带非承重墙预制梁装配式混凝土框架结构抗震性能试验研究

时间：2020-09-17 15:38:19 来源： CABR建筑工业化朱礼敏

内容简介：

针对一种新型装配式框架——带非承重墙预制梁装配式混凝土框架的抗震性能进行了深入研究。通过对空框架、砌块填充墙框架、带非承重墙预制梁框架的足尺试件进行抗震性能试验，主要研究了各类填充墙及不同连接构造的预制非承重墙对框架受力性能的影响。结果表明，带非承重墙预制梁框架的抗震性能与砌块填充墙框架有较大区别，从结构分析、构件设计等方面均需要采用不同的设计方法。

01 研究介绍

1.1、研究背景

装配式混凝土框架结构一般由预制柱、预制梁、预制楼板等构件组成，该类结构传力路径明确，装配效率高，现浇湿作业少，是最适合进行预制装配化的结构形式。装配式混凝土框架结构的内隔墙或外围护墙常采用蒸压轻质混凝土墙板（ALC板）等轻质墙板，但需要进行二次施工，现场工作量较大，或者采用各种砌块现场砌筑，装配化程度偏低（如图1.1所示）。

为解决上述问题，有一种做法，类似于上期介绍的围护墙与结构一体预制的形式，将隔墙与梁整体预制，同时安装，形成带非承重墙预制梁装配式混凝土框架，由现浇柱、带非承重墙预制叠合梁组成（如图1.2所示）。带非承重墙预制梁为整体预制构件，避免了非承重墙与框架结构的二次连接，装配化程度较高。

图1.1 装配式混凝土框架结构隔墙做法

图1.2 带非承重墙预制梁装配式混凝土框架

1.2、研究内容

带非承重墙预制梁装配式混凝土框架中，非承重墙与梁一体预制，其对框架结构的刚度、承载力、破坏模式等均会有一定的影响，与普通的砌块及轻质条板隔墙不同。为了搞清这类结构体系的性能，并给出设计建议，对带非承重墙预制梁装配式混凝土框架结构的抗震性能进行了试验研究，主要内容如下：（1）该类框架的破坏机理、承载力、变形、刚度退化、耗能等；（2）与传统砌筑填充墙相比，预制非承重墙对装配式框架整体抗震性能的影响有何区别；（3）预制非承重墙的不同连接构造对框架受力性能的影响；（4）考虑预制非承重墙对结构刚度的影响，给出周期折减系数的建议范围。

02 试验研究

2.1、试件设计

设计了如表2.1所示的四种足尺试件形式。参考实际工程应用，选定现浇柱截面为400mm×400mm，预制叠合梁截面为200mm×400mm（预制部分高250mm），柱净距3600mm，层高3000mm。各试件混凝土强度等级均为C30。

表2.1 试件基本信息表

各试件立面形式及主要配筋见图2.1，其中框架梁、柱及地梁的配筋均同试件KJ-1。

图2.1 试件示意图

2.2、连接构造

预制非承重墙墙厚200mm，居中填充100mm厚挤塑聚苯板，两侧各为50mm厚混凝土墙板，墙顶设置竖向拉结筋与预制梁连接，墙底预留20mm安装缝采用座浆料填实，墙侧与现浇柱连接分水平筋伸入柱内和不伸入柱内两种做法。详细连接构造如图2.2所示。

图2.2 预制墙与框架连接构造

2.3、试验方案

采用低周静力往复加载试验，框架柱设计轴压比取0.3，对其施加竖向荷载至设定轴压力并保持恒定，在框架梁中心标高位置施加水平往复荷载。试件屈服前采用荷载控制，屈服后改为位移控制，直至试件破坏。破坏准则为发生下列情况之一：（1）水平荷载下降到峰值承载力的85%以下；（2）试件破坏严重，混凝土大量压碎剥落；（3）试件发生严重的面外失稳。

试验测量内容主要包括各级荷载及试件水平位移、关键部位钢筋应变及混凝土应变等，均由实时数据采集系统自动采集和记录。人工观测记录裂缝的发生、发展情况及墙体破坏情况等。

03 主要试验结果

3.1、破坏形态

各试件的主要破坏形态如图3.1所示。可以看出：

（1）试件KJ-1为空框架，破坏为“框架抗弯”模式。首先在框架柱底水平开裂，随着荷载增加柱底裂缝不断向上扩展，随后梁端和节点区相继开裂。试件屈服以后，梁叠合面水平开裂直至贯通，最后柱底混凝土压碎，试件破坏；

（2）试件KJ-2有砌块填充墙，为“砌块墙抗剪+框架抗弯”破坏模式。试验中砌块墙先于框架开裂，裂缝沿灰缝开展呈阶梯状，到达屈服时灰缝几乎全部开裂。加载过程中框架柱、梁的裂缝发展与试件KJ-1基本相同，最终也是柱底混凝土压碎破坏。由此表明砌块填充墙对框架结构受力几乎无影响，只是砌块墙参与抗剪提高了整体抗剪承载力；

（3）试件KJ-3、KJ-4填充预制非承重墙，其破坏过程及特征基本一致，均为“预制墙协同框架抗剪”破坏模式。试验中首先在框架柱底出现水平裂缝，随着荷载增加柱开裂范围不断向上扩展，预制墙底与地梁的坐浆开裂并很快贯通，墙侧与柱的交接位置开裂并扩展。到达屈服荷载时，柱通高范围均已开裂，预制墙内产生45°斜裂缝。到达峰值荷载时，预制墙内形成多条剪切斜裂缝，墙下角部混凝土压碎。继续加载进入下降段，试件KJ-3由于预制墙水平筋未伸入柱内，墙侧与柱的竖缝逐渐脱开，其混凝土自下角部逐渐向上压碎脱落，而试件KJ-4由于预制墙水平筋伸入柱内，墙与框架始终协同变形，其上、下角部混凝土逐步压碎并脱落。可以看出，预制墙水平筋是否伸入柱内只影响墙混凝土的压碎范围，对框架结构的受力影响几乎无区别。

将试件KJ-3/4与KJ-1/2对比可知，框架梁、柱裂缝分布及破坏特征不同，带非承重墙预制梁框架以受剪破坏为主，框架梁端、柱端塑性铰几乎无发展。

图3.1 试件破坏形态

3.2、滞回特性

各试件滞回曲线如图3.2所示，可以看出：

（1）试件KJ-2与KJ-1滞回曲线均呈梭形，捏缩规律基本一致，表明砌块填充墙对框架受力性能几乎无影响；（2）试件KJ-3与KJ-4滞回曲线均呈反S型，捏缩规律基本一致，表明预制墙水平筋是否伸入柱内对结构受力影响几乎无区别；（3）试件KJ-3/4与KJ-1/2对比，滞回曲线从梭形变为反S型，曲线捏缩更加明显，表明预制非承重墙对框架受力性能影响较大。

图3.2 各试件滞回曲线

3.3、骨架曲线

各试件骨架曲线如图3.3所示，可以看出：

（1）试件KJ-2与KJ-1相比，由于砌块填充墙参与抗剪，KJ-2初始刚度、承载力均大于KJ-1，但骨架曲线走势基本相同，表明砌块填充墙对框架受力性能影响很小；

（2）试件KJ-3与KJ-4相比，受试件混凝土强度差异的影响，KJ-3初始刚度、承载力均大于KJ-4，但骨架曲线走势基本相同，表明预制非承重墙水平筋是否伸入柱内对结构受力影响几乎无区别；

（3）试件KJ-3/4与KJ-1/2骨架曲线形态不同，初始刚度、曲线走势、屈服点、峰值点、下降段均有明显区别，表明预制非承重墙改变了框架受力性能。

图3.3 各试件骨架曲线

3.4、承载能力

表3.1列出了各试件屈服荷载、峰值荷载试验值及承载力计算结果。由破坏形态可知，试件KJ-1、KJ-2为框架受弯破坏，其承载力可按照偏心受压构件正截面受压承载力公式计算，KJ-2尚需叠加砌块墙的抗剪承载力；试件KJ-3、KJ-4由于预制墙与地梁之间仅靠座浆连接，可以相对滑动，其破坏为框架柱的受剪破坏，其承载力可按照偏心受压构件斜截面受剪承载力公式计算。

由表3.1结果可知：（1）由于KJ-2试件中砌块墙参与抗剪，其屈服荷载、峰值荷载均大于KJ-1；（2）试件KJ-3的屈服荷载、峰值荷载均大于KJ-4，是由于KJ-3试件混凝土强度略高导致；（3）试件KJ-3/4与KJ-1/2对比，前者屈服荷载、峰值荷载均比后者有大幅提高，主要因为KJ-3/4试件为受剪破坏、KJ-1/2试件为受弯破坏；（4）各试件计算承载力与试验屈服荷载吻合良好，说明计算方法准确。峰值荷载均大于计算承载力，表明构件具有良好的安全储备。

表3.1 各试件试验和计算承载力对比

3.5、刚度分析

（1）刚度退化

各试件刚度退化曲线如图3.4所示，可以看出：a）随着荷载增加，所有试件均发生了刚度退化，屈服前刚度退化明显，屈服后退化变缓；b）试件KJ-2与KJ-1的刚度退化规律基本相同，表明砌块墙对框架刚度退化的影响较小；c）试件KJ-3与KJ-4的刚度退化规律基本相同，表明预制墙水平筋是否伸入柱内对框架刚度退化的影响几乎无区别；d）试件KJ-3/4与KJ-1/2相比，KJ-3/4的初始刚度更大，刚度退化更快，表明预制非承重墙对框架刚度产生显著影响。

图3.4 各试件刚度退化曲线

（2）周期折减建议

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010，当非承重墙为砌块墙时，框架结构的周期折减系数可取0.6~0.7，但当采用预制非承重墙时，由上述试验结果可知其对框架刚度影响较大，需要专门确定周期折减系数。根据框架结构在风荷载或多遇地震作用下的弹性层间位移角限值1/550，提取该层间位移角对应的各试件刚度列于表3.2，其中刚度比为各试件刚度与KJ-1刚度之比。

表3.2 层间位移角1/550时各试件刚度

从表3.2可知，不同类型填充墙均能提高框架结构刚度，但提高幅度差异明显。砌块墙将其所在的框架刚度提高2.02倍，预制非承重墙则将框架刚度提高10倍左右。非承重墙在框架结构中一般为部分布置，因此其对整体结构刚度的影响与布置数量和位置相关。采用砌块隔墙时，周期折减系数一般采用0.6~0.7，与上述试验结果中砌块对框架结构的刚度增大相匹配；采用预制混凝土非承重墙时，根据上述试验结果，建议结构的周期折减系数按0.4~0.5取值。

3.6、变形与延性

各试件位移指标及延性系数见表3.3，可以看出：

1）试件KJ-1、KJ-2的极限层间位移角均达到1/50以上，而试件KJ-3、KJ-4由于预制非承重墙导致框架受剪破坏，极限层间位移角较小，分别为1/130、1/180；

2）试件KJ-3/4与KJ-1/2对比，KJ-1/2的极限变形能力优于KJ-3/4，延性系数KJ-1＞KJ-2＞KJ-3＞KJ-4。表明预制非承重墙比砌块墙对框架结构延性的影响更为显著。

从试验结果中看出，采用预制非承重墙时，由于破坏模式的变化，导致结构变形能力较差，因此在实际结构设计中应对构件的配筋设计进行调整，保证其变形能力。

表3.3 各试件位移指标及延性系数

04 结论

（1）砌块填充墙框架与空框架均为受弯破坏模式，其滞回曲线特性、刚度退化规律、变形能力等基本一致，表明砌块填充墙对框架受力性能影响很小。由于砌块墙参与抗剪，砌块填充墙框架的初始刚度、承载力、耗能能力等会高于空框架；

（2）带非承重墙预制梁框架为受剪破坏模式，与空框架相比，承载力大幅提高但变形能力降低，同时刚度提高显著但退化更快，框架梁端、柱端塑性铰几乎无发展，表明预制非承重墙改变了框架结构的受力性能和破坏形态；

（3）对带非承重墙预制梁框架来说，墙水平筋是否伸入柱内对结构受力影响几乎无区别，其滞回曲线特性、刚度退化规律、变形能力等基本一致；

（4）砌块填充墙框架可以采用与空框架相同的构件设计方法；而带非承重墙预制梁框架需按照结构受力特性，对构件的配筋设计方法进行调整；

（5）与砌块填充墙相比，预制非承重墙对框架结构刚度的影响更大。结构分析时，建议采用预制非承重墙的框架结构周期折减系数按0.4~0.5考虑。

综上所述，带非承重墙预制梁框架的抗震性能与砌块填充墙框架及空框架有较大区别，从结构分析、构件设计等方面均需要采用不同的设计方法。

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