約束砌塊結(jié)構(gòu)抗震試驗分析

馬淑芳，熊立紅

（天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程學(xué)院，天津 300384）

砌體結(jié)構(gòu)作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，在我國有悠久的歷史，為保護耕地、愛護環(huán)境，新型墻體材料層出不窮。砌體結(jié)構(gòu)施工方便、建設(shè)周期短、成本低，符合我國目前的國情，因此，在我國應(yīng)用范圍很廣。但是，砌體強度低、延性差，屬于脆性材料，在歷次強烈地震中，砌體結(jié)構(gòu)的破壞最嚴(yán)重，人們的生命受到嚴(yán)重威脅，同時給國家和人們帶來巨大的經(jīng)濟損失，抗震性能差這一缺憾使砌體結(jié)構(gòu)在地震區(qū)的應(yīng)用受到限制，因此，工程師不斷地對砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究和探索。

約束砌塊結(jié)構(gòu)是近年來研究和應(yīng)用的一種新型結(jié)構(gòu)形式，它是在砌塊結(jié)構(gòu)中設(shè)置鋼筋混凝土構(gòu)造柱、芯柱、圈梁、水平條帶等約束構(gòu)件，將砌體包圍成約束塊。這種體系不僅使墻體的抗震剪切強度得到不同程度的提高，而且改善砌體的脆性性質(zhì)，提高變形能力。本文主要分析了芯柱、構(gòu)造柱、水平條帶等因素對約束砌體的變形能力和抗剪能力的影響，提出了約束砌塊砌體的恢復(fù)力模型，彈性位移角和極限位移角，約束砌體的延性系數(shù)，為約束砌體房屋的動力分析提供一些基本數(shù)據(jù)，抗震變形驗算提供理論依據(jù)。

1 墻片試驗基本概況

本文收集了64片約束墻片的偽靜力試驗材料，這些約束墻體試驗的試驗裝置均采用建研式（四連桿），它能保證在水平作用力下試件頂面只發(fā)生平移而不發(fā)生轉(zhuǎn)角，這與砌體結(jié)構(gòu)在地震力作用下墻體的實際受力變形邊界條件相一致。試驗加載方式均采用荷載控制并且分級加載，墻體開裂后再改用位移控制，當(dāng)荷載下降到0.85Pu時，停止試驗。

收集的墻片試驗主要有:李曉安針對火山渣混凝土砌塊墻片的不同邊框、不同正應(yīng)力進(jìn)行研究抗側(cè)能力、變形能力和各因素對邊框墻體抗震性能的影響。李立群研究了在混凝土小型空心砌塊墻體中設(shè)置不同填芯率的芯柱和不同數(shù)量的水平條帶對砌體的承載能力和變形能力的影響。張毅斌研究了空心砌塊墻片的不同高寬比和開洞對砌體的抗震性能的影響等。

2 約束墻體破壞特征

總結(jié)試驗結(jié)果表明，約束砌塊墻體的破壞可以分為三個階段:彈性階段、彈塑性階段、塑性破壞階段。從墻體的破壞現(xiàn)象可以得出以下結(jié)論:

（1）相對于墻片兩端設(shè)柱的墻體，中間設(shè)置芯柱/構(gòu)造柱的約束砌體的裂縫開展過程更加緩慢。

（2）隨著芯柱數(shù)量的增加，砌體破壞時裂縫分布更加分散，砌體的變形能力也逐漸增大、芯柱在砌體中所發(fā)揮的銷鍵及約束作用極為明顯、破壞時，芯柱鋼筋發(fā)生屈服。

（3）水平條帶的設(shè)置使砌體的應(yīng)力發(fā)生了重分布，墻體破壞發(fā)生了很大變化。設(shè)置條帶降低了墻體的高寬比提高了墻體的剛度和抗剪能力，但是水平鋼筋的強度未充分利用。

（4）開孔約束墻片中芯柱/墻中小柱和水平條帶對砌體的限制、約束作用明顯增強。芯柱和水平條帶得到充分的利用。

（5）約束砌體的各個組成部分的抗剪能力不是同時發(fā)揮的，它具有多道抗震防線。

3 約束砌塊砌體結(jié)構(gòu)變形能力與抗剪能力的影響因素

3.1 水平條帶的影響

把極限荷載對應(yīng)的位移Δu與開裂荷載對應(yīng)的位移Δcr的比值U作為衡量砌體延性的指標(biāo)，加設(shè)水平條帶后砌體的應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化，砌體的初裂及破壞均發(fā)生在條帶以下，同時也阻止了裂縫向上發(fā)展，砌體的變形能力和抗剪能力與條帶的截面積、數(shù)量有關(guān)。

圖1 水平條帶與變形能力（22%）

圖2 水平條帶與變形能力（33%）

從圖1和2對比中可以看出:填芯率為22%時水平條帶的數(shù)量增大，砌體的延性減小，但是填芯率為33%時水平條帶的數(shù)量增大，砌體的開裂位移、極限位移和延性系數(shù)均增大，這個矛盾的現(xiàn)象表明水平條帶的數(shù)量對砌體變形的影響有待研究。

圖3 水平條帶與抗剪能力（填芯率22%）

圖4 水平條帶與抗剪能力（填芯率33%）

圖3和4水平條帶數(shù)量增大，約束墻片的開裂荷載與極限荷載均增大，填芯率為22%時條帶數(shù)量從0到2開裂荷載增大了55%，極限荷載增大了12%，填芯率為33%時開裂荷載增大了12%,極限荷載增大6%，對比可知填芯率越大墻體的抗剪能力增加的速度越慢，條帶的數(shù)量對砌體開裂荷載的增加是不容忽視的。

表1 水平條帶截面積對約束砌體抗震性能的影響

由表1可以看出:水平條的截面積增大會使延性增大。但是對抗剪能力沒有明顯提高。

3.2 芯柱的影響

芯柱在墻體中起到約束作用，它延緩和阻止了裂縫的發(fā)生、發(fā)展。使裂縫分布得更加分散，并且提供了一部分剪力。砌體的變形能力、抗剪能力的提高與芯柱的填芯率、位置、數(shù)量有關(guān)。

圖5 填芯率與變形能力

圖6 填芯率與抗剪能力

從圖5可以看出:隨著填芯率的增大，開裂位移變化較小，極限位移增大的較為明顯，砌體的延性系數(shù)從6增大到12。圖6可以看出填芯率的增大使約束砌體的開裂荷載與極限荷載呈線性增大，而且增大幅度相當(dāng)大。

實驗表明:芯柱的集中布置會造成剛度集中，應(yīng)力集中，無芯柱區(qū)域裂縫延伸很快，發(fā)生很大滑移，迅速破壞，呈脆性破壞，而芯柱的均勻布置使墻體的延性和抗剪能力有明顯的改善，因此要合理均勻布置芯柱。

3.3 構(gòu)造柱的影響

圖7 兩端設(shè)構(gòu)造柱的砌體滯回曲線

圖8 兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體的滯回曲線

構(gòu)造柱墻片與芯柱墻片有近似的性質(zhì)。從兩圖比較可知，兩端設(shè)柱的砌體的延性明顯大于兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體，而兩端及中間設(shè)構(gòu)造柱的砌體的抗剪承載力要明顯高于兩端設(shè)構(gòu)造柱的砌體。實驗表明，構(gòu)造柱的截面積越大，墻體的承載能力越強，但是截面過大時對墻體承載力的提高就會變得緩慢，并且構(gòu)造柱不能得較好的利用，因此建議使用截面積較小的構(gòu)造柱。在芯柱墻片與構(gòu)造柱的對比試驗中，構(gòu)造柱墻片比芯柱墻片的抗剪承載力有明顯的提高，而延性有所下降，設(shè)計者可以根據(jù)需要選擇適宜的約束體系。

3.4 高寬比的影響

圖9 高寬比與抗剪能力（σ0=0.3MP）

圖10 高寬比與抗剪能力（σ0=0.5MP）

從圖9、圖10中可以看出:高寬比的增加使墻體承載力有很大的下降趨勢。豎向壓應(yīng)力的增大加速了墻體承載力的下降，當(dāng)墻體的高寬比h/b<1時，墻體以剪切變形為主，彎曲變形影響很小，可以忽略不計。反之，墻體的彎曲變形很大，對于h/b=1.5就要同時考慮剪切變形和彎曲變形，而豎向壓應(yīng)力的增大加大了彎曲變形的效應(yīng)，使墻體承載力下降的更快，而延性就會增加。

3.5 其他因素的影響

豎向壓應(yīng)力增大使砌塊之間的剪切摩擦力增大，降低了約束砌體的延性，提高了約束砌體的抗剪承載能力和耗能能力。有門窗洞口的約束砌塊砌體由于孔洞對墻體整體的削弱作用使砌體的抗剪截面積減小，降低了墻體的剛度。使墻體的抗剪承載力下降，而延性提高，變形能力更大。

4 約束砌塊砌體墻片的位移角限值

從本文收集到的資料可以總結(jié)得出，約束墻片的開裂位移角rcr=△cr/h的平均值為0.00046，極限位移角限值ru=△u/h的平均值為0.00538，變異系數(shù)分別為0.16和0.22。延性系數(shù)平均值為7.6。

5 骨架曲線與墻體破壞等級

荷載——位移骨架曲線是滯回曲線圖中滯回環(huán)頂點的外包絡(luò)線。骨架曲線明顯反映了墻體的破壞的三個階段，彈性、彈塑性、破壞階段。墻體開裂前，力——位移關(guān)系基本是一條斜直線，位移增大，承載力隨之增大，表現(xiàn)彈性特征，墻體開裂后，力——位移的關(guān)系呈曲線，由此可以看出約束砌體的彈塑性特征，在此階段墻體的剛度迅速下降，承載力依然增大，到達(dá)破壞階段后，剛度與承載力均緩慢下降。

經(jīng)過歸一化處理以后，荷載和位移用無量綱P/Pu和△/△u表示，把骨架曲線簡化成“三折線”恢復(fù)力模型，如圖11所示。折線分別表示，彈性階段、彈塑性階段、下降段，折線點表示開裂荷載點和極限荷載點，Pcr=0.6Pu,Δcr=0.212Δu,Δ0.85=1.7Δu,三折線方程為:

對照我國房屋震害程度分類，可以看出它們之間的對應(yīng)關(guān)系。彈性階段墻體相當(dāng)于完好，彈塑性性階段相當(dāng)于中等破壞階段。破壞階段相當(dāng)于墻體接近倒塌狀態(tài)。

圖11 恢復(fù)力模型

6 結(jié)語

（1）從約束砌塊墻體的破壞特征可以明顯的看出，約束砌體墻片變形能力和抗剪承載力相對于無筋墻片有很大的提高，保證了墻體在地震作用下裂而不倒。

（2）填芯率對約束砌體的變形能力和抗剪承載力有很大的提高。而構(gòu)造柱墻片變形能力相對于芯柱墻片有所降低，但是抗剪承載力有明顯提高。因此對于小型空心砌塊墻體建議使用構(gòu)造柱—芯柱體系。水平條的數(shù)量對墻體的延性的影響有待研究，對抗剪承載力沒有明顯的提高。因此建議在無洞墻片的灰縫處使用水平拉結(jié)筋代替水平條帶，在有孔洞的墻片四周設(shè)置芯柱/墻中小柱和水平條帶。

(3)提出了約束砌塊砌體的開裂位移角限值和極限角位移，為砌體結(jié)構(gòu)的抗震變形驗算提供理論依據(jù)。

(4)提出了約束砌塊砌體的本構(gòu)模型和與墻體破壞的對應(yīng)關(guān)系，為約束砌塊砌體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時程分析提供理論依據(jù)。

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