方鋼混凝土柱填充墻面外性能分析

曹立染，陳 東，吳 升

（1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2.合肥東部新中心建設投資有限公司 工程建設部，安徽 合肥 230000）

0 引言

未設置構造措施的砌體填充墻因難以承受平面外作用[1]而發生嚴重的破壞，會產生巨大的安全隱患。F.Akhoundi 等[2]研究發現，門窗等開口會使砌體填充墻更容易受到平面外破壞。大多數填充墻加固技術研究中沒有提供設計方法和指導方針[3]，而構造柱是提高填充墻面外承載力的主要措施。D.Mato?evi? 等[4]對有、無構造柱墻體的受力性能進行了研究，發現帶構造柱的墻體受力性能提高，同時分析得知連接措施對結構的剛度和承載力產生的影響較小，但是墻體的耗能能力增強。鋼筋混凝土構造柱難以符合未來綠色建筑發展方向。為此，近些年來，科研工作者們提出了各種新型的構造柱結構。張春濤等[5]提出了方鋼管砂卵石組合圈梁構造柱，并且通過試驗驗證了該構造柱對填充墻的形變起到了有效的約束作用，能夠提高墻體的承載力，但是缺乏對比傳統構造柱的性能表現。鄭妮娜等[6]通過試驗得出芯柱式構造柱在與墻體協調變形上要優于傳統構造柱的，但是芯柱式構造柱仍需現場預留預制試塊位置，綁扎鋼筋現場澆筑，需要耗費大量時間。

采用方鋼管混凝土構造柱作為約束填充墻的措施，可以在提高墻體受力性能的同時，簡化施工過程，促進裝配化施工的發展。因此，本研究擬以試驗對比6 個方鋼管混凝土構造柱和鋼筋混凝土構造柱在平面外作用下約束砌體填充墻的效果，對比分析方鋼管混凝土構造柱填充墻的面外表現，并用數值模型分析方鋼管混凝土構造柱填充墻的面外受力極限性能。

1 試驗概況

1.1 材料與墻體設計

試驗制作1:2 的縮尺試件：方鋼管混凝土構造柱砌體填充墻（concrete filled square steel filled column masonry wall，CSCW）試件3 個，編號為CSCW-1、CSCW-2、CSCW-3；鋼筋混凝土構造柱砌體填充墻（reinforced concrete construction column masonry fill wall，RCW）試件3 個，編號為RCW-1、RCW-2、RCW-3。試驗采用A5.0 蒸壓加氣混凝土砌塊，M5.0 的砂漿。C20 砼，3 mm 厚Q235 方鋼管?？v向鋼筋采用HRB400 直徑為12 mm 的鋼筋，拉結筋采用HRB400 直徑為6 mm 的鋼筋。方鋼管混凝土構造柱與鋼筋混凝土構造柱截面尺寸均為100 mm×100 mm，砌體填充墻的長度為3 000 mm，高度為2 000 mm，厚度為100 mm。墻體中央設置構造柱，沿墻高度方向每500 mm 設置1 根嵌入墻體深度為700 mm 的拉結筋?；旌仙皾{抹灰，為了增強構造柱與墻體的整體性，在構造柱及其附近墻體粘貼抗裂網格布，涂上白色顏料，如圖1所示。

圖1 填充墻結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fill wall structure

方鋼管混凝土構造柱頂部與預留插筋焊接，底部焊接L 形鋼板并與預埋鋼板焊接，柱與墻體通過高強度砂漿和拉結筋形成整體，如圖2所示。鋼筋混凝土構造柱布置4 根直徑為12 mm 的HRB400 鋼筋，馬牙槎按規范設置。

圖2 構件連接示意圖Fig.2 Component connection diagram

1.2 試驗設備及加載方式

試驗加載裝置如圖3所示，由液壓式千斤頂提供荷載，通過型鋼傳遞作用，將壓力傳感器置于千斤頂與型鋼之間。墻體應變數據用動靜態應變儀記錄，砌體填充墻和構造柱的位移用位移計進行測量，裂縫寬度采用裂縫寬度觀測儀測量。位移計的排布位置與應變片一致。在砌體填充墻的非加載面（non loading surface，NLS）布置9 片應變片，其中沿構造柱豎向設置3 個等距應變片，墻體兩邊按照一致的高度各設置3個應變片。砌體填充墻的加載面（loading surface，LS）沿構造柱豎向設置3 個等距應變片。位移計對稱擺放在NLS 面上，如圖4所示。

圖3 試驗加載裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental loading device

圖4 加載裝置現場圖Fig.4 Lodaing device physical map

荷載施加于墻體正中央。預加載值為4 kN，做2 次循環回到初始位置，檢查儀器是否運轉正常。試驗使用分級加載，每級加載時間為2～3 min，加載值為1 kN，加載至RCW 破壞時停止試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象分析

RCW 在加載初期，應力、位移增長較慢，墻面出現細微裂縫，后期位移發展速度增加。構造柱斷裂時RCW 被破壞，此時砌體填充墻中部產生明顯的突出，鋼筋混凝土構造柱出現開裂和斷裂等不同程度的破壞形式，墻體周圍產生較寬裂縫，墻體與柱仍能協同變形，但不具備繼續承載的能力。CSCW 在加載過程中，墻體和構造柱的位移相比RCW 的明顯減小，填充墻僅出現少許細小裂縫。停止加載時CSCW 均未被破壞，構造柱與墻體的整體性沒有被破壞。試件RCW-1、RCW-2、RCW-3 的面外極限承載力分別為23.5,25.5,23.5 kN。CSCW 試件加載至25.5 kN，此時試件并未被破壞，仍能繼續承載。當加載至10.5 kN 時，CSCW 在NLS 先出現0.04 mm 的豎向裂縫；隨著荷載增加至11.9 kN，橫向裂縫出現在墻體中部，裂縫寬度為0.07 mm；加載后期，在墻體周圍發展一些細微裂縫，產生的最大裂縫寬為0.50 mm。當加載至5.6 kN 時，RCW 在NLS 頂部先出現豎向裂縫，裂縫寬度最大為0.06 mm，隨即橫向裂縫出現在墻體中部，在加載過程中發出響聲，沿墻體中間的豎向裂縫向四周延伸成斜裂縫，最后裂縫貫穿墻面，產生的最大裂縫寬度為17.1 mm。各模型NLS 上的裂縫開展荷載結果如表1所示。

表1 NLS 上裂縫開展荷載表Table 1 NLS upper crack development load table

CSCW 第一條裂縫出現時的荷載為10.5 kN，約為RCW 出現第一條裂縫時的荷載5.6 kN 的1.88 倍，與最大荷載時的裂縫相差16.6 mm。填充墻裂縫開展如圖5所示。

圖5 填充墻裂縫開展圖Fig.5 Crack propagation diagram of fill walls

方鋼管混凝土構造柱的剛度大于鋼筋混凝土構造柱的，拉結筋使得構造柱與墻體能夠更好地協調變形，從而約束墻體的位移發展速率，使CSCW 面外承載力大于RCW 的，同時限制了墻體裂縫開展。由表1 可知，CSCW 出現第一條裂縫時的荷載均大于RCW，且最大裂縫比RCW 小很多。

2.2 構造柱和墻體應變分析

實驗所得構造柱和墻體應變如圖6 和7所示。方鋼管構造柱與鋼筋混凝土構造柱在加載初期，各部分的應變走勢基本一致，當荷載增加到一定程度時，鋼筋混凝土構造柱由于混凝土表面裂縫加速開展，導致應變數值激增，且混凝土開裂不規則，導致部分應變數據產生跳躍，甚至應變片被拉斷。

圖6 構造柱應變對比圖Fig.6 Comparison diagram of structural column strain

圖7 填充墻應變對比圖Fig.7 Comparison diagram of the fill wall strain

由圖6 和7 可知，方鋼管混凝土構造柱的應變均小于鋼筋混凝土構造柱的，且兩者的應變最大值均在構造柱和墻體加載點處。CSCW 與RCW 中，構造柱中部最大應變差2 494 με；CSCW 與RCW 中，填充墻中部最大應變差306 με。這是由于構造柱承擔了絕大部分荷載，構造柱剛度的差異導致柱上應變數據差值較大，填充墻的應變差距較小，說明方鋼管混凝土構造柱與鋼筋混凝土構造柱約束墻體的效果相似，但前者的約束能力更強。

2.3 構造柱和墻體位移分析

實驗所得構造柱和墻體位移對比如圖8 和9所示。由圖可知，CSCW 和RCW 的墻體和構造柱位移均為中部最大、兩端較小。方鋼管構造柱的最大位移為4.2 mm，相比鋼筋混凝土構造柱的最大位移26.6 mm，明顯減小，位移差為22.4 mm。方鋼管構造柱能夠更好地約束周圍墻體的變形，CSCW 與RCW 墻體的最大位移差為12.0 mm。

圖8 構造柱試驗位移對比圖Fig.8 Test displacement comparison diagram of constructional columns

圖9 填充墻試驗位移對比圖Fig.9 Displacement comparison of fill wall tests

由于施加的面外荷載大部分由構造柱承擔，導致構造柱的位移大于填充墻的位移。由表2所示構造柱與墻體在加載附近的位移差可知，方鋼管構造柱約束墻體的約束效果明顯優于傳統構造柱的約束效果，最大位移的差值為10.7 mm，對墻體約束效果提升了約81.1%。這一結果表明，方鋼管混凝土構造柱的強度和剛度更大，與墻體連接效果更好，受力性能更好，約束墻體的能力更強。

表2 中部構造柱與墻體位移及差值Table 2 Displacement and difference value between the central structural column and the wall

通過比較分析CSCW 和RCW 面外試驗結果，驗證了方鋼管混凝土構造柱不僅有著與鋼筋混凝土構造柱相同的作用效果，而且有著更好的面外受力性能。且方鋼管混凝土構造柱提高了墻體的初裂位移，使墻體初裂至裂縫貫通的時間延長，承載能力比較穩定，有明顯的持荷優勢。

3 數值分析

3.1 數值模型的建立

為了進一步研究CSCW 的面外受力性能，建立了ABAQUS 有限元模型，分析CSCW 的面外最大承載能力時，僅研究方鋼管混凝土構造柱約束填充墻的效果，對墻體進行整體分析，不深入探討砂漿和砌塊的相互作用對墻體的影響。選用整體式模型[7-8]進行分析，墻體和構造柱的單元采用C3D8R，拉結筋的單元采用T3D3，方鋼管和鋼筋采用理想彈塑性模型，彈性模量取值為2.06×105MPa，泊松比為0.3。依據相關標準[9]，砂漿強度等級為M5.0，A5.0 蒸壓加氣混凝土的泊松比取0.20，彈性模量取2 300。由于砌體受拉破壞特性與混凝土相似，故采用鄭妮娜[10]化簡后的公式。楊衛忠[11]的受壓本構關系式能夠較好地反映砌體受力性能，其單向受壓應力-應變關系如式（1）所示。

式中：σ為外部壓應力；

fm為砌體軸心抗壓強度平均值；

ε為外部壓應變；

εm為fm對應的應變值；

E為彈性模量。

鋼管中的核心混凝土受壓本構[12]關系如式（2）所示。

式中：y=σ/σ0，且σ0=fc′(N/mm2)，其中fc′為混凝土軸心抗壓強度；

x=ε/ε0， 且ε0=εc+ 800ξ0.2×10-6， 其中εc=(1 300+12.5fc′)×10-6；

η=1.6+1.5x。

混凝土受拉本構關系按照規范[13]給出的混凝土單軸受拉的應力-應變曲線。

3.2 數值模擬結果

數值模擬所得構造柱的荷載-應力關系如圖10所示。

圖10 構造柱荷載-應力圖Fig.10 Structural column load stress diagram

觀察圖10 可知，模擬結果與試驗值吻合度較高，試驗最大應力為176.3 MPa，CSCW-A 最大應力為167.7 MPa，僅相差約4.5%。

構造柱的應力云圖如圖11所示。

圖11 構造柱應力云圖Fig.11 Stress columne nephogram

由圖11 可知，模擬構造柱應力分布與試驗應力分布相似，均為中部應力最大，上部和下部相對較小，且數值較為接近。

圖12 與圖13 對比了構造柱與墻體各個部分的位移。如圖所示，構造柱與墻體各個部分的試驗曲線與模擬曲線的擬合程度較高，僅有填充墻下部位移圖的試驗數據記錄出現問題，導致兩條曲線偏差過大。這表明建立的模型能夠較為準確地反映在面外荷載作用下CSCW 的受力情況。

圖12 填充墻位移對比圖Fig.12 Comparison diagram of fill wall displacement

圖13 構造柱位移對比圖Fig.13 Comparison diagram of the structural column displacement

采用有限元模型分析CSCW 的面外極限受力情況，綜合CSCW 的受拉損傷云圖、構造柱荷載-位移圖分析其最大承載力。當荷載達35.21 kN 時，方鋼管屈服，由于方鋼管約束核心混凝土使得CSCW仍可以繼續承載，隨著荷載的繼續增加，由于內部混凝土的擠壓變形，導致方鋼管的應力繼續增加，位移逐漸增大。當荷載達89.22 kN 時，CSCW 的受拉損傷云圖如圖14所示。

圖14 CSCW 受拉損傷應力分布云圖Fig.14 CSCW tensile damage stress distribution nephogram

由圖14 可知，此時方鋼管構造柱附近的填充墻的受拉損傷已達最大值，損傷分布與RCW 破壞時裂縫分布基本一致，進一步驗證了CSCW 與RCW 有著相同的受力表現。如圖15所示，此時構造柱的位移大小為202.98 mm。隨著荷載的增加，損傷范圍不斷擴散，直至整個填充墻面，位移發展速率激增，認為填充墻無法繼續承載。達到極限荷載時，構造柱周圍墻體的位移約為205.15 mm，這表明方鋼管混凝土構造柱能夠很好地約束墻體位移。

圖15 構造柱的荷載-位移曲線Fig.15 Load displacement curve of structural columns

4 結論

1）通過試驗對比了CSCW 和RCW 在面外荷載下的性能表現，發現方鋼管混凝土構造柱的作用類似于鋼筋混凝土構造柱。CSCW 的面外受力性能要優于RCW 的。當加載至RCW 的極限荷載時，CSCW中的鋼材未屈服，而RCW 出現較多裂縫，構造柱在強度、剛度及約束墻體性能方面有所減弱。

2）通過對比RCW 與CSCW 的破壞過程和形式、位移、裂縫、應變數據，發現方鋼管混凝土構造柱在強度、剛度和位移約束等方面均優于鋼筋混凝土構造柱，表明CSCW 的面外承載力和整體性能得到提高。在相同荷載作用下，方鋼管混凝土構造柱的最大位移比鋼筋混凝土構造柱的減少了84.2%，墻體最大位移比鋼筋混凝土構造柱墻體位移減少了85.1%，墻體裂縫出現的時間更晚，對墻體的約束效果提升了80.3%，出裂荷載提高了1.88 倍。這一結果表明，方鋼管混凝土構造柱剛度較大，延緩了裂縫出現時間，能更有效地約束墻體。

3）建立有限元模型分析了CSCW 的面外極限承載能力，發現方鋼管屈服后CSCW 位移仍發展緩慢，能夠更好地約束填充墻變形。其面外極限承載力為89.22 kN，相比于鋼筋RCW 的承載力，提高了249.9%。