蒸压加气混凝土砌块砌体填充墙框架结构抗震性能试验

2022-05-11周晓洁程昌恽杜金鹏陈培奇

世界地震工程 2022年2期

周晓洁，程昌恽，杜金鹏，陈康，陈培奇

（1.天津市土木建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384；2.天津城建大学土木工程学院，天津 300384）

引言

历次震害表明：填充墙对主体框架结构抗震性能影响显著；大量试验研究和数值分析也表明［1－4］：填充墙与主体框架之间的连接方式是影响主体结构抗震性能的主要因素之一。目前，填充墙和主体框架间大多采用刚性连接，即填充墙与顶梁间立砖斜砌挤紧，砂浆填实；填充墙与框架柱间埋设水平拉结筋，且相接处的灰缝饱满密实。刚性连接方案施工方便，墙-框连接紧密，保证了填充墙框架结构的整体性，但地震作用下墙-框相互作用明显，不利于结构抗震性能的发挥［4］。《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》（JGJ/T14-2011）［5］提出：墙-框之间可采用脱开的连接方式，即柔性连接。已有研究表明：墙-框柔性连接可减弱填充墙与主体框架间的相互作用，进而改善结构抗震性能［6－10］。此外，砌体填充墙的构造措施对框架结构抗震性能也有明显影响，蒋欢军等［11］进行了7榀足尺单层单跨加气混凝土砌块填充墙框架结构试验，结果表明填充墙中使用构造柱、水平系梁以及墙体中部设置竖缝的构造措施有利于框架结构抗震性能；唐兴荣等［12］建立了4榀不同构造措施的加气混凝土砌块填充墙框架结构，试验结果表明：填充墙使用构造柱和水平系梁的构造措施虽然对结构的初始刚度和承载力影响不大，但对结构延性和耗能能力等有显著提高。

前述工作均围绕结构平面内抗震性能开展，然而若墙-框连接不可靠，平面外地震作用下填充墙易出现整体垮塌或整片甩出，即发生平面外破坏［13－14］，所以对填充墙框架结构进行平面外抗震性能的研究同样具有重要的工程意义。20 世纪以来，国内外学者从理论研究、试验分析和数值模拟等方面开展了框架结构填充墙平面外抗震性能研究，并从墙-框连接方式、墙体构造或墙体加固等方面研究了改善填充墙平面外受力性能的措施［15－20］。如程云［19］通过填充墙框架结构振动台试验，认为在柔性连接方式下采用拉结筋构造方式的填充墙平面外抗震性能最好；周云等［20］通过3片经历平面内损伤的阻尼填充墙平面外受力性能试验，认为拱承载机制以及拉结筋在填充墙平面外抗震性能中起到关键作用。但总体上看：关于填充墙框架结构平面外抗震性能研究并不深入。

综上所述，本文提出带X 形斜撑的砌体填充墙新型构造方案，拟通过墙体构造措施及墙-框连接类型的优化，进一步改善填充墙框架结构平面内及平面外的整体抗震效果。首先进行1 榀空框架和3 榀填充墙框架结构低周往复荷载试验，研究墙-框连接方式和带X 形斜撑的填充墙构造措施对框架结构平面内抗震性能的影响；然后进行历经平面内损伤的框架结构平面外单调静力荷载试验，分析不同墙-框连接方式和墙体构造下填充墙平面外受力性能和破坏特征。

1 平面内水平低周往复荷载试验

1.1 试件设计及制作

共设计制作了4榀砌体填充墙框架结构，填充墙材料为蒸压加气混凝土砌块，试件基本情况见表1。砌块强度等级为A3.5，砌块尺寸为300 mm×150 mm×120 mm（长×宽×高），砌筑砂浆强度等级为Mb5。框架梁柱采用C30 级商品混凝土，纵筋采用HRB335 级，箍筋采用HPB300 级，框架柱设计轴压比为0.25。X 形对角斜撑采用C20 级混凝土现浇而成，斜撑截面尺寸约为150 mm（同墙厚）×50 mm，配置28 通长钢筋，并与预先植入主框架内的拉接筋有效连接。墙-框柔性连接方案中，填充墙与主体框架间设置预留缝，缝宽δ需满足罕遇地震下最大层间位移角要求，本文取30 mm，缝内填充泡沫聚苯板。空框架外形尺寸及配筋情况如图1所示，其他试件见图2-3。试件所用材料的实测力学性能见表2-表3。

表2 砌块、砂浆和混凝土的实测强度Table 2 Measured strength of block，motor and concrete

表3 钢筋实测力学参数Table 3 Measured mechanics parameters of steel MPA

图1 框架几何尺寸及配筋Fig.1 Specimen geometrical size and reinforcement

图2 试件GF和RF1Fig.2 Specimens GF and RF1

表1 试件基本情况Table 1 Introduction of specimens

如图3（b）所示，X 形对角斜撑采用分段施工方法，即首先砌筑下侧墙体，砌筑过程中通过切割相应位置的砌块留出斜撑通道，然后铺设斜撑纵筋并与主框架伸出的拉结筋可靠连接，支模并浇筑斜撑混凝土；接着砌筑左侧和右侧墙体，砌筑过程中通过切割相应位置的砌块继续留出斜撑通道并浇筑斜撑混凝土；最后是上侧墙体的砌筑。

图3 试件RF2Fig.3 Specimen RF2

1.2 试验装置及加载制度

试验加载装置如图4 所示，加载制度如图5 所示，各柱的竖向轴力为400 kN。层间位移角δ=Δ/h，Δ表示框架梁截面形心处的水平位移，h为框架净高（h=1 280 mm）。结构屈服前，各位移幅值循环一次，结构屈服后循环三次，水平荷载降至峰值荷载的85%以下时，试验结束。

图4 试验加载装置Fig.4 Test setup

图5 加载制度Fig.5 Loading rules

1.3 观测内容

为研究墙-框不同连接方式对主体框架结构受力状态的影响，试验过程中同时监测沿框架柱高度不同位置处纵筋的应变以及框架梁两端纵筋的应变，应变片布置情况见图6。位移计布置示意如图7 所示，用以测量框架梁相对于底梁的水平位移，梁截面中心线位置为测量点。

图6 纵筋应变片布置Fig.6 Strain-gauge arrangement of longitudinal reinforcement

图7 位移计布置位置图Fig.7 Displacement sensor layou

1.4 试验结果及分析

1.4.1 试件破坏形态

各试件最终破坏形态如图8 所示。对于试件PF，框架梁柱均属于典型弯曲破坏；墙-框刚性连接时，因为墙-框相互作用，导致结构中框架柱截面产生附加剪力，使试件GF 中柱的破坏具有剪切破坏特征，属于弯曲-剪切形破坏，而梁的破坏属于典型的弯曲破坏；柔性连接方案中（试件RF1和试件RF2），由于墙-框间的预留缝和填充物的有利影响，墙-框相互作用减小，最终发生与纯框架类似的典型弯曲型破坏，且填充墙的破坏程度减轻，因此墙-框柔性连接方案更利于结构的抗震。

图8 各试件最终破坏形态Fig.8 Failure mode of specimens

1.4.2 滞回曲线

各试件滞回曲线如图9 所示。开裂前，四个试件的滞回曲线均基本呈直线变化，耗能水平较低；试件开裂后，滞回环面积增大，曲线形状为梭形；屈服后，试件PF和GF滞回曲线呈弓形，试件RF1仍以梭形为主，试件RF2 由于墙-框间预留缝及填充物，以及对角斜撑对能量耗散的有利影响，试件在达到最大承载力前，滞回曲线一直呈现明显的梭形；试件达到最大承载力后，四个试件的滞回环“捏缩”现象逐渐明显，但总体来讲，填充墙框架的“捏缩”程度比纯框架减轻，柔性连接试件的“捏缩”比刚性连接试件减轻。

图9 各试件滞回曲线Fig.9 Hysteresis curves of specimens

1.4.3 骨架曲线

各试件骨架曲线如图10 所示，骨架曲线特征点实测数据见表4。开裂点指填充墙首次出现贯通裂缝所对应的荷载和变形；屈服点指柱纵筋部分达到屈服所对应的荷载和位移；峰值点指骨架曲线中最大荷载值及对应位移；破坏点指承载力下降至最大值85%时的荷载和相应变形。

图10 骨架曲线Fig.10 Skeleton curves of specimens

表4 墙体试验结果Table 4 Test result of specimens

由图10和表4可以看出：

（1）填充墙的加入使试件水平承载力提高，墙-框刚性连接时提高程度最大。相比于PF，刚性连接试件GF的承载力提高了40.7%，柔性连接试件RF1和RF2分别提高了11.0%和12.3%。

（2）对于柔性连接试件，由于墙-框间的预留缝及填充物缓解了填充墙与框架相互顶推效应，使其开裂位移增大；RF1的开裂荷载比试件GF降低，而RF2的开裂荷载比试件GF提高15.6%，说明了X形斜撑构造措施对框架结构水平承载力的有利作用。

（3）由于墙-框相互作用导致框架柱截面产生附加内力，所以填充墙框架的屈服位移低于空框架PF；而柔性连接试件RF1和RF2屈服位移则大于刚性连接试件GF，说明柔性连接减缓了结构损伤。

（4）填充墙、墙-框预留缝及填充物，以及X形混凝土斜撑均有利于结构耗能及结构延性，因此空框架PF的位移延性系数最低，其次是刚性连接试件GF，柔性连接试件RF1和RF2的位移延性系数提高。

1.4.4 刚度退化曲线

各试件刚度退化曲线见图11，可以看出：试件GF初始刚度最大，其次依次为试件RF2、试件RF1 和试件PF，说明墙-框刚性连接，以及填充墙特别是带X 形斜撑构造措施的填充墙能够增强试件的初始刚度。在持续增加往复荷载的过程中，试件刚度逐渐减小，最后趋于一致。

图11 刚度退化曲线Fig.11 Curves of stiffness degradation

1.4.5 钢筋应变分析

图12 表示的是试验中所有试件分别正向加载（推）过程中，左柱右侧纵筋的应变情况。

图12 左柱纵筋应变变化趋势图Fig.12 Strain in the longitudinal bars of left column

可以看出：

（1）试件GF 和RF1沿框架柱高度方向的纵筋应变近似于线性变化，且两个试件柱纵筋应变的发展规律类似，说明墙-框间的连接方式对框架主体受力的影响不大。

（2）由于填充墙内布置对角斜撑，墙-框间刚度效应和约束效应增大，试件RF2纵筋应变分布规律不同于试件GF 和RF1，且纵筋应变值较大，试件水平承载力提高。

1.4.6 耗能能力

各试件在不同位移角幅值下的累积耗能见图13，由图13可知：

图13 各试件累积耗能-位移曲线Fig.13 Relation between cumulative energy consumption and displacement of each specimen

（1）各试件的累积耗能随位移增大而增大；空框架的耗能能力最低，填充墙框架的耗能能力提高。

（2）四个试件对比，刚性连接试件GF 在相同受力阶段时的累积耗能最大，但当位移幅值达到51.2mm（位移角为1/25）时，试件GF 试验终止，而试件RF1 和RF2 仍具有耗能能力，因此柔性连接试件的耗能总量超过刚性连接试件。

（3）柔性连接试件中，试件RF2 的耗能总量明显高于试件RF1，说明X 形对角斜撑在结构耗能中发挥了重要作用。

2 历经平面内损伤的填充墙框架结构平面外单调加载试验

平面内拟静力试验后，重新粉刷墙体以掩盖表面裂缝，随后进行历经平面内损伤的平面外单调加载试验。

2.1 试验装置及加载制度

采用平面外“四点加载”的试验加载方案［20］，图14 为该试验的加载装置示意图。加载分为两个阶段，首先以荷载控制加载，墙体出现首条裂缝时再以位移控制加载，每级控制位移为0.5 mm，直至试件荷载下降到峰值荷载的85%以下时，试验结束。

图14 试验加载装置Fig.14 Test setup

2.2 观测内容

试验过程中，每一级加载均需观察和记录填充墙裂缝出现的位置和发展过程；试件平面外的位移，由沿填充墙高度方向布置的位移计测量获取，图15中的各点即为位移计布置测点。

图15 位移测点示意图Fig.15 Displacement point schematic

2.3 试验结果及分析

2.3.1 试件破坏形态

试件最终破坏形态及墙体裂缝分布示意见图16。

由图16可以看出：（1）各试件在平面外荷载作用下，墙体裂缝开展大致具有相同的特点，即裂缝均集中于墙体中部，并分别向四角斜向延伸。（2）与刚性连接试件相比，柔性连接试件中主体框架对填充墙的约束效应减小，其填充墙平面外破损情况更明显。试件GF的最大裂缝宽度为5 mm，试件RF1和RF2的最大裂缝宽度分别为9 mm 和10 mm。（3）达到峰值承载力前，试件RF2 的墙体阶梯形裂缝逐渐形成和发展，并最终在多处贯穿斜撑，体现了斜撑对墙体平面外承载力的有效贡献。

图16 各试件最终破坏形态和裂缝分布示意图Fig.16 Ultimate failure mode and crack distribution of specimens

2.3.2 平面外荷载-位移曲线

各试件试验结果见表5，平面外荷载-位移曲线见图17。

图17 试件在平面外荷载作用下的荷载-位移曲线Fig.17 Load-displacement curves of specimens under out-of-plane loading

表5 试验结果Table 5 Test result of specimens

由图17和表4可知：

（1）试件GF 的平面外峰值荷载最大，试件RF2 次之，试件RF1 最小，说明墙-框刚性连接有利于形成拱承载力机制［15］，提高填充墙平面外水平承载力；由于预留缝及填充物的影响，试件RF1 拱承载机制不明显，其平面外承载力主要由墙-框拉结筋提供；试件RF2的平面外承载力主要由斜撑提供，其值比试件RF1提高159.4%，由于前期试验中斜撑与主体框架的连接部位已有损伤，因此斜撑对墙体平面外承载力的贡献应未充分体现。

（2）柔性连接试件的峰值荷载位移和破坏荷载位移均明显大于刚性连接方案。相比试件GF，试件RF1的峰值荷载位移提高了282.6%，试件RF2 提高了352.2%；试件RF1 的破坏荷载位移提高了302.9%，试件RF2 提高了330.2%，说明柔性连接减弱了框架对填充墙的刚度效应和约束效应，提高了填充墙平面外变形能力。另外，相比于试件RF1，试件RF2的峰值荷载位移提高了18.2%，破坏荷载位移提高了6.8%，说明填充墙的X形对角斜撑构造措施有利于填充墙平面外变形能力。

（3）柔性连接试件的延性明显优于刚性连接试件。相比试件GF，试件RF1 的位移延性提高了302.2%，试件RF2提高了329.7%。另外，相比于试件RF1，试件RF2 的位移延性提高了6.9%，说明填充墙的X形对角斜撑构造措施有利于试件平而外位移延性的改善。

2.3.3 平面外刚度退化曲线

各试件刚度退化曲线见图18，可以看出：试件GF初始刚度最大，其次依次为试件RF2 和试件RF1，说明墙-框刚性连接，以及带X 形斜撑构造措施的填充墙对平面外初始刚度的有利作用。随平面外位移的施加，各试件刚度下降，其中试件GF 的刚度下降最快，且处于持续下降中，而柔性连接试件的刚度在加载初期呈快速退化趋势，此后退化速度逐渐降低，有助于结构的抗震性能。