格构式泡沫混凝土节能墙体受力性能分析.pdf

6 0 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 6期 2 0 1 3年 l 2月 格构式泡沫混凝土节能墙体受力性能分析 路淼， 薛春霞 ( 江苏大学土木工程与力学学院， 江苏 镇江2 1 2 0 1 3 ) 摘要： 通过水平低周反复荷载试验， 对两组格构式节能墙体的破坏过程及钢筋应变进行了研究。结果表明， 格构 式节能墙体的破坏过程经历了弹性阶段、 弹塑性阶段和破坏阶段。肋梁、 肋柱与墙板能够很好的协同工作， 外框柱 承担整体弯矩， 肋梁承担水平剪力， 肋柱分担部分水平荷载 ， 墙板承担抗侧刚度。 关键词： 格构式节能墙体 ； 破坏过程； 应变 中图分类号： T U 3 1 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 6 0 6 0 0 6 M e c h a n i c a l p e r f o r ma n c e a n a l y s i s o f l a t t i c e o f f o a m c o n c r e t e e n e r g y s a v i ng wa l l LU Mi a o XUE Ch u n x i a ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g&Me c h a n i c s ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： B a s e d o n h o fi z o n t M c y c l i c l o a d i n g t e s t ， t h e p a p e r d i s c u s s e d t h e f a i l u r e p r o c e s s a n d r e i n f o r c e d s t r a i n o f l a t t i c e e n e r g y s a v i n g w a l 1 T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e d e s t r u c t i o n o f t h e l a t t i c e e n e r gy s a v i n g wa l l e x p e r i e n c e d t h e e l a s t i c s t a g e ， t h e e l a s t i c p l a s t i c s t a g e a n d f a i l u r e s t a g e R i b b e d， fib b e d c o l u mn a n d wa l l p a n e l s c a l l wo r k we l l t o g e t h e r ， f r a me c o l u mn a s s u me t h e o v e r a l l mo me n t ， fi b b e d a s s u me t h e h o ri z o n t a l s h e a r ， ri b b e d c o l u mn a s s u me t h e p a r t o f t h e h o fi z o n t M l o a d， t h e w a l l b o a r d as s u me l a t e r al s t i ff n e s s Ke y wo r d s ： l a t t i c e e n e r gy s a v i n g wa l l ； f a i l u r e p r o c e s s ； s t r a i n 0 前 言 周反复荷载试验， 以此来研究墙体的受力性能。 格构式节能墙体使用肋梁、 肋柱及 内嵌材料泡 沫混凝土形成整体墙板 ， 墙板又与外框架整浇为一 体， 形成一个完整的受力体系。在水平荷载作用下 格构式节能墙板与外框架共 同工作 ， 墙板一方面受 到框架的约束作用， 另一方面又对框架进行反约束， 两者相互 作用 、 共 同受力 、 充分 发挥各 自性 能 。 本文通过对两组节能墙体 P 1 及 P J 1 进行水平低 1 试验概况 试验的构件设计为带构造柱的框架墙体， 墙体 尺寸为 1 2缩尺模型， 每组的墙体尺寸相同， 试验分 为两组 ： P组是泡沫混凝土墙体 ， 编号为 P 一 1 ； P J组 是配钢筋网架 的泡沫混凝土墙体 ， 编号为 P J 一 1 。各 试件尺寸及配筋见表 l 。 表 1 试件尺寸 T a b l e 1 S a mp l e s i z e 试件外框架混凝土强度等级为 C 3 0 ， 框架梁、 柱 主筋等级 为 H R B 3 3 5 ， 肋梁、 柱钢筋、 箍筋等级为 H P B 2 3 5 ； 试件 P 一 1 和试件 P J 1的泡沫混凝土强度等 级均为 A 3 ( B 0 7 ) 级； 试件 P J 1内铺有双层钢筋网 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 - 2 8 作者简介： 路淼( 1 9 5 6 一) ， 男 ， 江苏镇江人， 教授， 研究方向为工程 结构 中的力学问题。 E ma i l ： s r h s _81 0 1 2 6 c o m 片， 钢筋直径 4 m m， 间距 2 0 0 m m， 钢筋等级为 HP B 2 3 5 。 加载装置采用水平低周反复加载制度， 采用荷 载和位移混合控制的加载制度_2 J 。试件在屈服前 采用荷载控制， 试件屈服后采用位移控制。判断试 件屈服的标准是滞回曲线上出现明显的拐点。试件 屈服后， 取此时的位移为屈服位移， 接着转为位移控 制。在位移控制阶段， 以屈服位移为级差， 分级加 路淼 ， 等： 格构式泡沫混凝土节能墙体受力性能分析 6 1 载 ， 每级循环加载三次 ， 直至墙体达到最大承载力并 下降到其最 大承载力 的 8 5 以下 时 ， 认 为墙 体破 坏 。试验加载装置及测点布置如图 1 2所示。 图 1 试验装置 Fi g 1 E x p e r i me n t a l d e v i c e s c h e me l ll 图2 试件测点布置 F i g 2 Th e d i s p o s i t i o n o f t h e s t r a i n g a g e o n s p e c im e n 2 试验破坏过程分析 试验表明， 格构式节能墙体在试验 中的破坏过 程分为弹性阶段 、 弹塑性阶段及破坏 阶段 引。 2 1 墙体 P 1破坏过程 弹性阶段 ： 试验墙体在开始 阶段保持 良好 的弹 性工作能力， 当水平荷载加到 3 5 k N时， 墙体开始出 现第一条沿右下 1 4墙体对角线的裂缝， 随着荷载 的继续增加 ， 墙体 中出现了沿对角线方向的裂纹 ， 但 裂缝仍 细小 ， 即对刚度影响不大 ， 故格构式泡沫混凝 土墙体 的受力性能表现为弹性 。其滞 回环呈线性 ， 卸载后残余变形很小， 墙体可等效为一种复合材料 弹性板， 当荷载加到4 5 k N时， 骨架曲线出现了明显 的拐点。 弹塑性阶段 ： 随着水平荷载继续增加 ， 墙板中的 裂纹持续增多， 但由于外框格其相对于泡沫混凝土 的强度、 弹性模量都大很多， 有效的约束墙体中裂缝 的发展 ， 当水平荷 载继续增 大 ， 滞 回环面积显著 增 大， 说明其刚度退化明显， 卸载后残余变形也 比较 大 ， 当水平荷载加到 6 0 k N时 ， 受拉外框柱 出现水平 裂缝 ， 由于墙体采用整体现浇的形式 ， 墙体虽然沿对 角线方向裂缝增多， 此时墙体的承载力还处于上升 期， 但刚度下降很快， 塑性变形明显， 肋柱中的钢筋 应变迅速增大并开始屈服。 破坏 阶段 ： 随着水平荷载的继续增加 ， 两侧边框 柱的裂缝宽度增大 ， 墙板上的裂缝数量迅速增加 ， 其 裂缝宽度和长度也 在增加 ， 同时沿墙板 四周与外框 架连接四周开始 出现 裂纹 ， 当水平荷 载达到 7 5 k N 时 ， 墙板采用的泡沫混凝土开始 出现大面积起皮、 剥 落现象， 外框柱受拉钢筋屈服， 此后进入位移控制循 环阶段 ， 砌块剥落 、 破碎的现象更加严重。随着墙体 达到极限状态 ， 所有的荷载基本 由外框架承担 ， 墙体 中间部分 的泡沫混凝 土甚至 出现大面积整块剥落。 肋格处钢筋甚至暴露其外， 并不时有钢筋被拉断的 声音 出现 。 2 2 墙体 P J 一 1破坏过程 弹性 阶段 ： 试验墙体在开始阶段保持 良好的弹 性工作能力 ， 当水平荷载加到 5 0 k N时， 墙体开始 出 现第一条沿左上 1 4墙体对角线的裂缝， 但裂缝较 细小 ， 且随着荷载的继续增加 ， 墙体并未出现新的裂 纹 ， 故此时格构式泡沫混凝土墙体 的受力性 能仍表 现为弹性 。其滞回环呈线性 ， 卸载后残余变形很小 ， 墙体也可等效为一种复合材料弹性板， 当荷载加到 5 0 k N时， 骨架曲线 出现了明显的拐点 。 弹塑性阶段 ： 水平荷载继续增加 ， 墙板四周与外 框架出现一圈新 的裂纹 ， 但 由于外框格其相对于泡 沫混凝土的强度、 弹性模量都大很多 ， 有效的约束墙 体中裂缝的发展， 当水平荷载继续增大， 滞回环面积 显著增大， 说明其刚度已经开始出现明显退化， 卸载 后残余变形也比较大， 难以恢复， 当水平荷载加到 7 0 k N时 ， 受拉外框左右柱均出现水平裂缝 ， 沿墙体 对角线方 向以及肋格对角线方 向的裂缝增多 ， 但是 由于墙体配有 4 m m的钢筋网架， 混凝土受钢筋网 的约束， 裂纹开展的速度与数量明显小于墙体 P 一 1 。 此时虽然墙体的刚度下降很快 ， 塑性变形明显 ， 肋柱 中的钢筋应变迅速增大并开始屈服 。 破坏阶段 ： 随着水平荷载的继续增加 ， 两侧边框 柱 的裂缝宽度增大 ， 墙板上的裂缝数量迅速增加 ， 其 裂缝宽度和长度也在增加 ， 同时沿墙板 四周与外框 架连接四周开始出现裂纹， 当水平荷载达到 7 5 k N 时， 墙板采用的泡沫混凝土开始出现面积起皮现象， 外框柱受拉钢筋屈服， 此后进人位移控制循环阶段， 砌块剥落、 破碎的现象更加严重。当达到 5 A时， 随 着墙体达到极限状态， 所有的荷载基本由外框架承 担， 墙体中间部分的泡沫混凝土甚至出现大面积整 6 2 四川建筑科学研究 第 3 9卷 块剥落 。肋柱底部钢筋甚至暴露其外。 墙体 P 1与 P J 1最终破坏时的裂缝分布如 图 3 所示。 ( a ) 墙体P - 1 ( b ) 墙体P J 一 1 图3 墙体裂缝分布 Fi g 3 Cr a c k s i n t h e wa l l ma p s 2 3 墙体滞回曲线及分析 结构或构件在力循环作用下得到的力一 变形 曲 线称为滞回曲线 ， 又称为恢复力 曲线 ， 它 由一系列的 滞 回环组成 ， 表示了结构或构件 的变形过程 ， 也代表 了结构或构件在外荷载卸 除后恢 复原来形状 的能 力 ， 综合反映了试件在反复荷载作用下受力性能的 变化 ， 常用于定性比较和衡量结构或构件 的抗震性 能， 也是各种抗震性能指标计算的依据。墙体 P 1 与 P J 一 1的滞 回曲线如图 45所示 。 图 4 墙体 P 一 1 滞 回曲线 F i g 4 Hy s t e r e t i c c u r v e o f P- 1 0 1 0 0 0 2 0 00 3 0 0 0 40 0 0 50 0 0 6 0 00 7 0 00 U ( a ) 图 5墙体 P J - 1 滞 回曲线 F i g 5 Hy s t e r e t i c c u r v e o f P J - 1 从 图4 5可得出如下结论。 1 ) 在墙体开裂前， 两片墙体处于弹性阶段， 此 时整体性较好， 滞回曲线基本为直线， 加载与卸载时 的曲线基本重合 。随着荷载 的增大 ， 墙体微小裂缝 出现 ， 进入了弹塑性 阶段 ， 其滞 回环渐渐呈梭形 ， 有 残余变形出现， 墙体的刚度略有下降。 2 ) 随着荷 载 的继续 增大 ， 滞 回环 面积更 加饱 满 ， 达到最大荷载后刚度退化明显 ， 滞回环有明显的 捏拢现象。 3 ) 试件达到极 限荷 载后 ， 承载力趋 于稳定 ， 但 位移仍继续增长， 体现出了很好的延性。在位移控 制阶段 ， 后一循环较前一循环的滞回环的面积小 ， 说 明了此时墙体的强度、 刚度和耗能能力有 了较大的 退化 。 4 ) 配置钢筋网片的墙体试件， 承载力、 变形能 力等指标 明显优于未配钢筋网片的素墙体 。 3钢筋应变分析 3 1 肋柱应变分析 墙体 P 一 1与 P J 1 核心区剪切变形 曲线如图 6 1 1 所示。 墙体开裂前期 ， 肋柱内钢筋应变较小 ， 承 图6 墙体 P 一 1 肋柱顶部应变 F i g 6 S t r e s s o f t h e c o l u mn o n t h e t o p o f P- 1 鲫 O 曲 Z 舯 柏 加 0 加 如 Z 路淼， 等： 格构式泡沫混凝土节能墙体受力性能分析 6 3 8 O 4 O o - 4 0 8 0 图7 墙体 P 1 肋柱中部应变 F i g 7 S t r e s s o f t h e c o l u mn i n t h e mi d d l e o f P- 1 1 0 0 0 1 5 00 20 0 0 u ( a ) 图 8 墙体 P 一 1肋柱 底部应变 F i g 8 S t r e s s o f t h e c o l u mn i n t h e b o t t o m o f P一 1 0 1 5 0 0 3 5 00 5 5 0 0 7 50 0 95 0 0 0 U S ( a ) 图9 墙体 P J 一 1 肋柱顶部应变 F i g 9 S t r e s s o f t h e c o l u mn o n t h e t o p o f P J 1 担剪力主要通过肋柱 内钢筋的销栓作用。随着荷载 的继续增加， 有少数肋柱钢筋开始屈服， 且基本处于 受拉状态， 在位移控制阶段时， 墙体发生破坏， 中肋 柱内钢筋也大多数达到屈服。 3 2 框架柱主筋应变分析 框架柱纵向钢筋应变在低周反复荷载作用下， 一 侧受拉， 一侧受压， 主要承受整体弯矩。在墙体开 6 00 裂前 ， 框架柱钢筋应变随荷载的递增呈线性变化 ， 达 到最大荷载后， 框架柱内钢筋开始屈服， 但仍然承受 拉、 压应力。墙体 P 1 、 P J 一 1 框架柱主筋应变如图1 2 所示 。 3 3 框架柱箍筋应变分析 框架柱箍筋在墙体抗剪承载力方面的贡献主要 是约束框架柱的变形， 并联结受力主筋和受压区混 的 O 们 蚰 Z 0 如 2 0 1 3 N o 6 路淼， 等： 格构式泡沫混凝土节能墙体受力性能分析 6 5 刚度， 对肋梁、 肋柱施加反约束作用， 从而提高墙体 的承载能力， 墙体都经过了弹性阶段、 弹塑性阶段及 破坏阶段三个阶段。在墙体的加载过程中， 墙体的 变形主要是由墙体在反复荷载作用下的剪切作用引 起的， 因此剪切变形是格构式节能墙体主要的耗能 方式。格构式节能墙体在结构整体屈服时 ， 各部分 墙板 中肋梁 、 肋柱钢筋均能达到屈服 ， 混凝土压碎 ， 材料 的强度利用 比较充分。因此 ， 格构式节能墙体 具有很好的应用前景， 但由于所采用的填充材料泡 沫混凝土本身强度值较低 ， 建议在墙体中设置钢筋 网架 ， 且钢筋 网架可采取一定的措施将其伸入周 围 框架以增强墙体的整体拉结效果， 避免沿墙板四周 产生的裂缝， 从而增加墙体与框架的整体变形协调 能力 。 参 考 文 献 ： 1 董建曦， 李升才， 李立峰 节能砌块隐形密框墙板受力性能分 析 J 华侨大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 1 ) 2 J G J 1 0 1 9 6建筑抗震试验方法规程 S 3 张同亿， 李升才， 于庆荣， 等 复合墙异型柱组合结构 1 2 模型 试验研究 J 结构工程师， 2 0 0 0( S 1 ) ： 3 5 4 5 8 4 李升才， 张同亿， 江见鲸， 等 C L体系复合剪力墙板抗剪性能 的试验研究 J 结构工程师， 2 0 0 0 ( S 1 ) ： 1 6 2 1 6 7 5 田英侠 密肋复合墙板受力性能实验研究与理论分析 D 西 安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 2 ( 上接 第 5 9页) 5 结 语 简化模型提出时用到了对称结构在对称荷载作 用下的受力特点 ， 并且四种平衡路径提 出时总 以力 臂 d 为分析对象。故理论上讲， 上述四种平衡路径 仅适用于 N O D E 1在满跨 均布荷载作用 下 的情况 。 但 N O D E 1 反映了结构总体的变形趋势， 故四种平 衡路径对大多数节点都是适用的； 对两节点间相对 位移而言 ， 凡是空间作用明显 的结构屈曲后行为 ， 简 化模型都得不到正确的结果。但在结构正常使用阶 段， 不允许出现构件失稳 ， 于是， 本文提出的计算简 图和得到的平衡路径在结构正常使用阶段具有普遍 的适用性。 由于实际结构的材料必然存在屈服或者极限强 度， 所以第一种平衡路径并不存在， 它仅反映材料屈 服前弦支穹顶结构的荷载位移变化趋势； 对于平衡 路径三、 四， 结构的极限承载力由环索控制， 环索破 坏前 ， 结构总体位移小 ， 无明显征兆 ， 属于脆响破坏 ， 是应该避免的结构方案 ； 对于平衡路径二 ， 结构的极 限承载力是由网壳杆件控制的， 网壳破坏前， 结构位 移大 ， 有明显征兆 ， 是应该提倡 的结构方案。 参 考 文 献 ： 1 张明山 弦支穹顶结构的理论分析 D 杭州： 浙江大学， 2 0 0 4 2 郭佳明 弦支穹顶结构的理论分析与试验研究 D 杭州： 浙 江大学 ， 2 0 0 8 3 孟美莉 ， 吴兵， 傅学怡， 等 第 2 6届世界大学生运动会篮球 馆弦支穹顶屋盖结构设计 J 建筑结构， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 4 ) ： 2 4 2 8 4 吴兵 ， 孟美莉 ， 傅学怡 ， 等 深圳大运会篮球馆结构设计 J 钢结构 ， 2 0 1 0 ( 2 )： 3 9 4 6 5 王新敏 A N S Y S 工程结构数值分析 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 7 6 陈志华 ， 刘红波， 周婷 ， 等 空间钢结构 A P D L参数化计算与 分析 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 9 7 沈世钊， 陈 听 网壳结构稳定性 M 北京： 科学出版社， 1 9 9 9 8 J G J 7 -2 0 1 0空间网格结构技术规程 S