RC-加氣混凝土砌塊組合墻的抗震性能

劉佩，袁泉，郭猛，李鵬飛

(北京交通大學 土木建筑工程學院，北京，100044)

蒸壓加氣混凝土砌塊具有輕質、節能、保溫等特點，作為一種替代燒結黏土磚的墻體材料，已經廣泛應用于建筑物的隔墻、填充墻和維護墻中，適應了我國建筑節能改革以及墻體材料改革的發展趨勢。與黏土磚、空心磚等材料相比，加氣混凝土砌塊的抗剪強度偏低，彈性模量較小，為了使其能夠在多層承重砌體房屋結構中得到應用，必須采取有效的構造措施提高加氣混凝土砌塊墻體的抗震性能，其中，利用鋼筋混凝土構件約束加氣混凝土砌塊墻而形成的組合式承重墻體系是加氣混凝土砌塊房屋的發展方向之一。目前，對于加氣混凝土砌塊墻體的抗震性能，國內外學者已經開展了一系列的研究[1?6]，吳東云等[1]進行了2片粉煤灰加氣混凝土砌塊墻體的荷載試驗，分析了砌塊墻的破壞特征、恢復力特性和抗剪強度等問題；趙成文等[2]進行了普通砂漿和專用砂漿砌筑、普通砂漿配鋼筋和配纖維以及專用砂漿配纖維共計6種形式墻片的荷載試驗，以比較不同構造方式對砌塊墻體抗震性能的提高程度；趙全斌等[3]進行了僅設置邊構造柱、僅設置邊構造柱和中構造柱、僅設置邊構造柱和水平系梁3種不同約束方式下加氣混凝土砌塊墻體的荷載試驗，研究約束措施對加氣混凝土砌塊承重墻體抗震性能的改善程度，試驗表明，加氣混凝土砌塊與鋼筋混凝土構件配合使用，能夠提高砌塊墻的整體性，抑制砌塊裂縫的開展，有效地提高砌體墻承載力、延性等抗震性能。本文作者在上述研究成果的基礎上，將鋼筋混凝土構造柱與水平系梁聯合用于加氣混凝土砌塊墻體中，以進一步提高砌塊墻體的抗震性能，形成RC-加氣混凝土砌塊組合抗震墻，為此，通過對不同構造柱與水平系梁約束方式下的加氣混凝土砌塊墻體進行荷載試驗，研究組合墻的破壞特征、承載力等抗震性能，探討約束方式對砌塊墻體抗震性能的改善程度，為承重型加氣混凝土砌塊墻應用于多層砌體結構以及框架?密肋復合墻結構[7]提供依據。

1 試驗設計及方案

1.1 試件設計

采用1/2比例制作加氣混凝土砌塊組合墻共3片，均設置邊構造柱和墻體頂部圈梁[8]，圈梁兼做加載梁，墻體的內部約束方式為：CW-1為 1根中構造柱和 1根系梁，CW-2為2根中構造柱和1根水平系梁，CW-3為1根中構造柱和2根水平系梁，試件尺寸及配筋如圖1所示，墻體厚度均為100 mm?；炷翉姸菴20，棱柱體抗壓強度實測值為 21.4 MPa；鋼筋等級為HB235，屈服強度為628 MPa，極限強度為760 MPa；砌塊采用西安市硅酸鹽制品廠生產的蒸壓加氣混凝土砌塊，容重600 kg/m3，平均抗壓強度為3.7 MPa。

參考趙成文等[2]的普通無筋砌體墻荷載試驗數據，并按原試件尺寸與本文試件尺寸的比例關系、材料強度比例關系近似確定無筋加氣砌墻體的承載力，以考察約束組合墻與普通蒸壓加氣混凝土砌塊墻體破壞特點和抗震性能的差異。

圖1 試件尺寸及配筋圖(單位：mm)Fig.1 Section size and steel bar details of specimens

1.2 試驗方案

本次試驗在西安建筑科技大學結構與抗震省級重點實驗室進行，加載方案為水平低周反復加載，如圖2所示。將豎向荷載90 kN通過千斤頂加在分配梁上，經二次分配后均勻加在組合墻體的頂梁上，豎向荷載穩定后開始水平加載，同時保持豎向荷載不變。水平荷載通過反力墻，借助液壓作動器對墻體頂部施加。在接近屈服荷載前減小級差加載，試件屈服后采用變形控制，變形值取試件極限荷載的位移值，并以該位移的倍數為級差進行控制加載，在屈服前不進行反復加載，屈服后試驗采用反復的次數為3次，直至荷載下降為極限荷載的80%左右停止加載，試驗結束。

圖2 試驗加載裝置圖Fig.2 Experimental set-up

2 抗震性能試驗結果及分析

2.1 破壞過程

(1)CW-1。加載至20 kN時，砌體表面出現一定數量裂縫；加載至35 kN時，砌體裂縫繼續開展，表面顆粒有少量脫落，中間系梁端部出現裂縫；繼續加載，邊構造柱根部出現水平裂縫，加載至最大荷載58.4 kN時，受拉側邊構造柱根部水平裂縫貫通整個截面，4個框格內砌塊上的裂縫分布較均勻；隨后按極限荷載對應位移的倍數進行位移加載，隨著位移的加大，砌塊表面顆粒剝落程度加劇，系梁端部裂縫寬度變大，右側砌體拼縫部位的系梁鋼筋外露，邊構造柱頂部出現裂縫，底部裂縫多數貫通，最終破壞情況如圖3(a)所示。

圖3 試件破壞情況Fig.3 Failure patterns of specimens

(2)CW-2。加載至25 kN時，砌體表面出現少許細微短小的斜裂縫；加載至40 kN時，砌塊裂縫持續開展、延伸，右側上部砌塊裂縫延伸到系梁端部，貫通系梁截面；加載至55 kN時，砌體表面顆粒脫落，邊構造柱根部出現受拉水平裂縫。加載至最大承載力69.6 kN時，系梁出現多條由砌塊裂縫延伸而來的裂縫，邊構造柱根部少量裂縫貫通；隨后按位移控制加載，系梁裂縫寬度持續加寬，6個框格內砌塊顆粒剝落的程度加劇，邊構造柱頂部出現水平裂縫，底部裂縫多數貫通截面，其外側角部混凝土有壓碎跡象，最終破壞情況如圖3(b)所示。

(3)CW-3。加載至30 kN時，砌塊上出現少許細微短小的斜裂縫；加載至50 kN時，中間及下部框格開始有輕微細小的斜裂縫出現，原有砌塊斜裂縫延伸擴張；繼續加載，部分砌塊裂縫延伸至系梁，此時砌塊裂縫寬度發展很快，最寬已達到0.2 mm，試件拼縫砂漿處有脫開現象；加載至76 kN時，受拉側邊構造柱根部出現多道水平裂縫，達到極限荷載；位移循環階段，砌塊開裂所發出的響聲增大，砌塊表面有小塊脫落，上部中構造柱鋼筋外露，系梁在反復荷載作用下不斷扭曲，邊構造柱角部混凝土壓碎，最終破壞情況如圖3(c)所示。

(4)W-P-1[2]。當水平荷載達到開裂荷載時，墻體突然出現沿 45°方向的斜裂縫，裂縫大部分穿過砌塊而很少沿灰縫破壞。墻體開裂前無明顯破壞跡象，裂縫出現后擴展迅速，破壞后裂縫高度也較大，裂縫形式基本為一組交叉主裂縫，最終破壞情況如圖3(d)所示。

由上述破壞過程描述可見：

(1)RC-加氣混凝土砌塊組合墻的破壞形態明顯不同于普通加氣混凝土砌塊墻，構造柱和系梁約束條件下加氣混凝土砌塊的裂縫比較彌散，裂縫發展緩慢，砌塊裂縫難以貫通鋼筋混凝土構造柱和系梁，被限制在各個框格內部，構造柱和水平系梁對加氣混凝土砌塊的限制、約束作用非常明顯；相比之下，普通加氣混凝土砌塊墻體一旦出現砌塊開裂情況，則裂縫迅速擴展，在很短的時間內貫通整片墻體。

第一，企業審計人員要有良好的道德素養，在各類干擾正常工作的行為下要堅持自己的職業道德，不接受任何形式的賄賂，按照相關要求規范操作。

(2)組合墻基本沒有明顯的主斜裂縫，在各個框格區域內，存在對角斜裂縫或者菱形斜裂縫，各個位置的砌塊裂縫分布更加均勻，進而通過眾多裂縫的開裂閉合以及縫隙之間的摩擦能有效提高砌體的耗能能力；而普通加氣混凝土砌塊墻體存在主斜裂縫，其他部位砌體很少出現新的裂縫。

2.2 鋼筋應變分析

綜合分析3片墻體的外側構造柱、中部構造柱和水平系梁的鋼筋應變規律可知，鋼筋混凝土構件在組合墻抵抗外荷載過程中的受力機制基本相同，主要區別在于發揮作用的大小不同，典型的鋼筋應變曲線如圖4所示。

圖4 鋼筋應變?荷載曲線Fig.4 Strain?load curves of steel bars

2.2.1 外側構造柱鋼筋應變

試件開裂前，鋼筋應變一般很??；當混凝土裂縫貫通時，荷載達到最大值，應變超過1×10?3；極限以及大位移循環階段，外側構造柱根部鋼筋多次達到屈服，隨水平荷載方向的改變在正負之間交替變化。外側構造柱鋼筋應變發展充分其原因一方面在于構造柱通過銷栓作用承擔剪力，另一方面外側構造柱承擔了絕大部分彎矩，提高了砌體墻的抗彎承載力。

2.2.2 中部構造柱鋼筋應變

中部構造柱的鋼筋在砌塊開裂前應變較小，一般小于1×10?4，在砌塊裂縫不斷發展且構造柱尚未開裂的過程中，應變的增長比較緩慢；達到極限荷載時構造柱中鋼筋尚未屈服，在荷載位移曲線進入下降段后鋼筋才達到屈服階段，表明開裂前主要由砌塊承擔剪力，中部構造柱發揮的作用較小，極限荷載之后砌塊的承載力迅速下降，構造柱內鋼筋通過銷栓作用承擔剪力，發揮抗剪作用。

2.2.3 系梁鋼筋應變

水平系梁的鋼筋應變曲線和構造柱類似，砌塊開裂前，系梁鋼筋應變很小，當砌塊裂縫延伸至系梁內后，系梁鋼筋應變明顯加快。繼續加載鋼筋應變不斷發展，邊構造柱出現裂縫貫通時系梁鋼筋應變增加變得更快，達到極限荷載時，大部分系梁鋼筋沒有屈服，系梁鋼筋和構造柱鋼筋應變相差不是很大。此后荷載開始下降，以大位移循環時，大部分系梁鋼筋屈服，最后墻板達到破壞。說明系梁的存在限制裂縫的發展，增加墻板的承載力，延緩了墻板破壞過程。系梁應變多為正值，在正反向荷載作用下呈現“V”字型，表明系梁鋼筋以受拉承擔剪力為主。

2.3 承載力分析

由表1可知：約束加氣混凝土砌塊墻的開裂荷載與極限荷載較普通加氣混凝土砌塊墻體有較大程度的提高，其中，CW-1的極限荷載提高了 70%以上，而CW-2和CW-3則提高了1倍以上；比較不同約束形式對砌體墻承載力的影響，CW-1為墻體內部設置“十”字形RC構件，CW-2增加1根構造柱變為形后，極限荷載較CW-1提高了19.2%；而CW-3增加1根系梁變為形后，極限荷載較 CW-1提高了30.1%，表明系梁在墻體抗剪中的作用更為明顯。

W-P-1的極限荷載為開裂荷載的1.65倍，而3片組合墻極限荷載與開裂荷載相比的平均值為2.35，表明純砌體墻開裂后的強度儲備較少，墻體一旦開裂，承載能力提高的程度較小，脆性性質明顯[9]，而組合墻從開裂到極限荷載的發展過程較長，安全儲備較大。

組合墻承載力較普通砌體墻大幅度提高的原因在于，一方面構造柱和系梁均參與抗剪，另一方面通過構造柱和系梁的約束作用大大提高了砌體的抗剪強度。對于普通加氣混凝土砌塊墻體，其抗剪能力主要由砌塊自身抗剪強度以及灰縫抗剪強度決定，但通過配置適當的鋼筋混凝土構造柱、系梁所形成的組合墻，則抗剪能力實際由砌塊自身的直接抗剪轉化為砌塊通過抗壓對構造柱與系梁所形成弱框架的支撐，從而較大程度地發揮了加氣混凝土砌塊的抗壓性能。

2.4 滯回曲線分析

滯回曲線是評定構件抗震性能的重要依據，CW-1，CW-2和CW-3的滯回曲線及骨架曲線如圖5所示。組合墻滯回曲線的共同特點是：開裂荷載之前，滯回曲線呈直線變化，剛度退化不明顯；屈服階段，滯回曲線呈梭形，所包圍的面積逐漸增大；繼續加載，滯回曲線向弓形發展，荷載零點附近出現捏攏現象，殘余變形明顯；極限荷載之后，滯回曲線呈反S型，單個滯回環在反S形的2個端部飽滿，中間存在較狹長的條形段。

文獻[2]給出的普通砌體墻體的滯回曲線表現為明顯的脆性性質，即滯回曲線的外輪廓線沒有下降階段或下降段很短，表明砌體墻在達到極限荷載后，很快就失去承載力而停止加載。顯然，在極限階段之后，加氣混凝土砌塊組合墻較普通砌體墻的抗震性能要優越得多。

組合墻滯回曲線的另一個重要特點是大位移循環階段的剪切滑移現象，這是由墻板截面構造和受力機制決定的：由于砌塊自身裂縫較寬，造成卸載后再加載時存在一個較長的裂縫閉合過程，而砌塊與構造柱、系梁重新接觸后才再次發揮相互約束作用，使得滯回曲線在極限荷載之后呈現典型的反S形特征。為改善組合墻的剪切滑移現象，需要在砌塊材料、砌塊與混凝土接觸方式等方面進行一定的改進。

表1 試件荷載和位移實測值Table 1 Test results of specimens

圖5 試件滯回曲線Fig.5 Hysteretic curves of specimens

2.5 剛度及其退化過程分析

等效剛度取往復荷載作用下正、反向荷載的絕對值之和除以相應正、反向位移絕對值之和，計算得出試件剛度值及退化系數見表2。CW-2和CW-3在不同階段的等效剛度均較CW-1大，CW-3剛度提高程度尤為明顯，反映了約束措施的加強對砌體墻剛度的增大作用，這個規律與承載力對比結果一致。

3片約束墻體的剛度退化規律基本相同，退化速度差別不大，總體趨勢是退化初期剛度衰減很快，隨著位移的增大而減緩，最后趨于平緩。屈服剛度約為初始開裂剛度的25%～30%，極限階段剛度約為初始開裂剛度的10%～15%。

表2 荷載特征點的等效剛度Table 2 Equivalent stiffness of load characteristic points

2.6 延性分析

延性系數是反映結構構件進入塑性階段后變形能力的指標，本文采用位移延性系數進行評估，定義極限位移與屈服位移之比為μw=sw/sy，破壞位移與屈服位移之比為μu=su/sy。其中：sy，su和sw分別為屈服荷載、極限荷載和破壞荷載對應的位移。位移延性系數計算結果見表3。

表3 位移延性系數Table 3 Displacement ductility coefficients

約束砌體墻在破壞階段即荷載下降至極限荷載的85%左右時，對應的位移延性系數μu均大于3，實際上已經滿足了混凝土抗震結構位移延性系數為3～4的要求[10]；另一方面，破壞階段三片墻體的相應層間位移角仍分別為1/34，1/36和1/38，均超過抗震規范規定的彈塑性階段層間位移角1/50的限值[11]，顯然，構造柱、系梁與砌體三者構成的組合墻已經初步具有了鋼筋混凝土構件的變形能力。

與普通加氣混凝土砌塊墻僅出現一個貫通對角的“X”型裂縫不同的是，由于混凝土框格的分割與約束作用，各個框格內部的加氣混凝土砌塊裂縫均呈“X”型或菱形，其變形能力及抵抗平面外倒塌的能力明顯強于普通加氣混凝土砌塊墻。

3 結論

(1)RC-加氣混凝土砌塊組合墻的破壞形態明顯不同于普通加氣混凝土砌塊墻，砌塊裂縫比較彌散且發展緩慢，同時構造柱和水平系梁對加氣混凝土砌塊的限制、約束作用非常明顯，改善了砌體的力學性能及墻體的破壞形態。

(2)組合墻的開裂荷載與極限荷載較普通加氣混凝土砌塊墻體有較大程度的提高，其原因在于，一方面構造柱、系梁參與抗剪，另一方面通過對砌塊的約束作用提高了砌塊的力學性能，使得砌塊由自身直接抗剪轉化為對構造柱與系梁的支撐而承擔剪力，從而較大程度地發揮了加氣混凝土砌塊的抗壓性能。

(3)組合墻的剛度變化規律與承載力變化規律基本一致；延性方面，構造柱、系梁與砌體三者構成的組合墻滿足混凝土抗震結構位移延性系數的要求，初步具有了鋼筋混凝土構件的變形能力。本文研究工作為承重型加氣混凝土砌塊墻的工程應用及進一步研究提供了試驗數據與參考。

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