隐框保温墙体偏心受压承载力试验研究

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  摘 要:设计制作了四个1/2缩尺比例隐框保温墙体模型,进行了偏心荷载作用下承载力试验研究。描述了墙体的破坏过程,分析了墙体的协同工作性能、破坏形态和承载能力,提出了偏心荷载作用下墙体承载力计算公式。分析表明:墙体的破坏符合一般大小偏心受压破坏规律,墙体内隐框与砌块协同工作性能良好,本文提出的隐框保温墙体偏心荷载作用下承载力计算公式计算结果与试验结果符合较好,具有较高可靠性, 可用于隐框保温墙体的偏心受压承载力计算。
  关键词:隐框保温墙体;偏心受压;试验研究;协同工作;破坏形态;承载力
  Experimental study on the capacity of hidden multi-ribbed frame and thermal insulation wall subjected to eccentric load
  Luo yeke, Lei rongchi
  (Civil Engineering Department, zhejiang industry polytechnic College, shaoxing 312000,china)
  Abstract:Four models of hidden multi-ribbed frame and thermal insulation wall are manufactured at 1 /2 scale and then tested under eccentric load. The wall’s failure processes is described. Cooperative working action, failure modes and bearing capability are analyzed to obtain the bearing capability calculation formula. Research indicates that the phenomenon of the wall’s failure is coincide with reinforced concrete structures which under small and large eccentric load. The conclusion shows that the multi-ribbed frame and the blocks can work well together. The result of the calculation formula agrees conservatively with the test results. With high reliability, the formula may be used to calculate the bearing capability of this type of wall.
  Keywords:hidden multi-ribbed frame and thermal insulation wall; eccentric load; experimental study; cooperative work; failure mode; bearing capability
  引言
  隐框保温新型墙体是在国家强力推行节能减排绿色循环低碳可持续发展政策的背景下提出来的一种通过再生塑料改性砌块搭砌、再生塑料改性混凝土灌芯浇筑组砌而成的环保型保温墙体[1]。其受力特点不同于一般钢筋混凝土剪力墙结构,也不同于普通配筋砌块砌体剪力墙结构[2-9]。本文选取了四组1/2缩尺比例下,相同尺寸和配筋的再生塑料改性材料隐框保温墙体试件,进行了偏心荷载作用下的抗压试验研究。
  1.试验概况
  1.1 试件
  为测试在偏心荷载作用下不同偏心距对墙体的承载力、变形等受力性能的影响,设计了四片相同高度和相同配筋的墙体试件,外形尺寸为600mm×125mm×900mm,高厚比为7.2,墙体内隐框混凝土设计强度等级为C20,施压偏心距分别为200mm、150mm、100mm、50mm。各试件编号为PW1-PW4,配筋情况如图1,与试件浇筑一体的上下钢筋混凝土梁为荷载分配梁。
  1.2 材料的物理力学性能
  试件的隐框中只配了一种经过冷拉调直的HPB235级钢筋,该钢筋的力学性能试验结果如表1所示。砌块的物理力学性能列于表2。各试件的隐框混凝土抗压强度试验结果和计算结果如表3所示。
  2.试验及分析
  2.1 试件的破坏过程
  试件PW1 241.5kN时,墙内传来“噼啪”声并持续。339.1kN时,试件中部在无预兆情况下突然崩错压坏,部分砌块崩落,混凝土压碎,钢筋弯折。加载中未见裂缝。
  试件PW2 130.0kN时,从墙体内部传来“噼啪”声并持续。322.1kN时,右上端快速出现竖向密集裂缝,同时左上端出现水平裂缝。332.5kN时,试件被突然压垮。部分砌块崩落,混凝土压碎,左端钢筋被拉断,右端钢筋被压弯。
  试件PW3 155.0kN时,左上端出现一条水平裂缝,加载中裂缝有所延伸并通向反面,很快该处出现其他水平缝。160.0kN时,内部传来“噼啪”声。260.0kN时,右侧先后快速出现竖向裂缝并贯通。298.3kN时,试件被突然压垮。部分砌块崩落,混凝土压碎,左侧钢筋被拉断,右侧钢筋被压弯。
  试件PW4 63.0kN时, 左上部出现水平裂缝逐渐向内发展,随后左侧中部出现向内发展的水平裂缝。170.0kN时,右上部出现竖向裂缝并逐渐发展。188kN时,裂缝延展增宽明显。191.2kN时,试件随一串“噼啪”声被压坏。砌块和混凝土被压碎,钢筋被压弯。试件破坏表现为延性破坏。   表4是各试件的开裂及破坏荷载。比较分析各试件的受压过程以及破坏现象可见:
  (1)破坏荷载按偏心距增大依次递减,符合偏心受压构件一般受力特点。
  (2)试件PW1、PW2破坏预兆不明显且突然,表现为脆性性质。试件PW3、PW4受拉侧裂缝出现较早,随后出现受压侧竖向裂缝,PW4破坏预兆明显,PW3破坏有预兆,但破坏突然。
  (3)各试件破坏均为材料破坏。未发现平面外纵向屈曲破坏。
  2.2协同工作性能
  偏心受压试件中隐框和砌块各自承担一定的荷载,并互相间传力,他们相互作用的结果直接影响到隐框和砌块的受力性能和特点。
  图2为不同偏心距下试件内竖向钢筋与试件表面砌块应变—荷载关系曲线。由图及试验过程可见:加载初期试件中隐框和砌块处在完全变形协调状态,它们之间传力均匀,墙体处在弹性阶段。继续加载,试件按偏心距从大到小依次进入弹塑性阶段,在该阶段隐框与砌块的变形已不十分协调,偏心距大的试件尤为明显。在破坏阶段,偏心距大的试件砌块和隐框的协调工作性能越来越差,受拉区尤为明显;偏心距小的试件主要表现为全截面受压,砌块和隐框的协调性继续变差,但整体依然较好。
  试件加载时由于偏心距不同,它们的破坏形态也表现出不同的状况来。
  试件PW1、PW2的破坏荷载较高。分析它们的破坏特征和破坏荷载:较小偏心距下,破坏主要是右侧受压区的混凝土及砌块率先达到材料强度,使试件在没有预兆情况下发生突然间的脆性破坏。分析隐形柱内纵向钢筋应变,试件左侧钢筋应变随加载基本受压,即两试件为全截面受压。试件PW1、PW2为小偏心受压破坏,破坏从受压区开始。试件PW3左侧钢筋应变随加载始终为拉应变,但一直未屈服,破坏是右侧受压区混凝土及砌块率先达到材料强度而突然压坏。试件PW3的破坏依然为小偏心受压破坏,与试件PW1、PW2破坏形态相同。
  试件PW4的破坏荷载最低。分析其破坏特征和破坏荷载,破坏时右侧混凝土和砌块达到材料抗强度,左侧钢筋已屈服。试件在破坏前显露出明显预兆,极限荷载时表现为缓慢的延性破坏。从裂缝的发生和发展看,受拉侧在接近破坏时已很明显。试件PW4应是大偏心受压破坏。
  3.墙体的承载力分析
  满足正截面抗压弯承载力是隐框保温墙体主要的控制设计目标之一。根据该结构的构造特点和试验结果,在偏心荷载作用下试件的破坏类似于钢筋混凝土剪力墙,可参照钢筋混凝土偏心受压构件的计算方法得出墙体偏心荷载作用下承载力计算公式。
  3.1 墙体正截面压弯极限状态承载力的组成分析
  偏心荷载作用可看作由轴向压力和弯矩共同作用下,墙体处于压弯受力状态,当距离竖向力较近侧的隐形柱正应变达到混凝土极限压应变时,则认为墙体达到压弯承载力的极限状态,此时的墙体截面极限轴向力及弯矩称为墙体的压弯极限承载力。
  根据隐框保温墙体的构造特点,墙体的偏心荷载作用分配给隐形柱和砌块两部分。由平衡条件,可得隐框保温墙体压承载力的组成表达式为: ; 。其中 、 分别为墙体截面极限轴力、弯矩;、分别为砌块承担的轴向力、弯矩; 、 分别为隐形柱承担的轴向力、弯矩。 由于偏压试验测
  点布置关系,无法准确分析得到荷载在隐形柱及砌块间的分配情况,但经过分析,砌块对抵抗竖向荷载的贡献是不可忽视的。所以分析墙体压弯承载力的计算公式时不可忽略砌块的作用,而隐形柱是压弯承载力的主要贡献者。
  由于隐框保温墙体构造的特殊性,隐形柱的截面为圆形,相应砌块截面为不规则,隐框与砌块为两种材料。由此考虑对墙体截面作一转化。将原结构材料属性改为同一材料,并根据实际受力情况同时改变墙体截面尺寸。在提出墙体偏心受压承载力计算公式之前,作下列假定:1)墙体截面应变符合平截面假定,即墙体压弯变形前后其截面应变仍保持一平截面;2)不考虑截面受拉区混凝土和砌块的受拉作用;3)混凝土受压的应力应变关系曲线采用《混凝土结构设计规范》中所列公式;4)纵向钢筋的应力取钢筋应变与其弹性模量的乘积。5)墙体破坏前隐形框格与砌块完全变形协调,不考虑隐形梁及钢筋对墙体刚度的贡献。
  经分析,不论从强度还是从刚度,墙体截面端部处的砌块所作贡献很小,可以考虑墙体截面的长度(高度)尺寸定为510mm,将该处砌块贡献转入至墙体转化后新截面。由于要同时统一材料,最理想的就是将截面统一为矩形,原钢筋位置不变。
  按照混凝土与砌块弹性模量E的比值将砌块的截面积等效为混凝土的面积,原隐形柱的面积按惯性矩相等的原则等效为矩形形式。等效后总面积分布均匀,并且关于墙体厚度方向的轴线对称。
  式(4)~(8)中: 为偏心轴向力; 为轴向力作用点到竖向受拉钢筋合力点之间的距离(mm), ; 为轴向力偏心距, ; 为系数,按《混凝土结构设计规范》(GB50010)取值; 为截面换算受压区高度,按 计算(mm),其中 为实际受压区高度(mm), 值按《混凝土结构设计规范》(GB50010)取值; 为竖向分布钢筋抗拉强度设计值(N/mm2); 为竖向分布钢筋的截面面积(mm2); 为截面有效高度, , ( )分别为截面受拉区(受压区)端部钢筋合力点到受拉区(受压区)边缘的距离(mm); 、 分别为竖向受压、受拉主筋强度设计值(N/mm2); 、 分别为竖向受压、受拉主筋截面积(mm2); 为界限相对受压区高度,按 计算,其中 为界限状态换算受压区高度(mm), 为界限状态实际受压区高度(mm), 为钢筋弹性模量(N/mm2), 为混凝土极限压应变。
  3.3 计算结果对比
  通过式(1)到(8)计算各试件的极限承载力和试验结果列于表5。从表中数据可以看出,公式计算值相对于试验值是略偏于安全的,公式计算值相对于试验值的平均误差并不大,可见本文提出来的隐框保温墙体偏压承载力公式对于本试验是可以接受的。   4.结语
  通过对隐框保温墙体偏心荷载作用下试验过程观察,应力应变、协同工作性能分析,破坏模式判断以及墙体结构、材料分析,根据偏心受压构件的截面特性综合得出隐框保温墙体偏压承载力计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。表明本文提出的隐框保温墙体偏压承载力计算公式用于该墙体偏压计算具有较高的可靠性。墙体截面等效研究方法对进一步分析隐框结构墙板的受力特性具有很好的借鉴意义。
  参考文献
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  【文章编号】 1627-6868(2015)05-0004-05
  【作者简介】罗烨钶(1982-),男,浙江慈溪人,浙江工业职业技术学院讲师,从事新型建筑结构与材料研究。
  【科研项目】浙江省教育厅科研项目资助(Y201225574)。
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