异形柱框架—墙体组合结构水平低周反复荷载试验研究
The experimental study of the frame- confined walls structure with special-shaped columns subjected to horizontal low cyclic loading
高群 Gaoqun 俞伟根 Yuweigen
【提要】本文主要通过模型试验,研究异形柱框架-墙体组合结构抵抗水平荷载作用的能力。共进行了11个平面结构模型的水平低周反复荷载试验,分别研究纯异形柱框架、约束墙体、异形柱框架-约束墙体组合等结构类型在水平低周反复荷载作用下的受力性能和破坏形态。然后提出了该种结构的有关设计建议。
【关键词】异形柱;框架结构;框架-墙体组合结构;受力性能;结构布置;设计计算方法
【Abstract】Based on the experimental study of 11 planar models subjected to horizontal low cyclic loading, the general regularity of force-bearing behavior and failure pattern of the frame structure with special-shaped columns, the confined walls structure and the frame- confined walls structure with special-shaped columns is achieved. And then, a number of design suggestions are proposed.
【Keywords】special-shaped columns; frame structure; frame-walls structure; force-bearing behavior; laying-out of structure; design methods
1 前 言
目前,在建筑工程中一种新型的结构型式——异形柱框架结构正在愈来愈多地被采纳,特别是在住宅结构中。因为这种结构型式在使用功能方面具有独特的优点。然而,异形柱框架这种结构毕竟不同于普通的矩形柱框架结构,特别是当异形柱框架应用于层数较多或跨度(开间)较大的建筑中时,因其组成构件的截面尺寸相对较小,因而其抵抗水平荷载作用(如地震作用)的能力相对较差;水平抗侧刚度相对较小。另外,由于异形柱框架柱子异形的特点,在水平荷载作用下其受力也与普通矩形柱框架不同。针对异形柱框架结构的上述特点,为了保证异形柱框架结构具有足够的抵抗水平荷载作用的能力,我们提出了考虑部分墙体在水平荷载作用下的作用,对异形柱框架及其墙体联合抵抗水平荷载作用的能力进行试验研究。由于异形柱框架主要应用于层数较多(与普通砖混结构相比)或跨度(开间)较大的建筑中,其跨内墙体尺寸相对较大,因而对跨内墙体采用约束砌体的形式。此外,本次试验研究也考虑了墙体上开洞(门洞、窗洞)以及不同墙体材料的影响,共进行了11个模型的试验研究。
2 试验概况
2、1 模型制作
11个试验模型的特点一览表 表2-1-1
序号 |
模型代号 |
模型名称 |
缩尺
比例 |
层数、跨数 |
墙体
材料 |
墙体洞口性质 |
1 |
MYXZ1-1K |
单层单跨纯异形柱框架模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
无 |
无 |
2 |
MYXZ1-1KQ |
单层单跨异形柱框架-实体约束墙体组合模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
KM1砖 |
无 |
3 |
MYXZ1-1KQC |
单层单跨异形柱框架-开窗洞约束墙体组合模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
KM1砖 |
窗洞 |
4 |
MYXZ1-1KQM |
单层单跨异形柱框架-开门洞约束墙体组合模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
KM1砖 |
门洞 |
5 |
M1-1Q |
单层单跨纯实体约束墙模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
KM1砖 |
无 |
6 |
MYXZ1-2K |
两层单跨纯异形柱框架模型 |
1∶2 |
单层单跨 |
无 |
无 |
7 |
MYXZ1-2KQ |
两层单跨异形柱框架-实体约束墙体组合模型 |
1∶2 |
两层单跨 |
KM1砖 |
无 |
8 |
MYXZ2-2K |
两层两跨纯异形柱框架模型 |
1∶2 |
两层两跨 |
无 |
无 |
9 |
MYXZ2-2KQ |
两层两跨异形柱框架-实体约束墙体组合模型 |
1∶2 |
两层两跨 |
KM1砖 |
无 |
10 |
YXZKQ-1 |
单层单跨异形柱框架-实体约束墙体组合模型 |
1∶1 |
单层单跨 |
KP1砖 |
无 |
11 |
YXZKQ-2 |
单层单跨异形柱框架-实体约束墙体组合模型 |
1∶1 |
单层单跨 |
粉煤灰空 心 砌 块 |
无 |
为了能比较全面的研究异形柱框架、约束墙体以及异形柱框架-墙体组合结构在水平低周反复荷载作用下的受力性能,本次试验研究共设计了11个试验模型,其中单层单跨模型7个、两层单跨模型2个、两层两跨模型2个。各个模型的特点如表2-1-1所示。
11个试验模型的制作均在试验室进行。模型异形柱框架构件的混凝土设计强度等级为C30,约束墙体的水平和竖向约束带混凝土设计强度等级为C20,墙体砌筑砂浆采用M5.0。缩尺比例为1﹕2模型的墙体采用半块KM1砖砌筑。为确保模型垂直度和制作精度的要求,模型采用立式制作,先浇筑底座,然后在底座上砌筑墙体,墙体的砌筑方法同砖混结构,约束墙体的水平和竖向约束带在墙体砌筑过程中浇筑,最后再立模、浇筑柱和梁。
2、2 模型试验加载方案
11个模型均进行水平低周反复荷载试验,并考虑竖向荷载的影响,柱上竖向荷载大小由轴压比控制确定,本次试验时,柱轴压比均控制为0.5,梁(或墙)上考虑楼盖及墙体等传来的荷载的影响,并换算成三分点集中加载。试验时,首先将竖向荷载一次性加到相应的设计值,然后进行水平低周反复荷载试验,水平低周反复荷载试验过程中,竖向荷载基本保持恒定。
3 试验结果
3、1 破坏形态
11个试验模型在水平低周反复荷载试验下的破坏形态详细可见3、2节。从本次试验结果看:
(1)、纯异形柱框架结构的破坏主要是在梁、柱出现塑性铰,由于异形柱框架结构异形柱的截面尺寸相对较小,梁截面宽度也较小,因而梁柱节点区也较容易发生剪切破坏,特别是L形柱与梁形成的节点及多层多跨梁柱中节点。
(2)、异形柱框架-约束墙体组合结构的破坏形态与纯异形柱框架结构不同,该种结构的破坏主要集中在墙体上,而其异形柱框架部分的破坏较纯异形柱框架要轻得多,由于墙体的存在,其裂缝出现的位置也不同,很难能形成梁、柱铰机构;此外,由于对框架内墙体增设了水平和竖向约束带,约束墙体的破坏也与普通墙体不同,几乎不可能形成主对角线交叉大裂缝,只是在每个水平与竖向约束带分隔成的单元墙上形成条数较多的、宽度较小的交叉斜裂缝,因而,即使水平荷载卸去后,裂缝的闭合性能良好,从而延长了墙体参与抵抗水平荷载的过程。表现在滞回曲线上,达到最大值后水平荷载下降比较缓慢。
(3)、异形柱框架-开洞约束墙体组合结构的破坏形态与异形柱框架-实体约束墙体组合结构基本相似,但洞口四角应力集中,容易产生破坏。
(4)、两层异形柱框架-约束墙体组合结构,如本次试验模型MYXZ1-2KQ、MYXZ2-2KQ,一层墙体的破坏较二层严重。
3、2 滞回特性
图3-2-1(1)至(11)为本次11个模型水平低周反复荷载试验的滞回曲线。比较11个模型的滞回曲线,不难看出,纯异形柱框架相对异形柱框架-约束墙体组合结构而言,其抵抗水平荷载的能力和抗侧刚度均比异形柱框架-约束墙体组合结构小很多;在约束墙体上开洞(如门洞、窗洞),无论其抵抗水平荷载的能力还是抗侧刚度,较实体约束墙有明显差异;墙及异形柱上适当的竖向荷载可以提高异形柱框架-约束墙体组合结构抵抗水平荷载作用的能力。
图3-2-1 11个试验模型的滞回曲线图
3、3 最大水平荷载抵抗能力
11个试验模型在水平低周反复荷载试验下的最大水平荷载如表3-3-1。
11个试验模型最大水平荷载汇总表 表3-3-1
序 号 |
模 型 代 号 |
最大水平荷载值(kN) |
备 注 |
正 向 |
负 向 |
1 |
MYXZ1-1K |
33.5 |
32.5 |
单层单跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均加竖向荷载 |
2 |
MYXZ1-1KQ |
220 |
175 |
单层单跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均加竖向荷载 |
3 |
MYXZ1-1KQC |
130 |
125 |
单层单跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均加竖向荷载 |
4 |
MYXZ1-1KQM |
150 |
175 |
单层单跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均加竖向荷载 |
5 |
M1-1Q |
150 |
142 |
单层单跨、模型缩尺1:2
墙上加竖向荷载 |
6 |
MYXZ1-2K |
34 |
33 |
两层单跨、模型缩尺1:2
梁上不加竖向荷载 |
7 |
MYXZ1-2KQ |
240 |
240 |
两层单跨、模型缩尺1:2
梁上不加竖向荷载 |
8 |
MYXZ2-2K |
34 |
33 |
两层两跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均不加竖向荷载 |
9 |
MYXZ2-2KQ |
350 |
360 |
两层两跨、模型缩尺1:2
柱、梁上均不加竖向荷载 |
10 |
YXZKQ-1 |
—— |
—— |
单层单跨、模型缩尺1:1
柱、梁上均不加竖向荷载 |
11 |
YXZKQ-2 |
380 |
405 |
单层单跨、模型缩尺1:1
柱、梁上均不加竖向荷载 |
从表中可以明显看出不同结构模型在抵抗水平荷载能力上的差异。同等试验条件下,异形柱框架-约束墙体组合结构的水平荷载抵抗能力明显比纯异形柱框架大得多,也比纯异形柱框架与纯约束墙体水平荷载迭加还要大一些,这主要是异形柱框架与约束墙体之间存在着相互约束的作用。此外,约束墙体开洞对异形柱框架-约束墙体组合结构抵抗水平荷载的能力也有较显著的影响,从本次试验来看,在约束墙体上开窗洞或门洞时,其最大水平荷载相应降低20%左右。另外,由不同墙体材料组成的异形柱框架-约束墙体组合结构,其抵抗水平荷载的能力也不同。当然,墙体砌筑砂浆的强度、竖向荷载的大小等对该种结构抵抗水平荷载的能力也有影响,本次试验未进行这些方面的研究。
3、4 抗侧刚度
在水平低周反复荷载试验下,随着循环次数的增加,荷载和位移的增大,模型结构上裂缝不断出现和发展,结构刚度随之退化。由本次试验的滞回曲线图计算,11个模型在不同试验阶段的抗侧刚度如表3-4-1所示。图3-4-1示意了5个单层单跨1:2试验模型在不同试验阶段的抗侧刚度的变化规律。
11个模型在不同试验阶段的抗侧刚度汇总 表3-4-1
序 号 |
模型代号 |
试验阶段(△/H) |
1/500 |
1/400 |
1/300 |
1/200 |
1/100 |
1 |
MYXZ1-1K |
3.80 |
3.20 |
2.90 |
2.30 |
0.45 |
2 |
MYXZ1-1KQ |
27.07 |
23.00 |
19.00 |
13.00 |
4.30 |
3 |
MYXZ1-1KQC |
19.40 |
16.33 |
12.70 |
8.20 |
2.50 |
4 |
MYXZ1-1KQM |
24.10 |
22.10 |
16.00 |
10.80 |
3.30 |
5 |
M1-1Q |
23.33 |
19.33 |
15.00 |
10.00 |
3.00 |
6 |
MYXZ1-2K |
1.54 |
1.36 |
1.30 |
1.03 |
0.53 |
7 |
MYXZ1-2KQ |
17.94 |
15.50 |
11.75 |
8.00 |
—— |
8 |
MYXZ2-2K |
1.50 |
1.33 |
1.15 |
0.96 |
0.48 |
9 |
MYXZ2-2KQ |
29.33 |
22.17 |
14.50 |
6.00 |
—— |
10 |
YXZKQ-1 |
—— |
—— |
—— |
—— |
—— |
11 |
YXZKQ-2 |
31.67 |
25.33 |
18.50 |
10.17 |
—— |
注:表中抗侧刚度单位为kN/mm;Δ为模型顶点位移(mm);H为模型高度(mm)。
图3-4-1 5个单层单跨1:2模型在不同试验阶段刚度的变化
3、5 变形能力
从本次模型试验所获得的滞回曲线比较,不难看出,异形柱框架-约束墙体组合结构在水平荷载达到最大值后,其荷载下降比较缓慢,具有很好的承受弹塑性变形的能力。在水平低周反复荷载作用下,可以将滞回曲线的外包线作为骨架曲线进行延性分析,衡量其变形能力。图3-5-1为5个单层单跨1:2模型的骨架曲线。
图3-5-1 5个单层单跨1:2模型的骨架曲线
5个模型骨架曲线的屈服点由试验时模型出现裂缝时的那一级水平荷载和位移确定,极限点取最大水平荷载下降15%时的相应点。由此得到的5个结构模型在水平低周反复荷载作用下的位移延性分别列于表3-5-1中。
5个结构模型在水平低周反复荷载作用下的位移延性 表3-5-1
序 号 |
模型代号 |
屈服点 |
极限点 |
位移延性(μ△) |
Py(kN) |
△y(mm) |
Pu(kN) |
△u(mm) |
1 |
MYXZ1-1K |
22.0 |
4.8 |
28.5 |
23.0 |
4.79 |
2 |
MYXZ1-1KQ |
120.0 |
2.5 |
187.5 |
24.8 |
9.92 |
3 |
MYXZ1-1KQC |
75.0 |
2.15 |
110.5 |
18.6 |
8.65 |
4 |
MYXZ1-1KQM |
90.0 |
2.5 |
127.5 |
25.0 |
10.0 |
5 |
M1-1Q |
100.0 |
2.5 |
127.5 |
24.0 |
9.6 |
4 设 计 建 议
4.1结 构 布 置
为保证异形柱框架-墙体组合结构体系的整体抗震性能,其抵抗水平荷载作用的墙体应采用约束墙体的形式,即在墙体中均匀地布置水平和竖向约束带;此外楼(屋)盖也应优先采用现浇结构。
异形柱框架-墙体组合结构的框架应设计成双向刚接抗侧体系,以承受纵横两个方向的水平荷载(如地震、风荷载)作用。
异形柱框架-墙体组合结构平面布置时,应尽量使结构平面刚度均匀对称,避免扭转对结构产生不利影响;竖向布置应力求体形规则、均匀,避免有过大的外挑和内收,楼层刚度沿竖向避免有较大的突变。异形柱截面选择时,应优先采用“T”形和“十”形对称截面。
约束墙体在结构平面内的布置应力求做到均匀、对称。约束墙体中的水平和竖向约束带也应均匀的布置,水平约束带或竖向约束带的间距一般在1.2—2.5m之间。
4.2 设计计算方法
在水平荷载作用下,由异形柱框架和墙体联合承担;对于部分为异形柱框架-墙体组合结构、其余为纯异形柱框架两者组成的联合结构,在水平荷载作用下,其受剪承载力设计计算时,楼层剪力可按楼层异形柱框架和异形柱框架-墙体组合结构的抗侧刚度进行分配。
由于我单位以前对约束砌体结构已进行过大量的理论与试验研究,异形柱框架-墙体组合结构的受力特点与该种结构具有一定的相似性。此外,用约束砌体的计算方法对异形柱框架-墙体组合结构模型(YXZKQ-1)和约束砌体模型(M1-1Q)的抗侧刚度和斜截面抗剪承载力进行计算,并将计算结果与试验值进行比较,发现模型(YXZKQ-1)的刚度比K计算/K试验=1.18,斜截面抗剪承载力比V试验/V计算=1.86;模型(M1-1Q)的刚度比K计算/K试验=1.18,斜截面抗剪承载力比V试验/V计算=2.21。由此可见异形柱框架-墙体组合结构按约束砌体建议公式进行抗侧刚度和斜截面抗剪承载力计算是可行的,且其按建议公式计算的计算值与试验实测值之比和约束砌体具有同样的规律,说明按此方法计算的结果也是合理的。因此本文建议异形柱框架-墙体组合结构的抗侧刚度和斜截面抗剪承载力可按约束砌体相似方法进行计算。具体计算公式见下文。
4.2.1 异形柱框架-墙体组合结构抗侧刚度的计算
异形柱框架-墙体组合结构的抗侧刚度(KFW)可按下式计算:
(1)、当墙体高宽比h/b≤1时,按下式计算刚度:
(1)
(2)、当墙体高宽比1< h/b≤4时,按下式计算刚度:
(2)
式(1)和式(2)中,
h ——墙高;
Am,Ac——分别为墙体中砌体和混凝土竖向约束带(包括异形柱)的水平截面积;
Em,Ec——分别为砌体和竖向约束带(包括异形柱)混凝土的弹性模量;
Icm ——约束墙体截面按平截面假定计算的惯性矩,墙体中竖向约束带(包括异形柱)可换算成墙体截面进行计算;
η0 ——约束墙体刚度折减系数。刚度折减系数η0主要是考虑竖向约束带(包括异形柱)混凝土与砌体两种材料弹性摸量不同,平截面假定不完全成立,因此需要对计算出的刚度进行折减。η0可按下式计算。
(3)
式(3)中,λ为竖向约束带(包括异形柱)与墙体水平截面积之比。
4.2.2 楼层剪力分配
楼层剪力可按楼层异形柱框架和异形柱框架-墙体组合结构的抗侧刚度进行分配。
(1)、楼层总刚度(K)按下式计算:
(4)
上式(4)中,K为楼层总刚度;∑KFi为楼层异形柱框架在水平荷载作用平面内的抗侧刚度;∑KFWi为楼层异形柱框架-墙体组合结构在水平荷载作用平面内的抗侧刚度。
(2)、楼层异形柱框架的剪力(VF)可按下式计算:
(5)
式(5)中,ηF为异形柱框架楼层剪力设计放大系数,异形柱框架-墙体组合结构中,全为实体墙可取ηF=1.3;开门窗洞墙数占50%以上可取ηF=1.45。
(3)、楼层异形柱框架-墙体组合结构的剪力(VFW)可按下式计算:
(6)
式(5)、(6)中,V为楼层总剪力。
4.2.3 异形柱框架-墙体组合结构斜截面抗剪承载力计算
异形柱框架-墙体组合结构斜截面抗剪承载力计算中可将该结构中异形柱作为约束墙体的边侧竖向约束带考虑。在水平地震作用下,异形柱框架-墙体组合结构(约束墙体及其外框架)斜截面抗剪强度设计值(ƒvE)可按以下公式进行计算:
(7)
其中,ƒv—墙体砌体抗剪强度设计值,按现行国家规范《砌体结构设计规范》采用;
ζN—砌体抗剪强度的正应力影响系数,对于异形柱框架-墙体组合结构,可取ζN =0.8。
水平地震作用下,异形柱框架-墙体组合结构斜截面抗剪承载力可按下式进行验算:
(8)
(9)
式(8)、(9)中, ——承载力抗震调整系数,对于异形柱框架-墙体组合结构的约束墙体,取 =0.75;
Aeq ——约束墙体水平截面等效面积;
nc ——约束墙体中竖向约束带数(包括异形柱);
ηi ——竖向约束带、异形柱的截面面积折减系数,取值如下:
对于异形柱,η=0.25
对于竖向约束带:当竖向约束带数为1时,η=0.9
当竖向约束带数大于1时,η=0.6;
Aci ——竖向约束带(包括异形柱)截面面积。
5 结论
通过本次11个试验模型的水平低周反复荷载试验及结果分析,就异形柱框架及异形柱框架-墙体(约束)组合结构在水平荷载作用下的受力性能、破坏形态和设计建议得出以下结论:
1、纯异形柱框架的破坏主要是形成梁、柱塑性铰机构,异形柱框架节点也较易出现剪切破坏;异形柱框架-墙体组合结构的破坏形态主要是约束墙体每个单元墙出现交叉多条斜裂缝,异形柱框架很难形成梁、柱塑性铰机构,梁柱节点也不会形成交叉斜裂缝,但随着其相邻约束墙单元斜裂缝的发展,墙单元上斜裂缝有可能延伸至框架节点区或异形柱柱肢上。约束墙体上开洞(如窗洞、门洞)时,洞口四角由于应力集中,也容易发生破坏。
2、对于异形柱框架-墙体组合结构,由于异形柱框架与约束墙体之间相互约束的作用,其抵抗水平荷载的能力(抗侧刚度)较纯异形柱框架有很大幅度的提高,约束墙体上开洞时,抵抗水平荷载的能力(抗侧刚度)有所降低,降低幅度与洞口性质和位置有关。
3、异形柱框架及异形柱框架-墙体组合结构在水平荷载作用下的位移延性均较好,具有很好的承受弹塑性变形的能力。由于在增设水平和竖向约束带,即使在较大变形的情况下,墙体裂缝条数较多、但宽度较小,因而在水平荷载卸下后,裂缝的闭合性能良好,说明约束墙体能与异形柱框架一起承受抵抗大变形的能力。
4、异形柱框架及异形柱框架-墙体组合结构抵抗水平荷载能力尚与其上作用的竖向荷载大小、墙体材料、砌筑砂浆强度、竖向和水平约束带的设置以及异形柱框架的跨度(开间)等因素有关。
5、异形柱框架-墙体组合结构的抗侧刚度和斜截面抗剪承载力可按约束砌体相似方法进行计算。