謝 群, 周代昱, 于周健, 王 欣, 林明強

(1 濟南大學(xué)土木建筑學(xué)院，濟南 250022；2 日照市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司，日照 276800；3 山東建筑大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，濟南 250101)

0 引言

當(dāng)前我國農(nóng)村住房主要采用磚混結(jié)構(gòu),在抗震性能、保溫節(jié)能等方面無法滿足當(dāng)前鄉(xiāng)村宜居環(huán)境的要求,而兼具承重、保溫、隔熱、隔聲等功能于一體的夾芯墻板結(jié)構(gòu)體系作為一種有效解決方案逐漸得到關(guān)注和應(yīng)用,國家也相繼出臺了相關(guān)規(guī)范。如《鋼絲網(wǎng)架混凝土復(fù)合板結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 273—2012)[1]等。

國內(nèi)外學(xué)者也針對各類夾芯墻板的抗震性能開展了廣泛而深入的研究。2008年天津大學(xué)李硯波團隊[2]將CS墻板兩側(cè)的水泥砂漿改為鋼筋混凝土板,通過數(shù)值模擬得出了該CS板式結(jié)構(gòu)體系的開裂彎矩計算公式,確定了變形撓度計算公式的適用范圍。2013年錢稼茹團隊[3]完成了7個噴射混凝土夾芯墻的擬靜力試驗,試驗結(jié)果表明,增加邊緣構(gòu)件內(nèi)豎向鋼筋會導(dǎo)致試件發(fā)生剪切破壞,設(shè)置邊緣構(gòu)件的試件極限位移角增大,可采用現(xiàn)行國內(nèi)規(guī)范計算墻體的斜截面受剪承載力。2014年Michele Palermo等[4]進行的一個三層足尺夾芯墻體房屋振動臺試驗顯示,整體房屋下墻板的剛度和強度均比低周反復(fù)荷載下單個墻板構(gòu)件的抗震性能要高得多。2015年郝贠洪等[5]通過中間設(shè)置保溫層夾芯復(fù)合墻體和普通混凝土墻體的低周反復(fù)荷載對比試驗,發(fā)現(xiàn)夾芯墻體兩側(cè)混凝土面層可整體協(xié)同工作,夾芯墻體的承載力及抗震能力也有一定的改善。2016年Ashkan Vaziri等[6]提出一種碳纖維增強錐形蜂窩網(wǎng)格夾芯墻,試驗證明此新型墻體具有更高的能量耗散能力和承載能力。2015年至2016年湯偉忠和張泉[7-8]對帶構(gòu)造柱的新型復(fù)合砌體墻進行了抗震試驗,并推導(dǎo)出新型復(fù)合墻體的抗剪切承載力計算公式。2018年袁泉等[9]提出了輕鋼聚苯顆粒泡沫混凝土組合墻體,發(fā)現(xiàn)組合墻體的受剪承載力和初始抗側(cè)剛度相比無填充材料墻體都得到了提高。2018年Victor Birman等[10]全面介紹了夾芯板結(jié)構(gòu)的理論發(fā)展、設(shè)計和應(yīng)用的最新趨勢。2018年楊增科等[11]進行了4榀不同保溫構(gòu)造裝配式復(fù)合墻體試件的抗震試驗,結(jié)果表明試件均具有較強的抗倒塌性和很好的耗能能力和承載力。2019年張微敬等[12]研究了大剪跨比預(yù)制空心板剪力墻的抗震性能,試件破壞均為壓彎破壞,實現(xiàn)了強剪弱彎設(shè)計目標(biāo),可按現(xiàn)澆剪力墻計算偏心受壓空心板剪力墻的受壓承載力。2019年東南大學(xué)李愛群團隊[13]對一種新型現(xiàn)澆混凝土夾芯墻并進行了擬靜力試驗和模擬,發(fā)現(xiàn)碳纖維和型鋼混凝土的使用可以提高變形能力,減少結(jié)構(gòu)損傷,保持結(jié)構(gòu)的能量耗散。2019年王濤團隊[14]提出了在北極海洋平臺上使用鋼-混凝土-鋼夾芯墻和J形鉤連接件作為防護結(jié)構(gòu),并進行了橫向循環(huán)荷載試驗;建立了預(yù)測南海夏令時峰值側(cè)向阻力的分析模型。2020年劉軍等[15]研發(fā)了一種抗震和保溫性能好的新型陶?；炷翃A心保溫墻板,采用ABAQUS軟件分析發(fā)現(xiàn)該墻板具有較好的抗震性能和耗能能力。2020年Dong-Hyeon Shin和Hyung-Joon Kim[16]研發(fā)了一種新型夾芯墻板,試驗發(fā)現(xiàn)隨著剪力連接件數(shù)量的增加,剪力墻的承載能力和變形能力增強,全組合剪力墻至少需要10個剪力連接件。2021年喬文濤團隊[17]提出了一種帶內(nèi)嵌柱的保溫夾芯混凝土墻,進行了低周循環(huán)荷載試驗,結(jié)果表明水平配筋間距越大,抗剪承載力、延性和耗能能力越高,內(nèi)嵌柱的存在提高了試件的抗剪承載力和延性。大部分裝配式墻體抗震性能受墻板高厚比影響較大,現(xiàn)有研究多集中在夾芯墻板的抗震性能和耗能能力,而對墻板尺寸影響的相關(guān)研究較少。

為了解決當(dāng)前農(nóng)村磚混結(jié)構(gòu)房屋普遍存在的抗震與保溫問題,并結(jié)合當(dāng)前國家大力推廣的預(yù)制裝配式建筑技術(shù),本文整合了傳統(tǒng)鋼絲網(wǎng)夾芯墻板與現(xiàn)澆剪力墻的優(yōu)點,提出了一種新型裝配式噴射混凝土夾芯墻板。該墻板由夾芯狀排列的三部分構(gòu)成,中間層為預(yù)制泡沫混凝土板,兩側(cè)是承重細(xì)石混凝土面層,可根據(jù)承載力需要調(diào)整面層厚度。面層施工采用噴射混凝土施工工藝,噴射混凝土前預(yù)先在面層內(nèi)布置鋼絲網(wǎng),在噴射施工時便于細(xì)石混凝土固結(jié)定型,起到良好掛漿作用,保證噴射施工質(zhì)量,其作為結(jié)構(gòu)承重部分在使用階段還能有效防止面層混凝土開裂。沿墻板截面等間距設(shè)置暗柱,暗柱內(nèi)采用預(yù)制螺旋箍筋,并向兩側(cè)伸出拉結(jié)筋,噴射混凝土夾芯墻構(gòu)造見圖1,墻體施工工序與試件制作現(xiàn)場照片見圖2。該墻板的面層和暗柱可作為承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件抵抗豎向和水平荷載,內(nèi)部泡沫混凝土塊則提供了保溫隔聲等建筑功能,因此可用于農(nóng)村低層建筑,為掌握該類墻體結(jié)構(gòu)的抗震性能,通過試件低周反復(fù)加載試驗和計算理論,分析高寬比和偏心距等因素的影響,并為該類墻板的應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。

圖1 噴射混凝土夾芯墻構(gòu)造

圖2 墻體施工工序與試件制作現(xiàn)場照片

1 噴射混凝土夾芯墻板擬靜力試驗

1.1 試件設(shè)計

試件數(shù)量為三個,編號分別為NPI、NPE和NSE,每個試件墻板高度均為1550mm,面層厚度為25mm,芯層厚度根據(jù)內(nèi)外墻不同保溫要求,采用60mm和150mm兩種,設(shè)置矩形鋼筋混凝土頂梁和H形底梁。試件軸壓比均為0.1,頂梁施加恒定豎向荷載。試件詳細(xì)信息見表1與圖3,鋼筋和混凝土材料實測力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表1 試件信息

表2 材料實測力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 試驗裝置

采用2 000kN液壓千斤頂在試件頂部施加恒定的豎向荷載,采用500kNMTS作動器在頂部施加往復(fù)水平力,加載裝置見圖4。

圖4 加載示意圖

1.3 測點布置

本次試驗主要量測混凝土應(yīng)變、鋼筋應(yīng)變及試件的側(cè)移變形,混凝土和鋼筋測點布置分別見圖5與圖6,位移測點布置見圖7。位移計布置在試件兩側(cè)以量測加載過程中平面內(nèi)側(cè)向位移;混凝土應(yīng)變片布置在面層底部和暗柱表面;鋼筋應(yīng)變片設(shè)置在暗柱內(nèi)的縱向鋼筋上。

圖5 混凝土應(yīng)變測點布置

圖6 鋼筋應(yīng)變測點布置

圖7 位移測點布置

1.4 加載制度

整個加載過程采用位移控制,由于暗柱內(nèi)采用冷拉鋼筋,無明顯屈服點,因此以墻面開裂作為循環(huán)加載的分界點,開裂前每級位移循環(huán)一次,開裂后每級位移循環(huán)三次。加載方案見表3,其中加粗項為各試件開裂時的數(shù)據(jù)。

表3 各試件位移角和加載位移

位移角取試件頂部水平位移與加載點距試件底梁頂面的豎向高度之比,三個試件該高度均為1700mm。正式加載前采取預(yù)加載,預(yù)加載為分三級,位移分別為0.85、1.36、1.89mm,以檢測加載和量測設(shè)備是否工作正常。

1.5 試件破壞過程

在最初幾級側(cè)移下試件基本處于彈性階段,墻板表面未出現(xiàn)開裂,且在完全卸載后無殘余變形。開裂后承載力仍有一定增長,但出現(xiàn)明顯的殘余變形,峰值荷載一般出現(xiàn)在側(cè)移達到15mm左右,隨后承載力逐漸降低,三個試件的極限位移均在20mm,此時承載力均下降到峰值荷載的85%以下,隨即停止加載。各試件的典型受力荷載與位移信息見表4。

表4 典型受力荷載及位移

試件NPI在位移加載至4.25mm時,墻面出現(xiàn)了第一條裂縫;位移為11.72mm時,暗柱A與噴射混凝土面層連接處出現(xiàn)沿墻高的豎向裂縫;位移為17mm時,角部混凝土壓潰嚴(yán)重并發(fā)生剝落。

試件NPE在位移加載至5.31mm循環(huán)時開裂;位移為7.23mm時,暗柱A出現(xiàn)沿墻厚方向水平裂縫;位移11.72mm循環(huán)下,暗柱B與面層連接處豎向開裂;當(dāng)位移為17mm時,暗柱B角部混凝土發(fā)生破壞崩落且暗柱縱筋壓曲裸露,暗柱B破壞嚴(yán)重導(dǎo)致墻體承載力顯著下降。

試件NSE的初始開裂位移為7.23mm,隨后暗柱A沿墻厚方向出現(xiàn)水平裂縫,位移加載至11.72mm時,面層與暗柱交接處開裂;位移加載至14.12mm時,試件底部出現(xiàn)水平貫通裂縫;位移加載至17mm時,面層局部混凝土脫落,裸露處鋼絲網(wǎng)拉斷。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 破壞形態(tài)分析

三個試件破壞時沿墻面全高分布較為明顯的斜向裂縫,主斜裂縫均發(fā)生在試件暗柱角部,裂縫寬度達到1.5mm,并伴隨有角部混凝土壓潰,從破壞形態(tài)可以判斷墻體發(fā)生剪切破壞。墻體的典型破壞見圖8。由于暗柱與面層形成的箱形截面整體剛度較大,各試件的極限側(cè)向變形均未超過20mm,面層裂縫數(shù)量不多,且裂縫寬度很小。

圖8 裂縫發(fā)展與破壞形態(tài)

2.2 混凝土和鋼筋應(yīng)變分析

2.2.1 混凝土應(yīng)變分析

各試件混凝土暗柱應(yīng)變的變化趨勢大致相同,在軸向荷載的作用下表現(xiàn)為壓應(yīng)變,且受低周反復(fù)荷載的影響較小;隨著荷載持續(xù)增長,應(yīng)變呈現(xiàn)雙向擴散的趨勢,體現(xiàn)了混凝土不同位置的破壞程度。試件NPI的暗柱混凝土應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。

圖9 試件NPI暗柱混凝土應(yīng)變

2.2.2 鋼筋應(yīng)變分析

試件NPI、NPE和NSE鋼筋應(yīng)變發(fā)展趨勢基本相同。由于試件混凝土強度偏低,因此暗柱內(nèi)縱向鋼筋未屈服。試件同一側(cè)暗柱內(nèi)的縱筋受力一致,但兩端暗柱內(nèi)縱筋受力情況則相反,試件整體受彎特點明顯。試件NPI暗柱縱筋應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。

圖10 試件NPI暗柱縱筋應(yīng)變

2.3 抗震性能分析

2.3.1 滯回曲線

如圖11所示,三個試件的滯回曲線形狀都接近弓形,表現(xiàn)出明顯“捏縮”效應(yīng)。以下從高厚比和高寬比兩個方面進行分析。

圖11 試件滯回曲線對比

(1)高厚比的影響。試件NPI和NPE在設(shè)計時考慮不同的夾芯層厚度,NPI、NPE的高厚比分別為12和7,其滯回曲線對比見圖11(a),二者的曲線形狀相近,相同側(cè)移下試件NPE的荷載一直高于試件NPI,試件NPE峰值荷載較NPI高20.8%,兩個試件在達到峰值荷載后承載力均沒有明顯的下降,表現(xiàn)出較好的耗能能力和延性。

(2)高寬比的影響。試件NPE的墻板寬度為1200mm,試件NSE的墻板寬度為740mm,試件NPE、NSE的高寬比分別為1.3和2.1,滯回曲線對比見圖11(b)。從圖中可以看出,兩個試件的滯回曲線差異較大,試件NSE的承載力明顯低于NPE,由于試件NPE除兩端有暗柱外,墻板中間也有暗柱,而試件NSE僅在兩端有暗柱,造成其耗能能力和承載力均大大降低。

2.3.2 骨架曲線

三個試件的骨架曲線如圖12所示?？梢钥闯?各試件的骨架曲線在加載初期均表現(xiàn)為彈性變化,加載剛度無明顯降低。隨著側(cè)移逐漸增大,試件開裂后骨架曲線呈現(xiàn)非線性發(fā)展,達到承載力峰值后進入強度下降階段,同時出現(xiàn)較為明顯的剛度退化。

圖12 試件骨架曲線對比

(1)高厚比的影響。試件NPI和NPE的骨架線發(fā)展過程基本相同,加載初期試件NPE的骨架線斜率略高于試件NPI。當(dāng)試件NPI和NPE的水平位移分別達到11.72mm和14.12mm時,骨架曲線出現(xiàn)峰值點,高厚比小的試件NPE峰值荷載和峰值位移均高于試件NPI,具有更好的耗能能力。

(2)高寬比的影響。相比于試件NPE,高寬比較大的試件NSE骨架線的上升段和下降段都更加平緩,其峰值荷載僅為試件NPE的51.7%,試件NSE在達到峰值荷載后隨即破壞,延性相對較差。

2.3.3 剛度退化

三個試件的剛度退化曲線如圖13所示。

圖13 各試件剛度曲線

(1)高厚比的影響。試件NPE的初始剛度略高于NPI,隨著位移的增長,二者的剛度退化速度基本一致,尤其是開裂后兩條曲線基本吻合。

(2)高寬比的影響。試件NSE的初始剛度顯著低于試件NPE,但試件NPE在受力前期剛度下降速度則更快,在受力后期剛度下降變緩,表現(xiàn)為曲線前期較陡,后期則相對平滑;而試件NSE的剛度下降速度較為均勻,曲線整體較為平緩,未出現(xiàn)突變。

2.3.4 耗能能力

采用能量耗散系數(shù)E和等效黏滯阻尼系數(shù)he對試件的耗能能力進行評價,計算示意圖見圖14,計算方法見公式(1)和(2)。

圖14 等效黏滯阻尼系數(shù)計算示意圖

各試件等效黏滯阻尼系數(shù)計算結(jié)果見表5。由表可知,試件NPI的耗能系數(shù)和等效黏滯阻尼系數(shù)均最大,說明其耗能能力最強;試件NSE的這兩個值最小,耗能能力最弱,說明在合理范圍內(nèi)提高高厚比或降低高寬比會得到更好的耗能性能。

表5 各試件等效黏滯阻尼比

2.4 斜截面受剪承載力計算理論分析

該墻體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造類似于鋼筋混凝土剪力墻,采用國內(nèi)外代表性規(guī)范中剪力墻的斜截面抗剪承載力設(shè)計方法對試件進行理論分析。

2.4.1 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)(2015年版)

考慮到本墻板面層施工采用噴射混凝土技術(shù),而且與暗柱非同時澆筑,因此參考《噴射混凝土加固技術(shù)規(guī)程》(CECS161∶2001)的相關(guān)規(guī)定,對噴射混凝土的抗剪強度進行折減,引入強度折減系數(shù)α,α取0.8。按照箱形截面計算墻板的斜截面抗剪承載力,見式(3):

(3)

式中符號含義詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010—2010)(2015年版)(簡稱混規(guī))第11.7.4條。

2.4.2 美國規(guī)范ACI318-19

美國規(guī)范ACI318-19中對地震作用下鋼筋混凝土剪力墻的抗剪承載力計算時考慮了高寬比(hw/lw)和水平配筋率ρt的影響,其計算方法見式(4):

式中:V為試件的抗剪強度,kN;φ為偏心受壓下強度降低系數(shù),取φ=0.75;αc為混凝土強度影響系數(shù),該系數(shù)與高寬比有關(guān),根據(jù)ACI318-19中對該系數(shù)的取值規(guī)定,試件NPI、NPE的高寬比為1.3,取αc=0.25,試件NSE的高寬比為2.1,取αc=0.17;λ為輕質(zhì)混凝土折減系數(shù),取λ=0.85;ρt為水平鋼筋配筋率;fyt為箍筋屈服強度,N/mm2;Acv為混凝土截面面積,mm2。

2.4.3 歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode2

歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode2中采用經(jīng)典桁架模型理論進行鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪承載力分析,在壓剪復(fù)合作用下可將本墻板的兩側(cè)暗柱分別看作受壓弦桿和受拉弦桿,噴射混凝土面層視為受壓腹桿,水平鋼筋則看作受拉腹桿。計算公式如下:

VRd,max=αcwbwzv1fcd/(cotθ+tanθ)

(6)

V=min{VRd,s,VRd,max}(7)

式中:VRd,s為配有抗剪鋼筋的構(gòu)件抗剪強度,kN;VRd,max為配有抗剪鋼筋的構(gòu)件抗剪強度最大值,kN;Asw為抗剪鋼筋的橫截面面積,mm2;s為水平分布筋間距,mm;z為內(nèi)力臂,即受壓弦桿合力點與受拉弦桿合力點之間的距離,mm;fywd為抗剪鋼筋屈服強度設(shè)計值,N/mm2;θ為混凝土受壓腹桿與梁軸線的夾角,推薦取值1≤cotθ≤2.5,即21.8°≤θ≤45°;αcw為受壓弦桿應(yīng)力系數(shù);bw為受拉弦桿與受壓弦桿之間最小寬度,mm;v1為混凝土受剪開裂強度降低系數(shù);fcd為混凝土抗壓強度,N/mm2。

2.4.4 斜截面受剪承載力計算結(jié)果分析

采用上述各規(guī)范的斜截面承載力計算方法分析本墻板,理論值與試驗結(jié)果對比見表6。表中相對誤差是指計算值與試驗值的差與試驗值之比。

表6 斜截面受剪承載力對比

從表6數(shù)據(jù)綜合對比可以看出,按我國混規(guī)得到的理論值與試驗值相比誤差最小,因此,在本墻板受剪承載力設(shè)計時,建議采用我國混規(guī)推薦的剪力墻斜截面受剪承載力計算公式。

3 結(jié)論

通過三組試件的低周反復(fù)加載試驗,研究了裝配式噴射混凝土夾芯墻板的抗震性能,并采用規(guī)范推薦的承載力計算方法進行理論分析,得出以下結(jié)論:

(1)高厚比不同的試件NPI和NPE都表現(xiàn)為剪切破壞,二者滯回曲線形狀與面積相近,但是高厚比較大的試件NPE峰值荷載高于試件NPI,其耗能能力更好,因此在一定范圍內(nèi)高厚比越大,越有利于墻板抗震。

(2)高寬比較小的試件NPE峰值荷載較試件NSE高約93.3%,但二者的變形能力相近。試件NPE的剛度退化曲線前期較陡,后期則相對平滑;而試件NSE的曲線整體較為平緩。因此在墻板設(shè)計時應(yīng)將高寬比控制在合理范圍內(nèi)。

(3)三種規(guī)范計算理論與試驗結(jié)果對比可發(fā)現(xiàn),我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)中剪力墻斜截面受剪承載力計算方法與試驗值吻合較好,可用于該墻板的設(shè)計指導(dǎo)。