陳國(guó)新, 阿熱帕提·艾斯凱爾, 席亮

(1.嘉興學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 浙江 嘉興 314001;2.烏魯木齊建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司, 新疆 烏魯木齊 830092;3.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830052)

0 引言

帶縱向加強(qiáng)肋復(fù)合墻體是在普通砌體墻中設(shè)置多道鋼筋混凝土肋梁來(lái)提高墻體性能的一種新型建筑結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。因?yàn)椴捎眯阅軆?yōu)良的保溫隔熱砌塊[1],并把肋梁與邊框柱澆筑成一個(gè)整體,所以該結(jié)構(gòu)體系是一種即環(huán)保又安全的砌體結(jié)構(gòu)體系[2-3],具有成本低、施工設(shè)備依賴性不高等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 帶縱向加強(qiáng)肋復(fù)合墻體Fig.1 Composite wall with longitudinal stiffener rib

近年來(lái),國(guó)內(nèi)專家學(xué)者對(duì)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)的豎向力學(xué)性能進(jìn)行了廣泛研究。王愛(ài)民等[4]對(duì)密肋復(fù)合砌體墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明豎向荷載在墻體各部件按照部件剛度來(lái)分配 ,其邊框柱承擔(dān)最多的豎向荷載,肋柱次之。董心德等[5]對(duì)組合磚墻進(jìn)行了分析,提出了墻體豎向承載力計(jì)算方法和荷載傳遞規(guī)律,為組合磚墻體設(shè)計(jì)提供了參考。趙麗君[6]對(duì)綠色節(jié)能復(fù)合墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明肋柱承擔(dān)了多部分豎向荷載,并提出了墻體承載力計(jì)算公式。董華[7]對(duì)密肋復(fù)合砌體墻進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明邊框柱承擔(dān)了大部分豎向荷載,砌塊承擔(dān)了較小部分,但其對(duì)墻體有支撐作用,與墻體其他部件共同工作來(lái)提高墻體承載力。侯莉娜等[8]對(duì)生態(tài)復(fù)合墻體進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明各組件分配豎向荷載比例與暗梁、邊框柱剛度以及復(fù)合墻板等效彈性模量等因素有關(guān),并分析了影響墻體受力分配關(guān)系的因素,建立了墻體在豎向荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算模型。陳國(guó)新等[9]對(duì)帶縱向加強(qiáng)肋復(fù)合墻體進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明洞口對(duì)墻體承載能力影響較大,其洞口率影響最明顯。

上述研究表明,復(fù)合墻體內(nèi)豎向荷載在各部件中分配傳遞,邊框柱承擔(dān)墻體多部分荷載,洞口對(duì)砌體墻承載能力影響較大,并為各類墻體受壓承載力提出了計(jì)算公式和分配關(guān)系。墻體在實(shí)際使用中因功能需求常常會(huì)帶門、窗洞口工作的,而洞口使墻體整體性削弱,承載能力下降[10]。由于對(duì)于豎向荷載在開(kāi)洞復(fù)合墻體中的分配情況和承載力計(jì)算方面研究較少,因此,本文中對(duì)三榀1/2比例帶縱向加強(qiáng)肋復(fù)合墻體進(jìn)行豎向承載力靜力試驗(yàn),以彈性地基梁理論為基礎(chǔ),提出豎向荷載中墻體的簡(jiǎn)化力學(xué)模型,計(jì)算墻體各部件所承擔(dān)荷載,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,分析墻體各部件所分配荷載規(guī)律,為墻體在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況及結(jié)果

1.1 試件設(shè)計(jì)

制作三榀墻體,編號(hào)分別為SCW-1(未開(kāi)洞)、SCW-2(開(kāi)門洞)、SCW-3(開(kāi)窗洞)。墻體實(shí)際尺寸為2.8 m×0.2 m×3.0 m(長(zhǎng)度×寬度×高度),試驗(yàn)墻體采用1/2縮尺比例制作,尺寸為1.4 m×0.1 m×1.5 m(長(zhǎng)度×寬度×高度),邊框柱和外框梁截面為100 mm×100 mm(長(zhǎng)度×寬度),肋梁肋柱截面為100 mm×50 mm(長(zhǎng)度×寬度),各試件墻體尺寸詳情如圖2所示。邊框柱和外框梁配縱筋為4φ6,采用HPB300鋼筋,配箍筋為φ4@100,采用冷拔絲,肋梁肋柱配縱筋為4φ4,配箍筋為φ2@100,均采用冷拔絲。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3

1.2 試件加載

本試驗(yàn)通過(guò)100 t液壓作動(dòng)器、豎向千斤頂、加載支架和水平鋼梁來(lái)完成加載,加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置Fig.3 Test loading device

試驗(yàn)采用力控制加載法對(duì)試件進(jìn)行豎向單調(diào)加載,分預(yù)加載和試驗(yàn)2個(gè)階段完成墻體的加載。預(yù)加載階段每25 kN為一級(jí),分2級(jí)對(duì)試件施加50 kN荷載,每級(jí)保持5 min,施加完再逐級(jí)卸載至0。試驗(yàn)階段,墻體SCW-1每50 kN為一級(jí),墻體SCW-2與SCW-3每30 kN為一級(jí),加載至墻體破壞,每級(jí)荷載保持10 min,加載速率為10 kN/min。

1.3 材料力學(xué)性能

試驗(yàn)所用鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 鋼筋力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical property index of reinforced

墻體邊框柱、外框梁采用強(qiáng)度等級(jí)為C30混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑,其抗壓強(qiáng)度為32.3 MPa,彈性模量為3×104MPa。采用B06蒸壓加氣混凝土砌塊,其抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa,彈性模量為2.2×103MPa。采用M5.0的砂漿,其抗壓強(qiáng)度為7.6 MPa。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 墻體荷載-位移關(guān)系

在墻體頂部?jī)啥撕椭虚g位置設(shè)置3個(gè)位移計(jì)讀取不同荷載級(jí)別下的豎向變形。墻體頂部荷載-位移曲線如圖4所示。

從圖可知,墻體SCW-1在加載到50 kN之前,頂部幾乎沒(méi)有出現(xiàn)位移,墻體整體性完好;從50 kN加載到175 kN時(shí),墻體荷載-位移曲線呈線性增長(zhǎng),墻體處于彈塑性受力階段;荷載超過(guò)175 kN之后,墻體荷載-位移曲線變緩,墻體處于臨界破壞階段;之后,隨位移的增加荷載不再提升,表明墻體破壞。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3(注:右端位移計(jì)脫落)

墻體SCW-2在加載到75 kN之前,頂部位移緩慢增長(zhǎng),墻體兩端變形規(guī)律基本相同;隨著不斷加載,墻體各測(cè)點(diǎn)變形基本保持線性增長(zhǎng);因開(kāi)洞不對(duì)稱導(dǎo)致墻體兩側(cè)剛度相差較大,因此剛度大的左側(cè)承擔(dān)更多的荷載,因而墻體左側(cè)的位移始終大于右側(cè)的。

墻體SCW-3在加載到70 kN之前,頂部位移較平穩(wěn)增長(zhǎng);豎向荷載從70 kN加載到210 kN過(guò)程中位移增長(zhǎng)較快,墻體處于彈塑性受力階段;在繼續(xù)加載到250 kN過(guò)程中,墻體中部位移不隨荷載的增加而增長(zhǎng),表明此階段砌塊和肋梁已退出工作,更多的荷載由邊框柱來(lái)承擔(dān),這驗(yàn)證了邊框柱提高墻體承載力的作用[11]。

1.4.2 鋼筋應(yīng)變

① 邊框柱鋼筋。墻體邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖5所示。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3

從圖5(a)可見(jiàn),墻體SCW-1邊框柱中、底部截面鋼筋荷載-應(yīng)變規(guī)律基本相同,可分成3個(gè)階段。加載到150 kN之前,邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng),邊框柱處于彈性階段;在加載到200 kN過(guò)程中,邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線變陡,鋼筋應(yīng)變不隨荷載增加而變大,邊框柱處于彈塑性階段;加載到250 kN之后,鋼筋荷載-應(yīng)變曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯提升,此時(shí)邊框柱鋼筋基本屈服,墻體接近極限荷載。

從圖5(b)可見(jiàn),墻體SCW-2邊框柱各截面鋼筋荷載-應(yīng)變規(guī)律較一致。加載到30 kN之前,邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線呈線性增長(zhǎng);在加載到60 kN過(guò)程中,邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線變陡;之后隨著不斷加載,邊框柱鋼筋荷載-應(yīng)變曲線基本保持線性增長(zhǎng),因墻體兩側(cè)豎向剛度不均勻,導(dǎo)致了左側(cè)框柱鋼筋的應(yīng)變始終大于右側(cè)框柱鋼筋的。

從圖5(c)可見(jiàn),墻體SCW-3邊框柱左、右截面鋼筋荷載-應(yīng)變規(guī)律具有較好的一致性。加載至30 kN時(shí),各鋼筋荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn);加載到60 kN之前,鋼筋出現(xiàn)短暫強(qiáng)化,邊框柱處于彈塑性階段;加載到210 kN之后,鋼筋荷載-應(yīng)變曲變陡,鋼筋處于強(qiáng)化階段,鋼筋荷載-應(yīng)變曲線變緩,邊框柱處于臨界破壞階段。

② 肋梁鋼筋。試驗(yàn)墻體均設(shè)置三道肋梁,通過(guò)應(yīng)變片測(cè)出各肋梁縱筋中間的應(yīng)變,并對(duì)其進(jìn)行分析。墻體肋梁鋼筋荷載-應(yīng)變曲線如圖6所示(圖中b2、b5和b8分別表示底部、中部和上部加強(qiáng)肋梁中鋼筋應(yīng)變片編號(hào))。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3

從圖6(a)可見(jiàn),墻體SCW-1的3道肋梁荷載-應(yīng)變曲線相差較大,底部肋梁鋼筋均為受壓狀態(tài),上部肋梁鋼筋均為受拉狀態(tài),中部肋梁鋼筋受到極小的拉應(yīng)力,并有過(guò)渡到壓應(yīng)力的趨勢(shì)。加載到50 kN之前,鋼筋應(yīng)變均不大;加載到100 kN之后,荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)砌塊已退出工作,更多荷載由肋梁承擔(dān)。

從圖6(b)可見(jiàn),墻體SCW-2中、上部肋梁荷載-應(yīng)變曲線相差較大,上部肋梁鋼筋均為受拉狀態(tài),中部肋梁鋼筋在加載到250 kN之前不出現(xiàn)應(yīng)變,之后出現(xiàn)了極小的拉應(yīng)力。加載到120 kN時(shí),上部肋梁鋼筋出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)砌塊已退出工作,更多荷載由肋梁承擔(dān)。由于應(yīng)變片受損,因此未能獲取底部肋梁鋼筋應(yīng)變情況。

從圖6(c)可見(jiàn),墻體SCW-3的3道肋梁荷載-應(yīng)變曲線相差較大,窗洞下端肋梁鋼筋均為受壓狀態(tài),窗洞上端肋梁鋼筋均為受拉狀態(tài)。加載到250 kN之后,荷載-應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),此時(shí)砌塊已退出工作,更多荷載由肋梁承擔(dān)。

2 理論計(jì)算及分析

2.1 簡(jiǎn)化力學(xué)模型及推導(dǎo)公式

把地基假定成均值且連續(xù)的彈性半無(wú)限體可得到彈性地基梁模型[12]如圖7所示,適用處于彈性階段墻體的變形特征,因此以其為基礎(chǔ),建立墻體的力學(xué)計(jì)算模型,并假定材料均為彈性材料,外框梁不出現(xiàn)較大變形[13]。

(a) 彈性支座連續(xù)梁

(b) 計(jì)算模型

根據(jù)受力情況把整體梁分為若干段,并在各段梁下施加彈性支座,得到彈性支座連續(xù)梁如圖7(a)所示。

設(shè)彈性支座連續(xù)梁有Ki(i= 1,2,…,N)個(gè)彈性支座,其中K1,K2,…,Kn(n= 1,2,…,N)為約束移動(dòng)彈簧剛度,Kn+1,Kn+2,…,Kn+n為約束轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧剛度。為了簡(jiǎn)化計(jì)算,均布荷載替換為集中荷載,設(shè)梁受m組荷載Pk、Mk(k=1,2,…,m)。

通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)混合法計(jì)算墻體,計(jì)算模型如圖7(b)所示。先固定彈性支座連續(xù)梁一段,再去掉其余支座,用虛力Xi(i= 1,2,…,N)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生原結(jié)構(gòu)一樣的角位移φ0和線位移Δ0。由此承載力計(jì)算變?yōu)橹ё戳i、角位移φ0和線位移Δ0的求解。

由支座變形條件得

(1)

(2)

由平衡條件得

(3)

(4)

因?yàn)榱憾宿D(zhuǎn)角φ0很小,所以取式(1)中tanφ0=φ0。聯(lián)立式(1)至式(4),可得連續(xù)梁基本力學(xué)方程

(5)

式中:δij為Xj(j=1, 2, …,N)方向產(chǎn)生的位移;Δip為Xi方向產(chǎn)生的位移。分別根據(jù)不同情況來(lái)計(jì)算:

① 當(dāng)Ki、Kj均為約束移動(dòng)彈簧時(shí),有

(6)

② 當(dāng)Ki、Kj均為約束轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧時(shí),有

(7)

③ 當(dāng)Ki為約束移動(dòng)彈簧,Kj為約束轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧時(shí),有

(8)

④ 當(dāng)Ki為約束轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧,Kj為約束移動(dòng)彈簧時(shí),有

(9)

⑤ 當(dāng)Ki為約束移動(dòng)彈簧時(shí),有

(10)

⑥ 當(dāng)Ki為約束轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧時(shí),有

(11)

求解式(5)可得出任一支座的支座反力Xi。

2.2 反力計(jì)算及結(jié)果分析

2.2.1 反力計(jì)算

根據(jù)等效彈性板理論[14]和本課題組前期研究成果[15],把處于彈性階段的墻體等效為彈性板,并將其視為雙向纖維模型,墻體等效模型如圖8所示。根據(jù)前期研究成果,等效板彈性模量由式(12)計(jì)算[16]。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3

E=ηEcVc+EqVq,

(12)

式中:η為修正系數(shù),取0.7;Ec、Eq分別為混凝土、砌塊彈性模量;Vc、Vq為混凝土、砌塊體積分?jǐn)?shù)。

將邊框柱除外部分等分為6個(gè)等效板。計(jì)算外框梁抗彎剛度EI=250 kN·m2,邊框柱剛度K7=2×105kN/m,外框梁受轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度K8=250 kN·m2。由式(12)計(jì)算各等效板彈性模量,并考慮邊框柱加強(qiáng)的影響。墻體各等效板剛度見(jiàn)表2。墻體計(jì)算模型如圖9所示。

表2 墻體各等效板剛度Tab.2 Stiffness of equivalent panels of the wall

(a) 等效彈性支座

(b) 支座反力計(jì)算模型

為了分析豎向荷載在墻體內(nèi)的分布情況,由式(13)計(jì)算邊框柱所受荷載。

σs=εEs,σc=εEc,f=σsAs+σcAc,

(13)

式中:σs、σc分別為鋼筋和混凝土應(yīng)力;Es、Ec分別為鋼筋和混凝土彈性模量;As、Ac分別為鋼筋和混凝土面積;f為邊框柱承擔(dān)荷載值;因假設(shè)混凝土與鋼筋之間沒(méi)有滑移,因此應(yīng)變?nèi)′摻钤囼?yàn)值。墻體SCW-1、SCW-2、SCW-3計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3至表5。

表3 墻體SCW-1計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Calculation and test results of wall SCW-1

2.2.2 結(jié)果分析

由試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果可知,三榀墻體邊框柱荷載試驗(yàn)值與理論計(jì)算值最大相對(duì)誤差為14.7%、平均誤差為10.2%,即理論計(jì)算具有一定的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)結(jié)果表明,三榀墻體邊框柱在豎向荷載下所分配的荷載比例均值分別為55.2%(SCW-1)、58.1%(SCW-2)、57.6%(SCW-3),帶洞口墻體邊框柱所分配的荷載比例均高于未開(kāi)洞墻體和三榀墻平均值56.9%。

表4 墻體SCW-2計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Calculation and test results of wall SCW-2

表5 墻體SCW-3計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Calculation and test results of wall SCW-3

墻體各部件荷載分配變化規(guī)律如圖10所示。由圖10(a)與計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),整個(gè)加載過(guò)程中墻體SCW-1邊框柱承擔(dān)了51.4%～57.3%的豎向荷載,墻體各部件所承擔(dān)的荷載變化曲線呈線性增長(zhǎng),隨著荷載的不斷增加墻體各部件所承擔(dān)的荷載比值基本不變,其中邊框柱承擔(dān)的荷載最大,墻體中間砌塊承擔(dān)的荷載最小。

由圖10(b)與計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),整個(gè)加載過(guò)程中墻體SCW-2邊框柱承擔(dān)了55.8%～60.6%的豎向荷載,墻體各部件所承擔(dān)的荷載變化曲線呈線性增長(zhǎng),隨著荷載的不斷增加墻體各部件所承擔(dān)的荷載比值基本不變,其中邊框柱承擔(dān)的荷載最大,墻體左端砌塊和肋柱承擔(dān)的荷載次之,中間砌塊承擔(dān)的荷載最小,加載到120 kN之后,門洞上部砌塊承擔(dān)極小一部分的荷載。

由圖10(c)與計(jì)算結(jié)果可見(jiàn),整個(gè)加載過(guò)程中墻體SCW-3邊框柱承擔(dān)了55.7%～60.4%的豎向荷載,墻體各部件所承擔(dān)的荷載變化曲線呈線性增長(zhǎng),隨著荷載的不斷增加墻體各部件所承擔(dān)的荷載比值基本不變,其中邊框柱承擔(dān)的荷載最大,洞口邊砌塊承擔(dān)的荷載最小,加載到60 kN之后,洞口上下部砌塊承擔(dān)極小一部分的荷載。

從試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果來(lái)看,墻體SCW-1邊框柱在加載初期承擔(dān)的荷載比值最小為51.4%,這時(shí)砌塊承擔(dān)的荷載比值最大,荷載達(dá)到100 kN時(shí),邊框柱承擔(dān)的荷載比值達(dá)到最大為57.3%,這時(shí)砌塊少承擔(dān)了一部分荷載,之后隨著荷載的增加邊框柱承擔(dān)的荷載開(kāi)始減少,直到墻體破壞邊框柱所承擔(dān)的荷載一直在55%左右,砌塊承擔(dān)荷載也比較穩(wěn)定。

(a) SCW-1

(b) SCW-2

(c) SCW-3

墻體SCW-2邊框柱在加載初期承擔(dān)的荷載比值為58.1%,隨著繼續(xù)加載,承擔(dān)的荷載逐步減小,直到120 kN時(shí),所承擔(dān)的荷載比值降到55.8%,這時(shí)砌塊和肋柱承擔(dān)的荷載增大,在加載達(dá)240 kN時(shí),邊框柱承擔(dān)的荷載比值達(dá)到最大為60.6%,砌塊和肋柱所承擔(dān)荷載減小,加載由240 kN到墻體破壞,邊框柱承擔(dān)的荷載比值略有減小,砌塊和肋柱承擔(dān)的荷載增大。

墻體SCW-3邊框柱在加載初期承擔(dān)的荷載比值最大為60.4%,這時(shí)砌塊承擔(dān)的荷載比值最小,隨著荷載的不斷增加,邊框柱所承擔(dān)荷載不斷減小,砌塊所承擔(dān)荷載不斷增大,直到120 kN時(shí),邊框柱所承擔(dān)的荷載比值降到最小為55.4%,這時(shí)砌塊承擔(dān)的荷載比值達(dá)到最大,之后隨著荷載不斷增加,邊框柱承擔(dān)的荷載增大,墻體破壞時(shí),承擔(dān)荷載比值為58.2%。

以上情況表明墻體所受大部分豎向荷載由邊框柱來(lái)承擔(dān),尤其在開(kāi)門洞墻體邊框柱承擔(dān)的更多,開(kāi)窗洞墻體邊框柱其次,可視為墻體的主要承重部件。

總的來(lái)看,三榀墻體各部件按照軸向剛度來(lái)分配豎向荷載,整個(gè)過(guò)程中墻體各部件所承擔(dān)的荷載比值基本不變,其邊框柱承擔(dān)了大部分荷載,墻體中間砌塊承擔(dān)荷載最小,洞口上下部砌塊在荷載達(dá)到一定值后承擔(dān)極小一部分的荷載,洞口增大了邊框柱所承擔(dān)荷載的比值,導(dǎo)致墻體的承載能力有所下降,尤其在洞口非對(duì)稱布置時(shí)影響更大,但肋梁降低了洞口對(duì)墻體的影響,提高了墻體承載能力,因此,在進(jìn)行墻體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免開(kāi)非對(duì)稱洞口,開(kāi)洞時(shí)考慮加設(shè)洞邊肋柱。

3 結(jié)論

① 在豎向荷載作用下邊框柱各截面鋼筋具有基本相同的應(yīng)變變化趨勢(shì),三道肋梁鋼筋應(yīng)變變化有所不同,其底部肋梁鋼筋均處于受壓狀態(tài),上部肋梁鋼筋均處于受拉狀態(tài),而中部肋梁鋼筋應(yīng)變變化較小,應(yīng)力基本處于臨界狀態(tài)。

② 以彈性地基梁理論提出的墻體簡(jiǎn)化力學(xué)模型和計(jì)算方法合理可行,理論計(jì)算具有一定的準(zhǔn)確性。

③ 在豎向荷載作用下墻體各部件按照軸向剛度來(lái)分配豎向荷載,各部件所承擔(dān)的荷載比值基本不變,其邊框柱承擔(dān)的荷載最多,墻體中間砌塊承擔(dān)荷載較小。