冻融环境下钢管混凝土带缝剪力墙的抗震性能试验研究

会见

文|海洋说史
编辑|海洋说史

随着我国经济的高速发展，人们对于生活质量和品质的追求也越发的精益求精，这点尤其是体现在房屋建筑中出现了越来越多的高层住宅。而在高层房屋建筑中，最值得去关注和重视的就是建筑的钢筋混凝土剪力墙，尤其是抗侧力结构，具有刚度极大的特点，在外界施加水平荷载的作用之下，可以产生比较小的侧方移动，因此能较容易满足承载力的要求，在施工中也比较方便，因而在高层结构中应用广泛。
但是高层建筑有着一个极大的挑战，就是地震所导致的建筑破坏变形，尤其是钢筋混凝土剪根据大量的灾后建筑资料数据记载，地震会导致剪力墙遭受脆性破坏，其主要原因是由于其并不具备强大的后期侧向变形能力。

因为在房间建筑工程中，混凝土剪力墙具有极大的作用，但是较差的后期侧向变形能力又导致其并不具备良好的抗震性能，经过专家学者的研究和分析，提出了多项预防应急措施，提高该剪力墙的变形能力和建筑的抗震性能。
有研究表明将人工竖缝加入剪力墙中，就可以把原来的建筑的混凝土剪力墙通过人工竖缝进行划分，从而提高其抗震性能，主要是经历了地震之后，由于人工竖缝，从而分为多个高度宽度都较大的延性剪力墙，这样剪力墙的延性就得到明显提高。也有学者对钢管混凝土剪力墙的抗震性能进行了大量的试验和研究分析，从而使其可以对钢筋混凝土边框进行重新设置，可将剪力墙承载力和抗侧刚度有效提高。

在我国东北地区，冻融循环是影响钢筋混凝土剪力墙抗震性能、力学性能的主要因素。有研究者基于材料层面，对氯盐腐蚀和冻融对墙体结构抗震性能的劣化规律进行了研究。我国学者对剪力墙的抗震性能的影响因素研究较多。但对在冻融环境下，钢管混凝土带缝剪力墙的抗震性能研究还鲜有报道。
因此，本研究对不同冻融程度的3片方钢管混凝土边框带缝剪力墙和3片方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙进行了模拟静力场试验，并且将其放置于一个冻融环境下，通过其所产生的冻融损失，来计算其所受到的抗剪承载力的参数值，为研究影响钢管混凝土带缝剪力墙的抗震性能的因素做理论支撑。

在本试验中一共设计了剪跨比为2.55的钢筋混凝土剪力墙试件6个，其中D1、D2、D3为方钢管混凝土边框带缝剪力墙；DZ1、DZ2、DZ3为方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙。在6组试件中，钢管混凝土边框尺寸全部为55mm×55mm×1.5mm的方钢管。

这些钢筋混凝土剪力墙试件的边框均是采用钢板进行焊接所得。而对于底部是处于加厚状态的剪力墙而言，由底部开始，加厚在其方钢管边框505mm的高度区域内进行，加厚钢片的参数和方钢管参数相同。本试验中所使用到的混凝土也均是来源于同一批次的混凝土，实际测量所得到的混凝土立方体的抗压强度为51.6MPa。表1中参数为实际所得到的钢材力学性能，图1为试件配筋和几何尺寸。

试验加载装置包括水平千斤顶、反力架系统、油压控制系统、竖向千斤顶等。在事先将所需要的钢槽的尺寸和形状进行设计和制作，并且试验试件放置在其中，使用反力架系统和高强螺栓对其进行加锚和固定。然后在在其试件的上方进行加载，水平放置一块钢板，钢板厚度约为55mm，最大程度的保证试件可以在竖向受到均匀的加载。
本试验的加载方式为低周反复荷载，先在竖向对其施加一个荷载，并且在整个试验过程中对其加载荷载不变，换句话说就是确保其轴压比数值不变。然后再进行水平荷载的施加，试验开始时，先加载到11kN，然后每次按4kN逐级进行加载，在完成加载后进行4min的静置。

缩短试验采用真实对冻融环境进行模拟的方法，采用室内加速冻融方法进行试验。参考美国标准ASTM设计冻融循环方案，以经受的冻融循环次数对墙体的抗冻性能进行试验计算，把试件所处于冻融环境下的重复次数设定为0、45、115次。
通过把试件D1、D2、D3和试件DZ1、DZ2、DZ3进行比较分析，试件D1和试件DZ1并放置于冻融环境下进行试验，作为空白参考，而其他的试件则是经过28d的养护工作之后，把其放置到人工气候模拟工作室中，对其施加冻融环境。图3为试件所受到的冻融循环加载示意图。

破坏特征分析图4为试件破坏形态，由图4可知，通过对其进行周反复的施加荷载，可以观察到试件均受到了剪切破坏，对于试件受到荷载直到破坏可以分为这三个步骤，即弹性、弹塑性和破坏。

对于试件所受到的不同的冻融循环次数下，剪力墙所处的环境和所受到的破坏程度的对比分析中，可以发现当试件重复115次冻融加载循环后，试件D3、DZ3的其初裂缝提前出现，且裂缝发展比较迅速；与未冻融试件相比，试件D3、DZ3具有更严重的破坏，在主斜裂缝附近，微裂缝较多，在试件表面，有剥落现象出现。

在冻融循环次数相同时，通过对两种墙体进行对比，发现方钢管混凝土边框带缝剪力墙开裂后，裂缝迅速形成主裂缝，试件具有非常短的开裂到破坏时间；对于方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙来说，裂缝受到中间构造柱的阻碍，形成的次生裂缝较多。并且可以从这两组试件最终形成的破坏状态图中直观看出，方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙破坏时，中间具有较明显的裂缝，且周围的微裂缝非常多；方钢管混凝土边框带缝剪力墙的大部分区域发生的破坏则相对较轻。
滞回曲线主要是试件在经历低周反复的施加荷载作用之下，所得到的施加荷载和试件所产生的位移的曲线，该曲线可以直观的反应出试件在受到荷载并产生形变破坏的全过程，是我们用于评价构件是否具备良好的抗震性能的指标。图5为试件的滞回曲线。

由图5知，在试件开裂前，其所产生的位移和所受到的荷载力主要是呈现线性关系，在此阶段的墙体依旧属于弹性状态，试件的滞回曲线为直线，时耗能能力较小，加载和卸载刚度变化较小。但在试件所受到的荷载逐渐增加，所产生的位移也越来越多，就渐渐的步入了弹塑性阶对试件进行加载和卸载所产生的变形更加明显。并且伴随着产生的位移逐渐增大，当达到了试件的最大极限承载力之后，就正式称为塑性阶段，所产生的滞回曲线面积也趋向最大的话，并且伴随着“捏拢”现象产生。

增加了刚度、强度的衰减和耗能。在不同冻融循环次数下，对试件滞回曲线对比可得知，在试件并没有发生开裂的时候，并没有经历冻融的试件所得到的滞回曲线和经历冻融试件的滞回曲线是相同的，但是伴随着经历的冻融循环的次数的增多，试件的开裂荷载慢慢减小；当试件开裂之后，可以发现伴随着冻融循环次数的增加，试件的刚度、强度和退化程度在越发的严重，所产的滞回曲线的捏拢现象也越发显著，滞回曲线面积也缩减至最小化，种种现象表明该试件的冻融损失比较严重。
图6为各试件的骨架曲线，冻融环境在试件处于弹性状态下，对其抗震性能的影响比较小，该曲线为直线；在试件步入弹塑性阶段之后，试件刚度开始下降，骨架曲线开始弯曲；在该试件达到一个极限荷载的时候，整个试件的骨架曲线呈现下降趋势，试件的刚度退化较为显著，反映了试件在处于低周反复荷载之下，所形成的损失正在不断的累计。

在冻融循环次数不相同的时候，可以发现冻融环境反复的次数与我们试件的各项荷载指标呈现着负相关关系，即循环的次数越多，时间的极限荷载和开裂荷载的参数值在不断的减少，幅度要比开裂荷载的大。

这表明在开裂前，试件冻融环境对墙体的抗震性能的影响程度比较轻，但是一但墙体出现开裂之后，试件的承载力就会伴随着冻融循环次数的增多从而增加当冻融循环次数相同的时候，方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙具有相对较高的变形能力和承载能力，骨架曲线下降段较平缓，试件具有较好的延性。在试件形成主裂缝后，主要由圈梁和构造柱的约束作用承担荷载，在该阶段，圈梁和构造柱发挥的作用较大。表3为试件各个特征点的荷载位移实测值

(1)通过对在相同的冻融环境下反复经历多次的循环混凝土带缝剪刀墙的整体状态和受破坏程度进行比较分析，从而得出在经过115次的冻融环境下反复操作，我们试件D3、DZ3的其初裂缝提前出现，且裂缝发展比较迅速；与未冻融试件相比，试件D3、DZ3具有更严重的破坏。冻融在弹性阶段对试件抗震性能影响较小，在进入弹塑性阶段后，试件刚度开始下降，骨架曲线开始弯曲；在极限荷载达到后，试件骨架曲线下降，试件刚度退化明显。
(2) 方钢管混凝土边框带缝剪力墙延性系数平均值为3.53，方钢管混凝土边框底部加厚带缝剪力墙的延性系数平均值为4.07。
(3)在冻融循环次数不相同的时候，可以发现冻融环境反复的次数与我们试件的各项荷载指标呈现着负相关关系，即循环的次数越多，时间的极限荷载和开裂荷载的参数值在不断的减少，极限荷载降低幅度要比开裂荷载的大，并建立了冻融循环次数的墙体受剪承载力公式。
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