不同砌筑材料對鋼筋混凝土框架的抗震性能影響

董孝曜，郭 迅，羅若帆，阿拉塔

(1.中國地震局工程力學研究所中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室, 哈爾濱 150080;2.地震災害防治應急管理部重點實驗室, 哈爾濱 150080; 3.防災科技學院 中國地震局建筑物破壞機理與防御重點實驗室,河北 三河 065201; 4.嘉應學院, 廣東 梅州 514015; 5.云南省地震局, 昆明 650041)

0 引 言

我國處于世界地震多發地帶, 地震對于建筑物的破壞尤為嚴重, 這對于建筑物提出了嚴峻的考驗。當前, 我國建筑物的主要結構形式為填充墻框架結構, 實地震害發現, 填充墻框架結構較純框架易發生破壞, 且破壞較為嚴重[1]。為減少填充墻對RC框架的影響, 需要尋找一種代替傳統砌塊的原料。我國是人口密集型國家, 糧食生產是一個永恒的話題, 當糧食問題被解決后, 接踵而來的便是作物秸稈的處理問題。 秸稈在以前可當作燃料, 隨著碳排放的控制和環保意識的增強, 秸稈還可被制作成磚, 替代當前由其他材料制成的磚, 但將其應用到工程中的例子較少。

眾多學者對填充墻框架結構作了大量研究: 李旭東[2]對框架進行抗震性能試驗, 據此得出砌體與框架之間的相互作用規律; 金煥[3]通過試驗和有限元方法建立汶川漩口中學模型, 研究填充墻對框架的影響; 陳傳向[4]通過有限元軟件研究墻體的高寬比和門窗洞口大小、 位置對RC框架的影響; 馮遠等[5]為減少砌體墻對結構的危害, 將砌體墻更換成混凝土墻, 在墻上設置豎向通縫, 使其發生延性破壞; 錢凱等[6]建立填充墻RC框架模型, 對填充墻厚度和砌體強度展開研究, 得出其對RC框架連續倒塌的影響; 王皓等[7]利用4個填充墻等效撐桿模型骨架曲線建立了填充墻RC框架結構簡化分析模型, 并對不同的骨架曲線進行對比驗證, 給出填充墻模擬的建議; Liu 等[8]將鋼筋再生混凝土框架-填充墻結構和純框架結構進行對比發現, 墻體使框架具有更高的承載能力和初始剛度, 但剛度退化加快。除此之外, 文獻[9-10]也給出對RC框架-填充墻結構的發展前景看法。

國外許多國家用秸稈草磚修建房屋, 并對其進行相關研究[11]。 Maraldi等[12]對秸稈草磚進行松弛試驗、 蠕變試驗和循環負載試驗, 得出相應結論。 Platt等[13]介紹一種新型捆扎方式的草磚, 并對其力學性能和導熱性能展開研究。 Peng等[14]對全尺寸草磚墻進行豎、 橫向加載研究, 得出有無水泥涂層的草磚墻性能差異。為秸稈草磚能更好發展, 文獻[15-16]對其進行了前景展望。

對于砌體墻, 當前關注點主要在于改變框架與填充墻的連接方式[17-18]、 研究墻體對框架結構抗震性能影響并給出解決方案[19-21]及災后加固處理辦法[22],并已意識到填充墻對RC框架的影響, 為降低其影響, 欲將其更換成其他材料[23-24], 但這些新材料制成的砌塊仍未能滿足當前抗震需要, 且對其他材料的研究較少, 尤其是秸稈草磚。本文基于當前的秸稈應用現狀, 對加氣混凝土砌塊和秸稈草磚對鋼筋混凝土框架影響進行研究。

1 本構選取與模型驗證

1.1 本構選取

國內設計主要用《混凝土結構設計規范》(GB 60010—2010)所建議的混凝土本構關系設計計算。 在低周往復荷載下, 混凝土具有一定損傷, 因此本文選用具有一定損傷計算的本構關系[25-27]。應力-應變關系如下:

受壓時，

σ=(1-dc)Ecε,

受拉時,

σ=(1-dt)Ecε,

將鋼筋視為一種理想的均質材料, 當鋼材屈服后, 仍具有一定的強化作用, 因此鋼筋本構采用具有一定強化作用的雙折線模型(圖1):

圖1 鋼筋本構曲線Fig.1 Constitutive curve of steel

以往試驗表明, 植物秸稈制成的磚易發生變形, 故秸稈草磚采用文獻[28]所建議的參數

fu=α1ρ2+α2ρ+α3;

E=β1ρ2+β2ρ+β3。

其中:fu和E是秸稈草磚的極限抗壓強度和彈性模量;ρ是秸稈草磚的密度;α1、α2、α3、β1、β2、β3均為秸稈草磚的形狀系數。

1.2 驗證模型

為驗證數值模型正確性, 采用與實際試驗[29]相同的參數進行相應的數值模擬, 將計算模型與試驗數據對比得到相應骨架曲線, 如圖2所示。模擬和實測數據相差較小, 兩條曲線吻合較好, 說明利用本文方法進行數值分析是完全可行的。

圖2 骨架曲線對比Fig.2 Comparison of skeleton curves

2 有限元模型建立

2.1 尺寸設計及材料選取

在文獻[29]的基礎上設計本文有限元模型, 模型分為加載梁、 底梁、 柱和砌體墻4部分, 上部混凝土加載梁尺寸為0.2 m×0.2 m×4.2 m, 兩側柱子截面尺寸為0.2 m×0.2 m×2.64 m, 柱子的軸壓比為0.45, 采用C20的混凝土, 縱筋為4根直徑12 mm的HRB335鋼筋, 箍筋為雙肢直徑6 mm的HPB300鋼筋, 下部混凝土底梁尺寸為0.4 m×0.45 m×4.7 m, 為使底部更加牢固, 采用C35的混凝土、 8根直徑20 mm的HRB335鋼筋作為縱筋和4肢直徑8 mm的HPB300鋼筋作為箍筋, 混凝土的參數如表1所示。砌體分為加氣混凝土砌塊[30]和秸稈草磚兩種, 基于控制變量法, 兩者采用相同的尺寸, 將不同砌筑高度的填充墻框架結構進行分類, 如表2所示。

表1 混凝土材料參數Table 1 Concrete material parameters MPa

表2 不同砌筑高度的填充墻框架結構工況分類Table 2 Classification of working conditions for infilled wall frame structures with different masonry height

2.2 建模方法及單元選取

為較好地模擬混凝土在受到往復荷載下的累積損傷和剛度退化, 本文采用有限元軟件所提供的塑性損傷關系建立數值模型。既滿足計算精度的要求, 又提高計算速度, 混凝土采用三維八節點實體單元, 鋼材選用三維二節點桁架單元, 以滿砌為例, 有限元模型如圖3所示。

在模型中, 模型底梁底部的6個自由度被約束, 以模擬現實中底部固定的效果, 頂梁上部施加配重, 并且上部加載梁一側截面施加位移荷載, 加載曲線[31]如圖4所示。

圖4 加載曲線Fig.4 Loading curve

3 數值結果與分析

3.1 滯回曲線和骨架曲線

如圖5所示, 工況C的滯回環形狀隨著砌筑高度的不同發生顯著變化。 而工況S中, 填充墻高度未對滯回環產生明顯影響, 原因在于秸稈草磚較加氣混凝土更為輕質、 彈性模量更小, 砌塊與框架的相互作用小。

圖5 不同砌筑高度填充墻框架結構滯回曲線Fig.5 Hysteresis curves of masonry-infilled frames with different masonry height

由圖5和表3可以發現, 加氣混凝土砌塊填充墻高度越高, 其極限承載能力越高, 但在工況B、 C1、 C2、 C3中, 承載力的下降率隨著砌筑高度的增加而增加, 其下降率分別約為2.1%、 5.1%、 17.6%和42.6%, 原因在于砌筑高度越高, 短柱效應越明顯, 短柱承載能力較強, 一旦短柱產生塑性鉸, 其承載力會迅速下降; 而C4工況由于填充墻與柱子同高, 未產生短柱, 填充墻可為框架提供一定抗力, 因此C4工況的骨架曲線會隨著位移的增加呈現緩慢上升的現象, 該工況增長率約為10.9%。而工況S的骨架曲線與純框架吻合度較高, 原因在于秸稈草磚具有輕質、 低彈性模量等特點, 減弱其對框架力學影響。

表3 不同砌筑高度填充墻框架結構承載力變化率Table 3 Change rates of bearing capacity for masonry-infilled frames with different masonry height %

表4是加氣混凝土砌塊和秸稈草磚作為砌砌筑材料RC框架的耗能。小位移時,兩種不同砌筑材料的結構耗能較少,并且不同砌筑高度與B工況相差無幾;隨著位移增大,C工況和S工況耗能逐漸增加,與B工況的改變率也逐漸增加;在位移為24 mm時, 耗能能力和改變率達到最大值,C工況的耗能量分別為1 516.71、1 808.62、1 341.09和14 392.10 J,改變率分別為19.58%、42.59%、5.73%和1 034.68%, S工況的耗能量分別為1 232.58、 1 286.04、 1 282.31和1 311.88 J, 改變率為-2.82%、 1.39%、 1.10%和3.43%。 由此發現, 加氣混凝土砌塊對RC框架的受力改變較大, 最大改變量可達10倍, 而秸稈草磚最大改變率只有3.43%, 較秸稈草磚, RC框架受到加氣混凝土砌塊影響較大, 將砌筑材料更換成秸稈草磚是可行的。

表4 不同砌筑材料填充墻框架結構在各工況下的耗能Table 4 Energy consumption of frame structure with different masonry-filled wall J

3.2 剛度退化

如圖6a所示, 加氣混凝土砌塊工況的剛度會隨著位移的增加而降低, 降低率逐漸下降。在工況C1、 C2、 C3的位移初期, 其剛度出現短暫回升現象, 原因可能是位移較小時, 柱變形較小, 柱對墻體的擠壓較弱, 甚至可以忽略不計, 并且兩者處于彈性變形范圍內, 此時的柱可視為長柱; 當位移增大后, 柱對墻體的擠壓加強, 柱較之前有效高度降低, 進而變為短柱, 彎曲變形向剪切變形轉化, 而且墻為柱提供一定的抗力, 使其產生相同的位移需要更大的力; 位移進一步增大后, 墻體與柱都發生了不可逆的破壞, 破壞不斷加大, 并且柱局部在平面內產生較大位移, 由于P-δ效應的存在, 柱承載力下降, 進而框架剛度下降, 此現象與文獻[1]中所提供的照片相吻合。

圖6 不同砌筑填充墻框架結構剛度退化Fig.6 Stiffness degradation of frame structures with different masonry-filled walls

圖6b為秸稈草磚工況剛度退化曲線, 該材料剛度對框架的力學性能影響較小, 砌筑高度未對框架產生明顯的改變, 用其作為填充墻僅起到分隔、 保溫等作用, 與現行結構設計理念相符。

3.3 混凝土剛度退化和鋼筋應力

為得到不同材料砌筑高度對混凝土和鋼筋的影響, 將混凝土的剛度退化和鋼筋應力云圖與純框架進行對比。如圖7所示, 純框架的破壞主要集中于兩側柱, 并且柱兩端破壞最為嚴重, 其最大的剛度退化約為93%, 這符合結構力學中兩端固定且一端發生位移的結構產生的受彎破壞, 兩側鋼筋也正好說明這一點。

圖7 純框架受力后的變化情況Fig.7 Changes in pure frame after stress

不同砌筑高度下不同材料對混凝土和鋼筋的影響如圖8、9所示。在C1～C4工況中, 加氣混凝土砌塊對RC框架影響較大: C1工況中, 柱的破壞主要集中在兩端, 柱上端破壞區較純框架沒有發生明顯增加, 下端破壞區上升, 并且破壞嚴重區也上升, 剛度退化略有上升, 其值約為95%, 鋼筋較大應力區較純框架未發生明顯變化, 下端較大應力區上升, 最大拉壓應力值為312和314 MPa; 隨著砌筑高度增加, C2柱的破壞有明顯增加, 下端破壞區上升, 柱上端破壞區面積增加, 柱上端破壞區比下端小, 但破壞主要集中于上端, 原因在于柱下端受到填充墻的約束增強, 柱由受彎破壞變為受剪破壞, 柱上端出現“短柱效應”, 鋼筋下端應力較大區上升, 上端縱筋受拉減小、 受壓增加, 且上端處箍筋受拉增加, 柱上端出現剪破壞趨勢, 這也證明前述設想; C3工況中柱破壞嚴重區主要集中在柱上端, 右側柱剪切破壞加重, “短柱效應”更為明顯, 左側柱由于存在重力和配重的原因, 柱子在P-δ效應下出現屈曲現象, 其剛度退化約為96%, 鋼筋上端處的縱筋和箍筋受荷區增加, 數值增加到329 MPa, 柱的受剪破壞進一步加重; C4滿砌工況中, 梁與柱受到填充墻的支撐增強, 右側柱未出現壓屈現象, 上端鋼筋出現較大的受力, 左側柱上端破壞較為嚴重, 柱的鋼筋破壞模式變為彎曲破壞。

圖8 不同砌筑高度下加氣混凝土砌塊和秸稈草磚對混凝土的影響Fig.8 Influence of aerated concrete block and straw brick on concrete with different masonry height

在S1～S4工況中, 柱的破壞主要集中于兩端, 破壞區最大剛度退化約為94%, 破壞模式為彎曲破壞, 鋼筋應力主要集中在柱上下兩端, 數值未發生明顯改變, 其值約為303 MPa, 這與純框架的破壞現象相似。

4 討 論

北川消防支隊辦公樓[1]是一棟4層建筑, 底層為框架結構, 由于該建筑C軸墻體存在半高填充墻, 其對柱的約束較強, 較A軸無填充墻的框架柱破壞嚴重, 說明填充墻使框架的受力發生改變, 這與本文C1～C3工況的破壞相似, 填充墻的存在使柱變為短柱, 發生剪切破壞; 禹荷大酒店[1]是一座在建工程, 已建6層, 其結構形式是鋼筋混凝土框架結構, 尚未砌筑填充墻, 經歷汶川地震后, 僅在樓梯間周圍的柱端出現混凝土開裂現象, 整體結構沒有發生嚴重破壞、 倒塌現象, 若建筑建成, 柱受到填充墻作用, 很可能會出現北川消防支隊辦公樓和本文模擬的現象。

由此可見, 若結構既要抵抗住強烈地震, 又要滿足住房的功能, 采用秸稈草磚是當下最為合適的選擇。

5 結 論

(1)填充墻未滿砌時, 填充加氣混凝土砌塊的框架承載力會隨著墻體砌筑高度的增加而增加, 最大可達59 kN, 且其在同等位移工況下, 下降率也會隨之增加, 最大下降率達到42.6%; 由于填充墻滿砌, 其承載力未出現下降現象。

(2)從滯回曲線和骨架曲線中得出, 與加氣混凝土砌塊相比, 秸稈草磚對框架的抗震性能影響較弱, 耗能改變率最大只有3.43%, 未對框架產生明顯的受力改變。

(3)秸稈草磚對于混凝土的剛度退化和鋼筋受力改變較小, 剛度退化和鋼筋應力基本維持在94%和303 MPa, 其剛度變化趨勢與純框架相似, 大致可以利用純框架對框架-秸稈草磚砌筑墻結構進行抗震方面的預測與判斷。

(4)為滿足住房的要求, 可以將秸稈草磚作為填充墻的砌筑材料。