破坏特征图４Ｑ２破坏特征Ｆ４Ｔｄｏｆｑ２２Ｑ２墙体的滞回曲线相对饱满滞回环面积较Ｑ１墙体明显增大在加载过程中形状由梭形逐图６试件滞回曲线Ｆ６Ｈｙｌｏｏｐｏｆｐｍｎ

4 46 西南科技大学学报第 33 卷渐向弓形转变 Q2 墙体各阶段的位移值都显著高于无约束墙体, 表明墙体具有良好的变形性能钢筋混凝土圈梁构造柱墙体开裂后, 滞回曲线斜率有所下降, 但可以看出卸载后试件仍然存在一定的残余变形 (3)Q3 墙体的滞回环的面积显著高于 Q1 墙体, 滞回环从加载初期开始便呈现出明显的反 S 形特征, 但每一加载循环结束后, 墙体的残余变形较少, 墙体表现出良好的弹性变形特征 Q3 墙体的极限荷载与极限位移明显高于 Q1 以及 Q2 墙体, 变形和耗能能力良好 3.2 骨架曲线骨架曲线是把每一滞回环上同向的荷载极值点依次连接形成的包络曲线, 是确定试件承载能力特征值以及延性系数的重要依据 [8] 试件的骨架曲线如图 7 所示提高 10.4%, 墙体的位移增大了 40.7%, 墙体的延性也略微高于 Q2 墙体, 表明钢管混凝土圈梁构造柱墙体具有更好的变形协调能力表 2 承载能力特征值及延性 Table2Bearingcapacitycharacteristicvalueandductility 墙体编号 Δ y P y Δ max P max μ - 正向 Q1 负向平均值正向 Q2 负向平均值正向 Q3 负向平均值刚度退化墙体刚度随着加载循环周数增加而不断减小的现象称之为刚度退化, 是墙体裂缝的开展以及墙体塑性变形的充分体现 [9] 各墙体刚度退化曲线如图 8 所示图 7 骨架曲线 Fig.7 Skeletoncurves (1) 在试件加载初期,3 片墙体骨架曲线基本重合, 说明 3 片墙体在弹性阶段具有相同的变形协调能力 Q1 墙体的加载曲线为直线, 说明无构造约束的墙体一裂即坏, 表现为明显的脆性破坏特征 Q2 墙体与 Q3 墙体的曲线走势基本相同, 但在相同荷载下,Q3 墙体曲线的斜率低于 Q2 墙体, 即 Q3 墙体受到与 Q2 墙体相同的水平作用力时, 能够产生更大的位移,Q3 墙体的变形性能优于 Q2 墙体 (2) 从骨架曲线中提取出的承载能力特征值以及延性系数见表 2 可以看出,Q1 墙体的屈服承载力与极限承载力接近, 说明 Q1 墙体的屈服阶段较短, 进一步证明墙体的脆性破坏特征 Q2 墙体与 Q3 墙体的屈服承载力极限承载力和延性均远远高于 Q1 墙体, 且 Q3 墙体的最终承载能力比 Q2 墙体图 8 刚度退化曲线 Fig.8 Stifnesdegrationcurves 在 3 片试验墙体中,Q1 墙体的初始刚度最小, Q2 墙体的初始刚度与 Q3 墙体接近随着加载的继续进行,Q1 墙体的刚度迅速退化并最终趋近于零 Q2 与 Q3 墙体刚度经过前几阶的迅速下降后趋于平缓,Q2 墙体破坏时的刚度保持在 N/mm;Q3 墙体的位移量比 Q2 墙体大,Q3 墙体的刚度随着位移的增加继续降低, 破坏时的残余刚度为 10336N/mm 3.4 耗能能力墙体的耗能能力通过能量耗散系数 E 以及等效黏滞阻尼系数 ζ eq 反应 [10] ( 表 3) 由表 3 可以看

5 第 3 期安仁兵, 等 : 钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能 47 出,3 片墙体的能量耗散指标 E 以及 ζ eq 均随着加载次数的增加而逐渐降低, 但 Q3 墙体的变形能在相同加载次数下均大于 Q1 和 Q2 墙体, 表明此种新型墙体的抗震性能优于传统砌体墙钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的能量耗散系数随着加载次数的增加下降很快, 表明墙体吸收能量主要发生在力施加的前期表 3 能量耗散指标 Table3Energydisipationindex 编号 Q1 Q2 Q3 E ξ eq E ξ eq E ξ eq 结论 (1) 钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体裂缝发展较晚, 由于在反复推拉过程中构造柱的钢管与混凝土之间黏结力丧失而产生相对滑移导致墙体破坏, 墙体的承载力与极限位移均比传统圈梁构造柱墙体有所提高 (2) 钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的加载循环周数较无构造约束砖墙以及传统圈梁构造柱约束墙体明显增多, 滞回环所包面积相对较大, 墙体的耗能能力有所增强 (3) 钢管混凝土圈梁构造柱技术解决了支模混凝土养护等施工不便问题, 同时有效提高了砌体结构房屋的承载能力和变形性能, 适合在设防烈度区域的混合结构农房中采用参考文献 [1] 张璇. 多层砌体结构延性破坏模式的调查与研究 [D]. 陕西西安 : 西安建筑科技大学,2010. [2] 李英民, 韩军, 刘立平, 等汶川地震砌体结构房屋震害调查与分析 [J]. 西安建筑科技大学学报 : 自然科学版,2009,10(5): [3] 谭皓, 李杰, 张电吉, 等. 玉树大地震砌体结构房屋震害特征 [J]. 工程抗震与加固改造,2011,33(5): [4] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 砌体结构工程施工质量验收规范 :GB [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2011. [5] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 建筑抗震试验规程 :JGJ/T [S]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2015. [6] 郑妮娜. 装配式构造柱约束砌体结构抗震性能研究 [D]. 重庆 : 重庆大学,2010. [7] 张津涛. 约束页岩砖砌体基本性能和抗震性能的试验研究 [D]. 江苏南京 : 东南大学,2004. [8] 杨伟军, 陈利群, 祝晓庆. 混凝土多孔砖墙体抗震性能试验研究 [J]. 工程力学,2008,9(9): [9] 周锡元, 李万举, 闫维明, 等. 构造柱约束的混凝土小砌块墙体抗震性能的试验研究 [J]. 土木工程学报, 2006,8(8): [10] 徐明, 时单, 赵娜, 等. 足尺细料石墙体抗震性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2014,6(6):

78 地震工程与工程振动第 38 卷建筑, 在地震作用下容易产生累积损伤, 发生开裂或压碎破坏, 甚至倒塌有钢筋混凝土圈梁构造柱的砌体墙, 虽然柱子对墙体的开裂荷载提高不大, 但可以提高了墙体的抗剪承载力, 同时由于圈梁对两端构造柱的拉结作用, 形成一个弱框架, 约束墙体的变形, 从而降低了地震

78 地震工程与工程振动第 38 卷建筑, 在地震作用下容易产生累积损伤, 发生开裂或压碎破坏, 甚至倒塌有钢筋混凝土圈梁构造柱的砌体墙, 虽然柱子对墙体的开裂荷载提高不大, 但可以提高了墙体的抗剪承载力, 同时由于圈梁对两端构造柱的拉结作用, 形成一个弱框架, 约束墙体的变形, 从而降低了地震第 38 卷第 5 期 2018 年 10 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.5 Oct.2018 文章编号 :1000-1301(2018)05-0077-08 DOI:10.13197/j.eeev.2018.05.77.leim.009 HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能雷敏 1 2,