蒸壓加氣混凝土砌塊砌體填充墻框架結構抗震性能試驗

周曉潔，程昌惲，杜金鵬，陳 康，陳培奇

（1.天津市土木建筑結構防護與加固重點實驗室，天津 300384；2.天津城建大學土木工程學院，天津 300384）

引言

歷次震害表明：填充墻對主體框架結構抗震性能影響顯著；大量試驗研究和數值分析也表明［1－4］：填充墻與主體框架之間的連接方式是影響主體結構抗震性能的主要因素之一。目前，填充墻和主體框架間大多采用剛性連接，即填充墻與頂梁間立磚斜砌擠緊，砂漿填實；填充墻與框架柱間埋設水平拉結筋，且相接處的灰縫飽滿密實。剛性連接方案施工方便，墻-框連接緊密，保證了填充墻框架結構的整體性，但地震作用下墻-框相互作用明顯，不利于結構抗震性能的發揮［4］。《混凝土小型空心砌塊建筑技術規程》（JGJ/T14-2011）［5］提出：墻-框之間可采用脫開的連接方式，即柔性連接。已有研究表明：墻-框柔性連接可減弱填充墻與主體框架間的相互作用，進而改善結構抗震性能［6－10］。此外，砌體填充墻的構造措施對框架結構抗震性能也有明顯影響，蔣歡軍等［11］進行了7榀足尺單層單跨加氣混凝土砌塊填充墻框架結構試驗，結果表明填充墻中使用構造柱、水平系梁以及墻體中部設置豎縫的構造措施有利于框架結構抗震性能；唐興榮等［12］建立了4榀不同構造措施的加氣混凝土砌塊填充墻框架結構，試驗結果表明：填充墻使用構造柱和水平系梁的構造措施雖然對結構的初始剛度和承載力影響不大，但對結構延性和耗能能力等有顯著提高。

前述工作均圍繞結構平面內抗震性能開展，然而若墻-框連接不可靠，平面外地震作用下填充墻易出現整體垮塌或整片甩出，即發生平面外破壞［13－14］，所以對填充墻框架結構進行平面外抗震性能的研究同樣具有重要的工程意義。20 世紀以來，國內外學者從理論研究、試驗分析和數值模擬等方面開展了框架結構填充墻平面外抗震性能研究，并從墻-框連接方式、墻體構造或墻體加固等方面研究了改善填充墻平面外受力性能的措施［15－20］。如程云［19］通過填充墻框架結構振動臺試驗，認為在柔性連接方式下采用拉結筋構造方式的填充墻平面外抗震性能最好；周云等［20］通過3片經歷平面內損傷的阻尼填充墻平面外受力性能試驗，認為拱承載機制以及拉結筋在填充墻平面外抗震性能中起到關鍵作用。但總體上看：關于填充墻框架結構平面外抗震性能研究并不深入。

綜上所述，本文提出帶X 形斜撐的砌體填充墻新型構造方案，擬通過墻體構造措施及墻-框連接類型的優化，進一步改善填充墻框架結構平面內及平面外的整體抗震效果。首先進行1 榀空框架和3 榀填充墻框架結構低周往復荷載試驗，研究墻-框連接方式和帶X 形斜撐的填充墻構造措施對框架結構平面內抗震性能的影響；然后進行歷經平面內損傷的框架結構平面外單調靜力荷載試驗，分析不同墻-框連接方式和墻體構造下填充墻平面外受力性能和破壞特征。

1 平面內水平低周往復荷載試驗

1.1 試件設計及制作

共設計制作了4榀砌體填充墻框架結構，填充墻材料為蒸壓加氣混凝土砌塊，試件基本情況見表1。砌塊強度等級為A3.5，砌塊尺寸為300 mm×150 mm×120 mm（長×寬×高），砌筑砂漿強度等級為Mb5。框架梁柱采用C30 級商品混凝土，縱筋采用HRB335 級，箍筋采用HPB300 級，框架柱設計軸壓比為0.25。X 形對角斜撐采用C20 級混凝土現澆而成，斜撐截面尺寸約為150 mm（同墻厚）×50 mm，配置28 通長鋼筋，并與預先植入主框架內的拉接筋有效連接。墻-框柔性連接方案中，填充墻與主體框架間設置預留縫，縫寬δ需滿足罕遇地震下最大層間位移角要求，本文取30 mm，縫內填充泡沫聚苯板。空框架外形尺寸及配筋情況如圖1所示，其他試件見圖2-3。試件所用材料的實測力學性能見表2-表3。

表2 砌塊、砂漿和混凝土的實測強度Table 2 Measured strength of block，motor and concrete

表3 鋼筋實測力學參數Table 3 Measured mechanics parameters of steel MPA

圖1 框架幾何尺寸及配筋Fig.1 Specimen geometrical size and reinforcement

圖2 試件GF和RF1Fig.2 Specimens GF and RF1

表1 試件基本情況Table 1 Introduction of specimens

如圖3（b）所示，X 形對角斜撐采用分段施工方法，即首先砌筑下側墻體，砌筑過程中通過切割相應位置的砌塊留出斜撐通道，然后鋪設斜撐縱筋并與主框架伸出的拉結筋可靠連接，支模并澆筑斜撐混凝土；接著砌筑左側和右側墻體，砌筑過程中通過切割相應位置的砌塊繼續留出斜撐通道并澆筑斜撐混凝土；最后是上側墻體的砌筑。

圖3 試件RF2Fig.3 Specimen RF2

1.2 試驗裝置及加載制度

試驗加載裝置如圖4 所示，加載制度如圖5 所示，各柱的豎向軸力為400 kN。層間位移角δ=Δ/h，Δ表示框架梁截面形心處的水平位移，h為框架凈高（h=1 280 mm）。結構屈服前，各位移幅值循環一次，結構屈服后循環三次，水平荷載降至峰值荷載的85%以下時，試驗結束。

圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test setup

圖5 加載制度Fig.5 Loading rules

1.3 觀測內容

為研究墻-框不同連接方式對主體框架結構受力狀態的影響，試驗過程中同時監測沿框架柱高度不同位置處縱筋的應變以及框架梁兩端縱筋的應變，應變片布置情況見圖6。位移計布置示意如圖7 所示，用以測量框架梁相對于底梁的水平位移，梁截面中心線位置為測量點。

圖6 縱筋應變片布置Fig.6 Strain-gauge arrangement of longitudinal reinforcement

圖7 位移計布置位置圖Fig.7 Displacement sensor layou

1.4 試驗結果及分析

1.4.1 試件破壞形態

各試件最終破壞形態如圖8 所示。對于試件PF，框架梁柱均屬于典型彎曲破壞；墻-框剛性連接時，因為墻-框相互作用，導致結構中框架柱截面產生附加剪力，使試件GF 中柱的破壞具有剪切破壞特征，屬于彎曲-剪切形破壞，而梁的破壞屬于典型的彎曲破壞；柔性連接方案中（試件RF1和試件RF2），由于墻-框間的預留縫和填充物的有利影響，墻-框相互作用減小，最終發生與純框架類似的典型彎曲型破壞，且填充墻的破壞程度減輕，因此墻-框柔性連接方案更利于結構的抗震。

圖8 各試件最終破壞形態Fig.8 Failure mode of specimens

1.4.2 滯回曲線

各試件滯回曲線如圖9 所示。開裂前，四個試件的滯回曲線均基本呈直線變化，耗能水平較低；試件開裂后，滯回環面積增大，曲線形狀為梭形；屈服后，試件PF和GF滯回曲線呈弓形，試件RF1仍以梭形為主，試件RF2 由于墻-框間預留縫及填充物，以及對角斜撐對能量耗散的有利影響，試件在達到最大承載力前，滯回曲線一直呈現明顯的梭形；試件達到最大承載力后，四個試件的滯回環“捏縮”現象逐漸明顯，但總體來講，填充墻框架的“捏縮”程度比純框架減輕，柔性連接試件的“捏縮”比剛性連接試件減輕。

圖9 各試件滯回曲線Fig.9 Hysteresis curves of specimens

1.4.3 骨架曲線

各試件骨架曲線如圖10 所示，骨架曲線特征點實測數據見表4。開裂點指填充墻首次出現貫通裂縫所對應的荷載和變形；屈服點指柱縱筋部分達到屈服所對應的荷載和位移；峰值點指骨架曲線中最大荷載值及對應位移；破壞點指承載力下降至最大值85%時的荷載和相應變形。

圖10 骨架曲線Fig.10 Skeleton curves of specimens

表4 墻體試驗結果Table 4 Test result of specimens

由圖10和表4可以看出：

（1）填充墻的加入使試件水平承載力提高，墻-框剛性連接時提高程度最大。相比于PF，剛性連接試件GF的承載力提高了40.7%，柔性連接試件RF1和RF2分別提高了11.0%和12.3%。

（2）對于柔性連接試件，由于墻-框間的預留縫及填充物緩解了填充墻與框架相互頂推效應，使其開裂位移增大；RF1的開裂荷載比試件GF降低，而RF2的開裂荷載比試件GF提高15.6%，說明了X形斜撐構造措施對框架結構水平承載力的有利作用。

（3）由于墻-框相互作用導致框架柱截面產生附加內力，所以填充墻框架的屈服位移低于空框架PF；而柔性連接試件RF1和RF2屈服位移則大于剛性連接試件GF，說明柔性連接減緩了結構損傷。

（4）填充墻、墻-框預留縫及填充物，以及X形混凝土斜撐均有利于結構耗能及結構延性，因此空框架PF的位移延性系數最低，其次是剛性連接試件GF，柔性連接試件RF1和RF2的位移延性系數提高。

1.4.4 剛度退化曲線

各試件剛度退化曲線見圖11，可以看出：試件GF初始剛度最大，其次依次為試件RF2、試件RF1 和試件PF，說明墻-框剛性連接，以及填充墻特別是帶X 形斜撐構造措施的填充墻能夠增強試件的初始剛度。在持續增加往復荷載的過程中，試件剛度逐漸減小，最后趨于一致。

圖11 剛度退化曲線Fig.11 Curves of stiffness degradation

1.4.5 鋼筋應變分析

圖12 表示的是試驗中所有試件分別正向加載（推）過程中，左柱右側縱筋的應變情況。

圖12 左柱縱筋應變變化趨勢圖Fig.12 Strain in the longitudinal bars of left column

可以看出：

（1）試件GF 和RF1沿框架柱高度方向的縱筋應變近似于線性變化，且兩個試件柱縱筋應變的發展規律類似，說明墻-框間的連接方式對框架主體受力的影響不大。

（2）由于填充墻內布置對角斜撐，墻-框間剛度效應和約束效應增大，試件RF2縱筋應變分布規律不同于試件GF 和RF1，且縱筋應變值較大，試件水平承載力提高。

1.4.6 耗能能力

各試件在不同位移角幅值下的累積耗能見圖13，由圖13可知：

圖13 各試件累積耗能-位移曲線Fig.13 Relation between cumulative energy consumption and displacement of each specimen

（1）各試件的累積耗能隨位移增大而增大；空框架的耗能能力最低，填充墻框架的耗能能力提高。

（2）四個試件對比，剛性連接試件GF 在相同受力階段時的累積耗能最大，但當位移幅值達到51.2mm（位移角為1/25）時，試件GF 試驗終止，而試件RF1 和RF2 仍具有耗能能力，因此柔性連接試件的耗能總量超過剛性連接試件。

（3）柔性連接試件中，試件RF2 的耗能總量明顯高于試件RF1，說明X 形對角斜撐在結構耗能中發揮了重要作用。

2 歷經平面內損傷的填充墻框架結構平面外單調加載試驗

平面內擬靜力試驗后，重新粉刷墻體以掩蓋表面裂縫，隨后進行歷經平面內損傷的平面外單調加載試驗。

2.1 試驗裝置及加載制度

采用平面外“四點加載”的試驗加載方案［20］，圖14 為該試驗的加載裝置示意圖。加載分為兩個階段，首先以荷載控制加載，墻體出現首條裂縫時再以位移控制加載，每級控制位移為0.5 mm，直至試件荷載下降到峰值荷載的85%以下時，試驗結束。

圖14 試驗加載裝置Fig.14 Test setup

2.2 觀測內容

試驗過程中，每一級加載均需觀察和記錄填充墻裂縫出現的位置和發展過程；試件平面外的位移，由沿填充墻高度方向布置的位移計測量獲取，圖15中的各點即為位移計布置測點。

圖15 位移測點示意圖Fig.15 Displacement point schematic

2.3 試驗結果及分析

2.3.1 試件破壞形態

試件最終破壞形態及墻體裂縫分布示意見圖16。

由圖16可以看出：（1）各試件在平面外荷載作用下，墻體裂縫開展大致具有相同的特點，即裂縫均集中于墻體中部，并分別向四角斜向延伸。（2）與剛性連接試件相比，柔性連接試件中主體框架對填充墻的約束效應減小，其填充墻平面外破損情況更明顯。試件GF的最大裂縫寬度為5 mm，試件RF1和RF2的最大裂縫寬度分別為9 mm 和10 mm。（3）達到峰值承載力前，試件RF2 的墻體階梯形裂縫逐漸形成和發展，并最終在多處貫穿斜撐，體現了斜撐對墻體平面外承載力的有效貢獻。

圖16 各試件最終破壞形態和裂縫分布示意圖Fig.16 Ultimate failure mode and crack distribution of specimens

2.3.2 平面外荷載-位移曲線

各試件試驗結果見表5，平面外荷載-位移曲線見圖17。

圖17 試件在平面外荷載作用下的荷載-位移曲線Fig.17 Load-displacement curves of specimens under out-of-plane loading

表5 試驗結果Table 5 Test result of specimens

由圖17和表4可知：

（1）試件GF 的平面外峰值荷載最大，試件RF2 次之，試件RF1 最小，說明墻-框剛性連接有利于形成拱承載力機制［15］，提高填充墻平面外水平承載力；由于預留縫及填充物的影響，試件RF1 拱承載機制不明顯，其平面外承載力主要由墻-框拉結筋提供；試件RF2的平面外承載力主要由斜撐提供，其值比試件RF1提高159.4%，由于前期試驗中斜撐與主體框架的連接部位已有損傷，因此斜撐對墻體平面外承載力的貢獻應未充分體現。

（2）柔性連接試件的峰值荷載位移和破壞荷載位移均明顯大于剛性連接方案。相比試件GF，試件RF1的峰值荷載位移提高了282.6%，試件RF2 提高了352.2%；試件RF1 的破壞荷載位移提高了302.9%，試件RF2 提高了330.2%，說明柔性連接減弱了框架對填充墻的剛度效應和約束效應，提高了填充墻平面外變形能力。另外，相比于試件RF1，試件RF2的峰值荷載位移提高了18.2%，破壞荷載位移提高了6.8%，說明填充墻的X形對角斜撐構造措施有利于填充墻平面外變形能力。

（3）柔性連接試件的延性明顯優于剛性連接試件。相比試件GF，試件RF1 的位移延性提高了302.2%，試件RF2提高了329.7%。另外，相比于試件RF1，試件RF2 的位移延性提高了6.9%，說明填充墻的X形對角斜撐構造措施有利于試件平而外位移延性的改善。

2.3.3 平面外剛度退化曲線

各試件剛度退化曲線見圖18，可以看出：試件GF初始剛度最大，其次依次為試件RF2 和試件RF1，說明墻-框剛性連接，以及帶X 形斜撐構造措施的填充墻對平面外初始剛度的有利作用。隨平面外位移的施加，各試件剛度下降，其中試件GF 的剛度下降最快，且處于持續下降中，而柔性連接試件的剛度在加載初期呈快速退化趨勢，此后退化速度逐漸降低，有助于結構的抗震性能。

圖18 試件平面外剛度退化曲線Fig.18 External stiffness degradation curve of the test piece plane

3 結論

本文進行了填充墻框架結構平面內水平低周往復荷載試驗，以及歷經平面內損傷的平面外單調靜力荷載試驗，進行了不同墻-框連接方案及不同墻體構造措施的填充墻框架結構抗震性能分析，主要結論如下：

（1）相比于空框架，無論墻-框剛性連接還是柔性連接，填充墻的加入均能提高框架結構的平面內水平承載力和初始剛度，且剛性連接方案的提高效果更明顯；但剛性連接方案在其他抗震性能指標如剛度退化、位移延性和耗能能力等方面均低于柔性連接試件。

（2）平面外荷載作用下，墻-框剛性連接框架結構填充墻的水平承載力和初始剛度均高于柔性連接結構，但達到峰值荷載后，其承載力的退化也很迅速，同時填充墻平面外剛度一直處于快速退化中，不利于抗震。而柔性連接框架結構填充墻的平面外變形能力更強，位移延性更大。

（3）填充墻中設置的X 形斜撐起到墻體骨架的作用，顯著提升了柔性連接框架結構墻充墻的平面外水平承載力和位移延性，增強了平面外抗倒塌能力。因此經綜合分析，填充墻帶X 型對角斜撐且墻-框柔性連接的填充墻框架更有利于結構抗震。