轻型装配钢管混凝土框架-耗能减震地聚物墙抗震性能

周中一 靳宇航 庞新龙 罗诒红

（中国地震局工程力学研究所，地震工程与工程振动重点实验室，哈尔滨150080）

0 引 言

多层砌体结构抗震能力较差，历次地震中损毁严重。研发造价低、构造简单、施工简便、抗震性能好的低多层装配式建筑已成工程和社会亟需。夏冰青［1］、江风波［2］、胡海兵［3］、许业玉等［4］对不同设计参数的轻钢龙骨-复合板材组合墙体的轴压性能和抗震性能进行了试验研究和理论分析，分析了抗剪承载力、延性和损伤演化规律等，给出了承载力计算方法。田稳苓［5］提出了一种带方钢管连接件的泡沫混凝土轻钢龙骨复合墙体，进行了试验与理论研究。陈峰［6］分析了轻钢龙骨多层钢结构住宅体系的经济性。朱婉婕等［7］研发了无竖向灰缝的加长砌块，研究了用于装配式墙体的加长型混凝土砌块的抗压强度、抗剪强度等力学性能及破坏模式。卫军等［8］总结了我国传统农村住宅结构体系及存在的问题，列举了适用于新农村建设的装配式住宅结构体系，分析了阻碍农村装配式住宅发展的因素。周中一等［9-10］研发了L 形边框单排配筋保温模块矮剪力墙结构，实现了抗震节能一体化；并将该结构与钢管混凝土框架结构结合，研发了轻型装配式框架-变形可控地聚物墙结构［11］，实现了建筑构件轻型化、装配化和地聚物填充墙的变形和损伤控制。

本文研发的轻型装配式钢管混凝土框架-耗能减震墙结构，是在文献［11］基础上提出的轻型装配式钢管混凝土框架-耗能减震地聚物墙结构。为研究其抗震性能，进行了3 个足尺轻型装配式框架-耗能减震地聚物墙模型的低周反复荷载试验，研究了地聚物墙-框架间连接方式和橡胶阻尼层对整体结构抗震性能的影响。

1 轻型装配钢管砼框架-耗能减震地聚物墙

研发的轻型钢管混凝土框架由型钢梁、型钢节点、柱端连接件和钢管混凝土柱等部件构成，各部件间通过螺栓或焊接连接［11］，如图1 所示。各装配部件自重较轻，人工即可搬动，不需要大型机械施工，适宜在机械化程度较低的村镇地区推广应用，装配过程见图2。

图1 装配化部件连接构造Fig.1 Construction Details of assembled parts

图2 轻型框架装配过程Fig.2 Construction details of the assembled lightweight frame

地聚物混凝土墙与框架梁通过变形可控连接，该连接主要由焊接在钢管混凝土柱侧面和地聚物墙四周的连接板构成，柱连接板上预留竖向槽，墙连接板上预留水平槽，高强螺栓穿过水平槽和竖向槽将两者连接成整体。连接螺栓可在水平槽和竖向槽内有限滑动，延缓并减小了框架传递给墙体的荷载，可使框架变形达到规范规定的弹塑性极限位移角时，填充墙损伤轻微。在墙连接板和柱连接板间设置橡胶阻尼层，框架变形时，填充墙与橡胶阻尼层间摩擦耗能，提高结构的整体耗能能力，连接构造见图3。

图3 连接构造Fig.3 Connection detail between frame and wall

2 试验概况

2.1 模型设计

共设计了3 个足尺轻型钢管混凝土框架-耗能减震墙模型，包括：1 个无橡胶阻尼层变形可控连接的整体装配式填充墙试件，编号为LSFR-4；1个上下端铺设橡胶阻尼层的整体装配式填充墙试件，编号为SFDW-1；1 个上中下部铺设橡胶阻尼层的分体装配式地聚物墙试件，编号为SFDW-2。各试件几何尺寸及构造见图4，图4（a）为文献［11］所述无橡胶阻尼层墙体构造，图4（b）、图4（c）为带橡胶阻尼层墙体构造，所有墙体与框架梁的连接与图3 中连接构造相同。各试件中钢管规格为150 mm×150 mm×6 mm，型钢梁规格为200 mm×150 mm×6 mm×9 mm，柱端连接件钢板和连接板厚度为10 mm，地聚物墙厚100 mm，钢管内填充混凝土和墙体混凝土强度等级均为C40，地聚物墙与框架柱间缝隙用蒸压加气混凝土砌块填充。

图4 地聚物墙体模型尺寸及连接构造（单位：mm）Fig.4 The dimension and connection detail of the specimen（Unit：mm）

2.2 试验加载与测点布置

试验在中国地震局工程力学研究所恢先地震工程与工程振动重点实验室进行。首先通过竖向千斤顶在钢管混凝土柱顶部施加300 kN 荷载，并保持恒定，以模拟轴压，之后在框架梁中心点处施加低周反复水平荷载，加载过程采用位移控制，1%位移角前每级荷载增量为3.6 mm，1%位移角之后每级荷载增量为7.2 mm，每级荷载循环两次。试验加载装置见图5。

图5 试验加载装置Fig.5 Loading device

在框架梁中心点处布置水平位移计，测量水平荷载下框架整体变形情况，在钢管混凝土柱底部布置位移计，测量柱底变形，沿框架对角线方向布置位移计，测量墙体斜向变形；在钢管底部、梁柱节点区布置应变片，测量关键点应变，测点布置见图6。

图6 测点布置Fig.6 The arrangement of measuring points

3 试验分析

3.1 墙体损伤

上下变形可控连接无橡胶阻尼层试件LSFR-4：蒸压加气混凝土砌块强度较低，先于主体结构开裂、损伤、剥落；地聚物墙体与砌块相互挤压过程中轻微损伤；砌块脱离主体结构后，地聚物墙变形空间增大，墙体与框架梁间的变形可控连接允许两者相对变形，地聚物墙损伤并未加重；加载点位移达1/66 位移角时，墙体对角线方向出现主斜裂缝，见图7（a），之后墙体裂缝逐渐增多，见图7（b）；变形达1/25 位移角时，地聚物混凝土墙体损伤严重，见图7（c），钢管混凝土柱底部屈曲，见图7（d）；试验过程中地聚物混凝土墙体与框架间连接可靠，仅有少部分连接螺栓被剪断。

图7 上下变形可控连接试件（LSFR-4）损伤状态Fig.7 Damage state of specimen LSFR-4［11］

SFDW-1、SFDW-2损伤发展过程相同点：

（1）框架与填充墙间的蒸压加气混凝土砌块损伤发展过程与LSFR-4相同；

（2）砌块脱离主体结构后，地聚物墙变形空间增大，橡胶阻尼层发生剪切变形耗散地震能量，减轻了墙体损伤；

（3）地聚物墙与框架梁间的相对变形超过水平连接槽或竖向连接槽（图3）的长度时，地聚物墙损伤加重；位移角达1/25 时，地聚物墙四角混凝土脱落，部分钢筋露出，试件整体损伤发展过程见图8。

图8 SFDW-1 损伤发展过程Fig.8 Damage evolution process of SFDW-1

SFDW-1、SFDW-2 损伤发展过程不同点：与SFDW-1 相比，试件SFDW-2 中部橡胶阻尼层将整体墙分解成上下两部分，降低了墙体的剪跨比（约为0.5）；墙体上下两部分沿着中部橡胶阻尼层剪切滑移，墙体上下两端与框架梁连接处相对变形较小，损伤较轻；中部连接处墙体相对变形大，墙体角部混凝土被连接螺栓剪坏，损伤较重，见图9。

图9 SFDW-2 损伤发展过程Fig.9 Damage evolution process of SFDW-2

综上所述：

（1）与未设置橡胶阻尼层试件LSFR-4 相比，试件SFDW-1 和试件SDFW-2 与框架间的连接较弱，框架传递给墙体的荷载较小，墙体损伤较轻；

（2）橡胶阻尼层增大了墙体连接板与框架梁连接板间的阻尼，增强了整体结构耗能能力；

（3）与SDFW-1 相比，SDFW-2 在墙体中部设置了橡胶阻尼层，减小了墙体的剪跨比，增大了剪切变形所占比例，改变了墙体的损伤演化方式，使得墙体损伤主要集中在上下墙的连接处。

3.2 轻型装配式框架

试件 LSFR-4、SFDW-1、SFDW-2 的轻型装配式框架的损伤发展过程基本相同：随着加载点水平位移增大，轻型装配式框架变形进入弹塑性阶段，框架梁翼缘与型钢节点连接处首先屈曲，部分焊缝撕裂，见图10（a）；地聚物墙和框架梁的相对变形超过连接槽长度时，连接螺栓被卡，墙体的损伤会加重，当变形过大时，部分连接螺栓被剪断，见图10（b）；柱端连接件对柱底进行了局部加强，钢管混凝土柱底损伤上移，位移角达到4%时，柱端连接件上部钢管混凝土柱局部屈曲，见图10（c），部分钢管混凝土柱底部与柱端连接件交接处焊缝撕裂，见图10（d）。

图10 轻型装配是框架损伤Fig.10 Damage of the lightweight assembled steel frame

3.3 承载力

实测各试件特点荷载见表1，表中Fp为峰值点荷载，F为破坏点荷载即框架变形较大，试验终止时的荷载。因试验中SDFW-1、SDFW-2 的弹塑性变形能力强，位移角达到4%时，荷载位移曲线仍处于水平段，荷载未明显下降，故表1 中未列出承载力下载至85%时的特征荷载。

由表1可见：

表1 实测各试件特征点荷载Table 1 Experimental results of characteristic point load

（1）无橡胶阻尼层试件LSFR-4 的峰值承载力较高，比上下两端设橡胶阻尼层整体墙试件SFDW-1 高48%，比上中下设橡胶阻尼层分体装配墙试件SFDW-2高43%；

（2）与SDFW-1 相比，SDFW-2 的承载力降低了30%，表明分体装配填充墙的刚度较小，达到极限变形时的承载力有明显降低；

（3）与试件LSFR-4 相比，SDFW-1 和SDFW-2的峰值承载力虽有所降低，但位移角达25%时，带橡胶阻尼层试件的承载力并未下降，带橡胶阻尼层整体装配式填充墙试件SDFW-1 极限变形时的承载力比无橡胶阻尼层试件LSFR-4 高40%左右，带橡胶阻尼层试件具有稳定的承载力，墙体的损伤亦较轻。

3.4 滞回与延性

实测各试件的滞回曲线见图11，图中F为水平荷载，U为加载点水平位移。

图11 各试件滞回曲线Fig.11 Hysteretic curve of the specimens

由图11可见：

（1）轻型装配式框架-地聚物墙体试件滞回曲线饱满、耗能能力较强、加载点位移角达到1/25时，各试件均具有稳定的承载能力；

（2）与试件LSFR-4 相比，带橡胶阻尼层试件SFDW-1、SFDW-2 的滞回曲线更为饱满、达到峰值荷载后，具有较长的水平段，表明其具有延性好、承载力稳定的优势；但带橡胶阻尼层试件的承载力有所较低，表明设置橡胶阻尼层后，降低了试件的整体刚度，减小了框架传递给地聚物墙的荷载，减轻了地聚物墙的损伤；

（3）与上下两端设置橡胶阻尼层试件相比，上中下设置橡胶阻尼层试件的刚度和承载力降低明显，整体耗能能力增长不明显，但变形能力增强，墙体损伤程度明显减轻；

（4）加载点位移角达到1/25 时，各试件均具有良好的变形能力和延性，带橡胶阻尼层试件SDFW-1、SDFW-2 的延性明显好于不带橡胶阻尼层试件LSFR-4。

3.5 耗能

滞回环包络的面积说明了结构耗能能力的大小，取所有滞回环包络面积的和作为对比用的耗能能量，实测各试件累积耗能值见表2。

表2 试件耗能实测值Table 2 Measured value of the energy dissipation

由表2 可见：与试件LSFR-4 相比，上、下两端设置橡胶阻尼层试件SDFW-1 的耗能能力提高了15%，而上、中、下部均布设橡胶阻尼层试件SDFW-2 的耗能能力降低了23%，这主要是由于整体墙被阻尼层分成上下两部分后，墙体的整体刚度降低较多，致使整体结构承载力下降明显，在相同极限位移时，耗能能力降低明显。

4 结 论

（1）框架与地聚物墙间采用变形可控弱连接，降低了框架传底给墙体的荷载，减轻了墙体损伤，充分发挥了轻型装配式钢框架变形能力强、延性好的优势。

（2）整体装配式地聚物墙与框架间设置橡胶阻尼层，提高了结构的整体延性和耗能能力，但削弱了墙体与框架间的相互约束，整体结构的刚度和承载力均有所降低。

（3）与 LSFR-4 和 SDFW-1 相比，上、中、下部均设置橡胶阻尼层的试件SDFW-2 的承载力、刚度和耗能能力均降低明显，但达到1/25 位移角时，墙体损伤轻微，可修复性较强。

（4）轻型装配式钢管砼框架-耗能减震地聚物墙结构具有良好变形能力和延性，抗震性能良好，可满足地震区低多层建筑的抗震设防要求。