內(nèi)填不同材料填充砌塊生態(tài)復(fù)合墻體抗震性能對比

陳國新，黃煒，張蔭

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊，830052；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安，710055)

生態(tài)建筑是20世紀60年代建筑界提出的一個新概念，生態(tài)建筑的目標(biāo)就是使環(huán)境效益、經(jīng)濟效益和社會效益三者得到完整的統(tǒng)一，使人類活動在滿足自身需求的同時，最大限度的減少對環(huán)境的破壞。實現(xiàn)生態(tài)建筑的一個重要方面就是建筑材料的生態(tài)化。利用工、農(nóng)業(yè)廢料與水泥或生土復(fù)合制作的新型節(jié)能墻體材料，既利用了工、農(nóng)業(yè)廢料，又達到了節(jié)約能源的目的，同時，符合國家《新型墻體材料專項基金征收和使用管理辦法》中“原材料摻有不少于30%農(nóng)作物秸稈、垃圾、工業(yè)廢料、淤泥的墻體材料”的規(guī)定[1]。

1 生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系

生態(tài)復(fù)合墻結(jié)構(gòu)體系[2,3]是一種生態(tài)、節(jié)能、抗震的建筑結(jié)構(gòu)新體系，它主要由預(yù)制的生態(tài)復(fù)合墻板與隱形外框及樓板裝配整澆而成。作為結(jié)構(gòu)的主要受力構(gòu)件——生態(tài)復(fù)合墻體是由生態(tài)復(fù)合墻板與隱形外框組成的墻肢或墻段，如圖1所示。其中，生態(tài)復(fù)合墻板是以截面和配筋較小的鋼筋混凝土肋梁、肋柱為框格，內(nèi)嵌以工、農(nóng)業(yè)廢料或其他生態(tài)材料為主的高性能砌塊預(yù)制而成，如圖2所示。

圖1 生態(tài)復(fù)合墻體構(gòu)造示意圖Fig.1 Construction detail of ecological composite wall

圖2 生態(tài)復(fù)合墻板構(gòu)造Fig.2 Construction detail of ecological composite slab

為驗證課題組目前應(yīng)用和開發(fā)的5種生態(tài)填充塊材與框格之間的協(xié)同工作能力，研究生態(tài)復(fù)合墻體在低周反復(fù)荷載作用下的受力特點和破壞機制，先后對5榀(內(nèi)填材料分別為：加氣混凝土砌塊、植物纖維生土基砌塊、植物纖維水泥基砌塊、再生EPS輕骨料混凝土砌塊和棉花秸稈砌塊)1/2比例模型相同規(guī)格、相同配筋的生態(tài)復(fù)合墻體進行偽靜力試驗，對比不同內(nèi)填砌塊生態(tài)復(fù)合墻體的承載力、滯回特性、延性、強度退化、剛度退化和耗能等抗震性能[4-5]，從理論上探索生態(tài)復(fù)合墻體在實際工程中應(yīng)用的可行性。

2 試驗概況

2.1 模型設(shè)計與制作

本次對比試驗共5個構(gòu)件模型，試件編號分別為：XML-1，XML-2，XML-3，ECW-1，ECW-7。其中：XML-1為內(nèi)填植物纖維生土基砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，XML-2為內(nèi)填再生EPS輕骨料混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，XML-3為內(nèi)填植物纖維水泥基砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，ECW-1為內(nèi)填加氣混凝土砌塊生態(tài)復(fù)合墻體，ECW-7為內(nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體。

5榀生態(tài)復(fù)合墻體模型尺寸和配筋均相同，內(nèi)填砌塊材料不同，試件尺寸及配筋見表1。

圖3和圖4所示分別為生態(tài)復(fù)合墻體外框和墻板配筋詳圖。

表1 試件尺寸及配筋Table1 Dimensions and reinforcement of specimen

圖3 外框配筋圖(單位：mm)Fig.3 Reinforcement detailing of outer frame

圖4 墻板配筋圖(單位：mm)Fig.4 Reinforcement detailing of slab

試件制作主要包括內(nèi)填砌塊的預(yù)制、墻板預(yù)制及墻體裝配整澆3道工序。在5榀墻體的內(nèi)填砌塊中，除加氣混凝土砌塊為工廠購買外，其余4種類型砌塊均為實驗室現(xiàn)場制作。

2.2 材料基本物理、力學(xué)性能

5榀墻體外框材料均為C30混凝土，墻板肋格均為C20混凝土，內(nèi)填砌塊為5種生態(tài)填充塊材，混凝土與砌塊基本性能如表2所示。

墻體受力鋼筋采用HPB235級鋼筋，基本力學(xué)性能如表3所示。

2.3 試驗方法和加載制度

試驗采用低周反復(fù)加載抗震試驗方法[6]。

(1)豎向加載：墻體中的豎向壓應(yīng)力是影響墻體受力及抗震性能的主要因素。以實際工程6層住宅底層墻體的壓應(yīng)力計算軸向壓力，并換算至試驗墻體。原型承重墻體換算荷載為440 kN，模型承重墻體換算荷載為110 kN。根據(jù)原型6層結(jié)構(gòu)底層墻體承受的豎向荷載和相似關(guān)系，模型取豎向荷載為110 kN，一次施加，經(jīng)二次分配后加在肋柱和框柱上；待豎向荷載穩(wěn)定后加水平荷載。

表2 混凝土與砌塊基本物理和力學(xué)性能Table2 Fundamental properties of concrete and blocks

表3 鋼筋力學(xué)性能Table3 Basic mechanical properties of reinforcement

(2)水平加載：水平荷載通過反力墻，借助液壓作動器對墻體頂部施加，采用力-位移混合控制。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 破壞形態(tài)及破壞機制

5榀生態(tài)復(fù)合墻體受力都經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段3個階段[7]，墻體的最終破壞圖如圖5所示，但由于內(nèi)填材料的力學(xué)性能和與肋格的連接性能不同，各階段的破壞形態(tài)有所差異，最終的破壞機制有所不同，見表4。

由以上破壞形態(tài)和破壞機制的對比結(jié)果可以看出：

(1)ECW-1，XML-1和XML-2內(nèi)填材料分別為加氣混凝土砌塊、植物纖維生土基砌塊和再生EPS輕骨料混凝土砌塊，砌塊抗壓強度均較低，在0.6～2.5 MPa之間，在澆筑過程中，砌塊與肋格混凝土的和易性較好，因此在生態(tài)復(fù)合墻體受力過程中與外框的協(xié)同工作性能較好，受力初期砌塊先出現(xiàn)裂縫并逐步破壞，繼而肋格、外框依次發(fā)揮作用，分階段釋放能量。

(2)ECW-7墻體填充砌塊為棉花秸稈砌塊，雖然秸稈砌塊的抗壓強度較低，但力學(xué)性能與鋼筋混凝土肋格、外框的差異性較大，連接較弱，在生態(tài)復(fù)合墻體受力過程中與外框的協(xié)同工作性能較差，裂縫首先出現(xiàn)在連接處而不是砌塊內(nèi)，砌塊未能先破壞發(fā)揮積極耗能作用。

(3)XML-3內(nèi)填材料為植物纖維水泥基砌塊，強度較高，幾乎達到C20等級混凝土的強度，力學(xué)性能和混凝土相似，砌塊與肋格混凝土的和易性較好，連接性能強，在受力過程形成一個整體彈性板，導(dǎo)致墻板強，外框弱，最后發(fā)生外框破壞而墻板基本沒有破壞的彎曲型不利破壞機制。

由此可以得到，內(nèi)填砌塊的強度和與肋格的連接性能是影響生態(tài)復(fù)合墻體破壞形態(tài)與破壞機制的主要因素。

3.2 滯回曲線

滯回曲線[8-9]是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)，也是分析結(jié)構(gòu)抗震彈塑性動力反應(yīng)的主要依據(jù)。圖6所示為不同內(nèi)填砌塊材料生態(tài)復(fù)合墻體在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線。由圖6可知：

(1)當(dāng)荷載小于最大荷載的30%時，即內(nèi)填砌塊與肋格未出現(xiàn)裂縫或只有砌塊有少量細微裂縫時，5榀墻體的滯回曲線表現(xiàn)出相同的特性，滯回環(huán)包圍的面積很小，力和位移之間基本呈直線變化，在荷載往復(fù)作用過程中，剛度退化不明顯，殘余變形和結(jié)構(gòu)耗能都很小，結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

圖5 生態(tài)復(fù)合墻體最終破壞圖Fig.5 Failure photos of ecological composite walls

表4 墻體破壞形態(tài)和破壞機制Table4 Failure mode and failure mechanism of ecological composite walls

圖6 各墻體滯回曲線Fig.6 Hysteretic loop of ecological composite walls

(2)隨著荷載的增大，除XML-3外，其余4榀生態(tài)復(fù)合墻體的滯回環(huán)逐漸轉(zhuǎn)變成弓形，進入彈塑性階段后，滯回曲線呈反“S”字型，數(shù)次反復(fù)加載循環(huán)以后，加載曲線上出現(xiàn)較明顯的拐點，在曲線上升段，都有較明顯的屈服點。生態(tài)復(fù)合墻體XML-3的滯回曲線基本呈梭形，且在加載過程形狀基本保持不變，最后墻體發(fā)生了正截面拉壓破壞的脆性破壞機制。

(3)在同一位移加載控制階段，與前一次相比，后一次循環(huán)達到的荷載較低，后一次循環(huán)滯回曲線所包圍的面積明顯較小，表明生態(tài)復(fù)合墻體出現(xiàn)了強度、剛度和耗能能力的退化。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，耗能能力不斷增強，反映了結(jié)構(gòu)累積損傷的影響。

(4)XML-1，XML-2，ECW-1，ECW-7的滯回曲線都比較飽滿，而XML-3的滯回曲線不飽滿。究其原因主要是XML-3的內(nèi)填砌塊的強度過高，和肋格形成了一片整體剪力墻，內(nèi)填砌塊在反復(fù)荷載下，未能充分發(fā)揮耗能作用，復(fù)合墻體剛度退化不明顯。

(5)XML-1，XML-2，ECW-1，ECW-7這4榀生態(tài)復(fù)合墻體的滯回曲線都表現(xiàn)出不同程度的“捏攏現(xiàn)象”，但XML-3卻不明顯。出現(xiàn)“捏攏現(xiàn)象”，主要原因是受力過程中砌塊與肋格之間的黏結(jié)破壞，出現(xiàn)了滑移現(xiàn)象，而XML-3的內(nèi)填植物纖維水泥基砌塊與肋格的整體性能較好，這也與試驗過程中內(nèi)填砌塊與肋格之間是否出現(xiàn)裂縫相一致。

3.3 骨架曲線

圖7所示為5榀墻體的骨架曲線。由圖7各片墻體的骨架曲線對比可知：

圖7 各墻體骨架曲線Fig.7 Skeleton curves of ecological composite walls

(1)在低周反復(fù)荷載作用下，骨架曲線上有較為明顯的開裂點、屈服點、最大荷載點和極限位移點，即所有墻體模型都經(jīng)歷了彈性、彈塑性和極限破壞3個階段。

(2)骨架曲線正反向基本呈反對稱的形式，受拉承載能力和受壓承載能力基本相同，說明反復(fù)荷載作用下內(nèi)填塊材的裂縫趨于閉合，可繼續(xù)發(fā)揮作用。

(3)除XML-3生態(tài)復(fù)合墻體外，其余4榀墻體骨架曲線下降段較平穩(wěn)，具有持續(xù)的承載能力，砌塊在反復(fù)荷載作用下開裂、破壞，積極耗能，繼而肋格與外框依次發(fā)揮作用。XML-3的骨架曲線下降段較短，破壞較突然，這是因為植物纖維水泥基砌塊的抗壓強度遠大于其他4榀生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)填材料的強度，造成整個墻板剛度較大，砌塊、肋格與外框不能很好的協(xié)調(diào)工作。

3.4 特征荷載及特征位移

生態(tài)復(fù)合墻體受力過程中幾個關(guān)鍵特征點[10]定義如下：

開裂點：內(nèi)填砌塊與肋格之間的裂縫延伸較長，骨架曲線曲率有一定突變時所對應(yīng)的荷載。

屈服點：采用能量等值法[11]確定出面積相等點位置，此點對應(yīng)的荷載為屈服荷載。

墻體最大荷載點：取正反兩個加載方向上極限荷載絕對值的平均值。

極限位移：采用墻體最大荷載下降到85%或墻體最終破壞時相對應(yīng)位移。

5榀生態(tài)復(fù)合墻體的開裂點、屈服點、最大荷載點和極限荷載點4個特征點的荷載和相應(yīng)位移見表5。

從表5可以看出：

(1)5榀生態(tài)復(fù)合墻體開裂荷載由大到小的順序為ECW-7，XML-2，XML-3，ECW-1，XML-1，開裂位移由大到小的順序為XML-2，XML-3，ECW-7，XML-1，ECW-1。

(2)屈服荷載由大到小的順序為XML-3，XML-2，ECW-1，XML-1，ECW-7，屈服位移從大到小的順序為ECW-7，XML-1，ECW-1，XML-3，XML-2。

(3)最大荷載從大到小的順序為XML-3，XML-2，ECW-1，XML-1，ECW-7?？梢姡簝?nèi)填砌塊的抗壓強度是影響墻體最大荷載的主要因素，XML-3生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)填的植物纖維水泥基砌塊的抗壓強度最大，ECW-1，XML-2，XML-1這3榀墻體的內(nèi)填砌塊的抗壓強度相近，最大荷載也相差不大；ECW-7墻體為內(nèi)填純植物纖維棉花秸稈砌塊，砌塊抗壓強度也較小，但與混凝土肋格的連接性能較差，所以墻體的最大荷載也較其他4榀墻體小得多。最大荷載處位移從大到小的順序為ECW-7，XML-1，ECW-1，XML-3，XML-2，5榀墻體的最大位移相差較大。

(4)極限荷載從大到小的順序為XML-3，ECW-1，XML-2，XML-1，ECW-7。ECW-7極限位移最大，XML-3的最小，原因是棉花秸稈砌塊的彈性模量較小，而植物纖維水泥基砌塊的彈性模量較大。

綜上所述，內(nèi)填砌塊的抗壓強度，抗裂能力、彈性模量、與肋格的連接性能這幾個因素是影響生態(tài)復(fù)合墻體特征荷載和特征位移的主要因素，且這幾個因素之間的作用會相互耦合，共同影響生態(tài)復(fù)合墻體的受力性能。

3.5 位移延性和相對變形量

延性系數(shù)是衡量結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的一個指標(biāo)，相對變形量是衡量其變形能力的一個指標(biāo)。

位移延性系數(shù)通常是指骨架曲線下降到0.85Fmax時所對應(yīng)的位移與屈服位移的比值，其表達式為

式中：μ為結(jié)構(gòu)的破壞位移延性系數(shù)；Δu為極限位移；Δy為屈服位移，屈服點位置可按面積互等法[11]確定。定義相對變形量為Δ/H，其中，Δ是生態(tài)復(fù)合墻體頂端的側(cè)向位移；H為生態(tài)復(fù)合墻體的高度。延性系數(shù)和相對變形量見表6。由表6可得：

(1)5榀生態(tài)復(fù)合墻體的位移延性系數(shù)在2.3～5.1之間，除XML-3復(fù)合墻體外，其余生態(tài)復(fù)合墻體都具有良好的延性，其延性從大到小的順序為XML-2，ECW-7，ECW-1，XML-1，XML-3。

(2)XML-3的延性系數(shù)最低，僅為2.3。根據(jù)延性系數(shù)的定義，影響延性系數(shù)的極限位移和屈服位移，對于XML-3復(fù)合墻體，一方面墻體的屈服點較高，另一方面墻體的破壞很突然，當(dāng)荷載超過極限承載力時，墻體的塑性變形主要集中在外框柱，一旦外框的縱筋被拉斷，墻體立即破壞，而完好的內(nèi)填砌塊及肋格根本沒有發(fā)揮作用，墻體的承載力急劇下降造成墻體的延性較差。

(3)5榀生態(tài)復(fù)合墻體彈性階段的相對變形量(即彈性層間位移轉(zhuǎn)角)在1/1 167～1/560之間，表明在彈性階段，各墻體的變形能力相差不大。極限破壞時的相對變形量在1/137～1/18之間，這表明，生態(tài)復(fù)合墻體具有較好的彈塑性變形能力，一直到加載結(jié)束，都沒有出現(xiàn)墻體倒塌現(xiàn)象，具有較好的抗倒塌能力。

表5 墻體特征荷載和特征位移Table5 Characteristic loading and characteristic displacement of walls

表6 延性系數(shù)和位移相對變形量Table6 Ductility coefficient and relative deformation

綜上可知，生態(tài)復(fù)合墻體內(nèi)填砌塊的性能對墻體的延性有很大的影響，內(nèi)填砌塊的抗壓強度越高，變形性能越差，墻體的延性系數(shù)越低，在內(nèi)填砌塊抗壓強度相差不大的情況下，材料的彈性模量越小，墻體的變形能力越強。

3.6 剛度退化

為研究5榀不同內(nèi)填材料生態(tài)復(fù)合墻體在低周反復(fù)荷載作用下的剛度衰減變化規(guī)律，取往復(fù)荷載作用下每級循環(huán)加載的平均剛度Ki分析，表示如下：

圖8所示為5榀墻體的平均剛度退化曲線。

圖8 墻體剛度退化Fig.8 Rigidity degeneration of walls

由圖8可知：

(1)5榀墻體的剛度退化規(guī)律基本相同，剛度退化速度基本一致，衰減曲線總體趨勢是加載初期的剛度退化較快，隨著位移的增加，塑性變形的不斷發(fā)展，剛度衰減速度變慢，最后趨于平緩。整個剛度衰減比較均勻，沒有明顯的剛度突變。

(2)在試驗的過程中發(fā)現(xiàn)XML-3墻體各個內(nèi)填砌塊基本沒有出現(xiàn)明顯的長裂縫，在整個剛度退化過程中，內(nèi)填的植物纖維水泥基砌塊與肋格成為一個整體受力體，類似在外框內(nèi)填充了一個大的剛性砌塊，造成整個生態(tài)復(fù)合墻體的損傷主要集中在外框柱的拉壓區(qū)和墻板與基礎(chǔ)之間的滑移，所以XML-3未出現(xiàn)較平穩(wěn)的剛度下降段。

(3)XML-3的初始剛度最大，ECW-7的初始剛度最低。這是因為內(nèi)填的植物纖維水泥基砌塊的彈性模量達22 GPa，而秸稈泥坯的彈性模量很低僅有105 MPa，并且內(nèi)填棉花秸稈砌塊生態(tài)復(fù)合墻體的內(nèi)填砌塊與肋格的黏結(jié)較弱，加載初期砌塊未能較好的與肋格共同工作。

(4)ECW-7，XML-2，XML-1和ECW-1墻體達到極限破壞時的剛度相差不大，主要是因為墻體在彈塑性階段的末期，內(nèi)填砌塊幾乎都退出工作，全部的荷載都由肋梁、肋柱和外框承擔(dān)。

3.7 耗能能力

生態(tài)復(fù)合墻體在低周反復(fù)荷載作用下，加載時吸收能量，卸載時釋放能量，兩者之差即為墻體在一次循環(huán)中的耗能，其值等于一個滯回環(huán)所包圍的面積，在低周反復(fù)荷載作用下，滯回環(huán)面積受到強度和剛度退化的影響。目前，對構(gòu)件的耗能能力沒有統(tǒng)一的評價標(biāo)準，常用等效黏滯阻尼系數(shù)[12]和功比指數(shù)來表示。

表7所示為5榀生態(tài)復(fù)合墻體在屈服時墻體的耗能和墻體破壞前3個循環(huán)的耗能。

表7 生態(tài)復(fù)合墻體耗能Table7 Energy dissipation of walls kN/mm

從表7可以看出：

(1)同級位移下的3次循環(huán)中，由于生態(tài)復(fù)合墻體在反復(fù)荷載作用下?lián)p傷積累，后2次循環(huán)的耗能小于第1次循環(huán)，且前2次循環(huán)之間的耗能差明顯大于后兩次的。

(2)由于各墻體的屈服位移不同，在屈服階段，各榀墻體的平均耗能相差較大，其中XML-3最大，ECW-1最小，相差3～4倍。由于植物纖維水泥基砌塊的強度和彈性模量都較大，雖然墻體的屈服位移不大，但XML-3復(fù)合墻體的屈服荷載較其他幾榀墻體大的多。

(3)在破壞階段，ECW-7復(fù)合墻體的耗能最大，由于填充的棉花秸稈砌塊類似于一柔性耗能裝置，在加載階段后期也沒有出現(xiàn)剝落壓碎現(xiàn)象，仍然能夠與肋格及外框共同作用，消耗能量。

(4)從屈服階段到破壞階段，XML-2，ECW-1和ECW-7的耗能都成倍增長，破壞階段的耗能是屈服階段的3～4倍。XML-1和XML-3破壞階段的耗能只是屈服階段的2倍左右。

對5榀生態(tài)復(fù)合墻體計算其等效黏滯阻尼系數(shù)，結(jié)果見表8。

表8 生態(tài)復(fù)合墻體等效黏滯阻尼系數(shù)Table8 Equivalent viscous damping coefficient of walls

從表8可以看出：

(1)由于內(nèi)填材料的物理和力學(xué)性能差異，5榀生態(tài)復(fù)合墻體在各階段的等效黏滯阻尼系數(shù)有所不同，但除XML-3外，其余4榀墻體在屈服階段的等效黏滯阻尼系數(shù)基本接近，這是由于植物纖維水泥基砌塊的強度與彈性模量與其他4種材料的相差較大所致。

(2)在同一級控制位移下，隨著循環(huán)數(shù)的增加，等效黏滯阻尼系數(shù)有逐漸減小的趨勢。

(3)從屈服階段到破壞階段，由于損傷的累積，5榀墻體的等效黏滯阻尼系數(shù)都有不同程度的增大。

4 結(jié)論

(1)邊框柱和暗梁形成的隱形外框連接、約束著生態(tài)復(fù)合墻板，墻體在水平荷載作用下，砌塊、肋格、外框能相互作用，共同受力，能夠在試驗的彈性階段、彈塑性階段、破壞階段依次發(fā)揮作用，使生態(tài)復(fù)合墻體具有多道抗震防線。

(2)XML-1，XML-2，ECW-1和ECW-7復(fù)合墻體在壓、彎、剪作用下發(fā)生“強柱弱板”剪切型破壞，XML-3的破壞模式屬于“強板弱柱”彎曲型破壞。

(3)內(nèi)填砌塊的抗壓強度，抗裂能力、彈性模量、與肋格的黏結(jié)能力是影響生態(tài)復(fù)合墻體特征荷載和特征位移的主要因素，且這些因素之間的作用會相互耦合，共同影響墻體的受力性能。

(4)墻體在彈塑性階段受力過程中，水平荷載均呈較平緩的上升趨勢。XML-3復(fù)合墻體骨架曲線下降段較短，剛度退化速度較快，其余4榀墻體的骨架曲線的延伸段較長，剛度退化都較平緩。

(5)5榀墻體在反復(fù)荷載作用下，從屈服階段到破壞階段，各墻體的等效黏滯阻尼系數(shù)都有較明顯的增大，都具有較強的耗能能力。

(6)墻體破壞后，5榀墻體的層間位移角為1/137～1/18，均未出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象，抗倒塌能力較強。

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