帶節(jié)能砌體填充墻的RC框架抗震試驗研究

黃靚　易宏偉　王輝　蔣文龍

摘要：為了研究帶節(jié)能砌體填充墻的RC框架抗震性能，本試驗設計了兩個兩層單跨的RC框架結構模型，分別為帶填充墻的RC框架和不帶填充墻的空框架，并對其進行了擬靜力試驗.對帶填充墻的RC框架的裂縫開展進行了描述，研究了試件的滯回特性、骨架曲線、剛度退化和強度退化，并和空框架進行了對比分析.分析結果表明：填充墻能夠提高框架的承載能力和抗側剛度，但是相應地降低了框架結構的延性；填充墻的存在使得框架結構的強度和剛度退化加快，然而，帶填充墻框架的極限剛度仍然較大，表現(xiàn)出較強的抗倒塌能力.

關鍵詞：框架；節(jié)能；砌體；填充墻；擬靜力試驗；抗震性能

中圖分類號：TU375.4 文獻標識碼：A

填充墻作為框架結構中的非結構構件，設計中并未充分考慮其對框架結構的影響，然而，其對框架結構抗震性能的影響卻不容忽略[1-4].國內外研究者在這方面做了重要的工作[3，5-7]，其中土耳其的Marjani等人使用低周反復荷載對6個兩層單跨帶填充墻的框架進行了試驗和有限元模擬研究.研究表明：填充墻能夠極大地提高框架的強度和剛度.黃群賢等人對4榀單層單跨填充墻RC平面框架試件進行抗震性能試驗，試驗表明：不同砌塊填充墻對框架結構具有明顯的剛度效應.研究者主要針對平面框架進行研究，對帶填充墻的三維立體框架（以下簡稱立體框架）研究較少，而立體框架充分反應了平面框架之間的受力協(xié)調能力，其受力機制能夠更好地代表整體結構的特性，因此對立體框架的進一步研究很有必要.墻體節(jié)能在建筑節(jié)能中占有重要的地位，因此節(jié)能砌塊被選為本文的墻體材料.本文對帶節(jié)能砌體填充墻（以下簡稱填充墻）的框架結構與空框架進行對比試驗研究，從而得到節(jié)能砌體填充墻對框架結構的滯回特性、承載力、抗側剛度以及強度的影響規(guī)律，并從受力機制方面揭示了節(jié)能砌塊填充墻與框架的共同工作原理.

1試驗概況

1.1 試件設計與制作

試件設計參考《抗震設計規(guī)范》（GB500112010）[8]的要求，共設計了2個單跨立體框架，其中一個為不帶填充墻的空框架，另一個為帶填充墻的RC框架，編號分別為CF1和CF2.試件CF2研究帶填充墻框架結構的抗震性能，試件CF1用作對比.

試件根據(jù)相似理論按照1∶4比例縮尺設計而成.兩試件的框架部分幾何尺寸及配筋完全相同，柱截面尺寸為150 mm×150 mm，梁為70 mm×100 mm，基礎采用0.4 m厚的底板，板平面尺寸為2.0 m×2.0 m，砌體與框架柱之間每隔600 mm配置了2A6的拉筋，框架幾何尺寸及截面配筋如圖1所示.

梁柱縱筋、箍筋均采用HRB335，考慮試件為縮尺模型，鋼筋強度按略低于《混凝土結構設計規(guī)范》（GB500102010）[9]的要求進行設計，混凝土強度為C30，材料實測力學性能見表1，砌塊采用多排孔節(jié)能砌塊，砌塊標準塊型幾何尺寸為190 mm×190 mm×115 mm，強度等級采用MU5，單塊砌塊的抗壓強度為6.5 MPa，砂漿立方體抗壓強度為4.6 MPa，考慮模型縮尺的影響，砌塊厚度切割成標準塊厚度的1/4，模擬1/4砌體墻厚，多排孔節(jié)能砌塊砌體如圖2所示.

1.2試驗方案

1.2.1測點布置與數(shù)據(jù)采集

試件的位移測點設在底板、1層和2層層頂，底板和1層各布置了兩個量程為50 mm的位移計，2層布置了兩個量程為100 mm的位移計，每層的側向位移取兩個位移的平均值，在各層的關鍵部位設置了鋼筋電阻應變片，柱的應變片布置在各層的柱底與柱頂，梁的應變片布置在梁的兩端.

試驗過程中的量測儀器主要為DH3818靜態(tài)應變采集儀，可讀取應變片的應變值及位移傳感器的量測數(shù)值，加載作動器的水平位移、水平荷載由電伺服加載系統(tǒng)（MTS）測得，并利用采集的荷載和頂點位移數(shù)值繪制試件的滯回曲線.試驗中，人工觀察裂縫出現(xiàn)時對應的力和位移，及時標注在試件上的相應位置.

1.2.2加載裝置

加載裝置見圖3，圖3兩試件均采用同樣的加載裝置.試件底板水平方向用千斤頂和鋼梁固定，豎直方向由鋼壓梁和地腳螺栓固定.豎向荷載由液壓千斤頂加載，通過工字鋼和混凝土頂梁把荷載平均分配到各框架柱的頂部；水平荷載由量程為1 000 kN的電液伺服作動器加載，通過鋼梁傳遞到試件上，在試件與鋼梁之間用矩形鋼墊塊確保加載中心點位于第二層柱頂，拉力由圓鋼拉桿傳遞.

1.2.3加載方案

本試驗模擬15層混凝土框架結構的底部兩層地震反應.加載方案參照《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJl01-96）[10]，首先施加豎向力，用以模擬上部13層的重力及樓屋面荷載.計算得到的柱軸壓比約為0.25，控制液壓油泵，使得軸壓比為0.25，等豎向壓力穩(wěn)定后再進行水平預加載.試驗的水平加載程序分為預加載和正式加載兩個階段，正式加載采用分級循環(huán)對稱加（卸）載.在試件開裂前采用荷載控制加載，每級荷載循環(huán)一次，試件出現(xiàn)裂縫后，每級位移增量為一倍開裂位移，每級位移循環(huán)兩次，直至試件破壞或者降至最大荷載的85%，終止試驗.

2試驗過程

本試驗主要研究的是帶節(jié)能砌體填充墻框架結構的抗震性能，根據(jù)試驗現(xiàn)象，試件破壞過程按照裂縫開展的特點可分為三個階段：開裂階段、裂縫開展階段和破壞階段.

試件CF1：當水平推力加到57 kN時，一層框架柱的柱底部出現(xiàn)一條微小的橫向裂縫，此時的位移值為6 mm.之后改變加載制度，用位移進行控制，每一級位移的增量為6 mm.隨著位移的進一步增大，在底層梁的端部開始出現(xiàn)了細小的裂縫.當位移加到18 mm時，二層柱頂出現(xiàn)裂縫，柱腳的裂縫進一步發(fā)展貫通.位移加到20 mm之后，荷載增長速度明顯減慢，裂縫進一步發(fā)展，梁兩端出現(xiàn)了大量的裂縫.當位移加到55 mm時，水平荷載明顯下降.此時，框架柱腳的混凝土有局部脫落的現(xiàn)象，繼續(xù)加載，當最終荷載降為最大荷載的85%時，即認定框架已經達到了極限狀態(tài)，此時柱腳已經完全被壓碎剝落，出現(xiàn)明顯的破壞跡象，試件CF1停止加載.最終破壞如圖4所示.

試件CF2：當水平推力加到118 kN時，一層框架梁端部及填充墻出現(xiàn)一條微小的斜裂縫，此時的位移值為6 mm.之后改變加載制度，用位移進行控制，每一級位移的增量為6 mm.隨著位移的進一步增大，當位移加到10 mm時，二層柱頂以及梁中部出現(xiàn)裂縫，填充墻的裂縫進一步發(fā)展.位移加到20 mm之后，水平荷載明顯下降，此時，填充墻出現(xiàn)大量的階梯型裂縫，同時一層柱中下部及二層柱頂也出現(xiàn)大量的裂縫.繼續(xù)加載，當最終荷載降為最大荷載的85%時，即認定框架已經達到了極限狀態(tài)，此時填充墻出現(xiàn)較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，試件CF2停止加載.最終破壞如圖5所示.

3.3剛度退化

在位移幅值不變的條件下，結構構件的剛度隨反復加載的次數(shù)增加而降低的特性即為剛度退化.結構剛度的退化即為結構性能的退化.在試驗過程中，裂縫的增多、位移的增大以及循環(huán)次數(shù)的增加都會導致結構剛度的退化，試驗的剛度參照 《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[10]的割線剛度法進行計算，剛度退化試驗結果見圖8和表3.

4受力機制分析

從受力方面分析，CF1在承受水平推力時，由于水平力全部是由柱腳傳給基礎，框架柱的柱腳將產生較大的剪力和彎矩，而框架梁主要是受壓以及梁柱節(jié)點的變形而產生較小的彎矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同時也先破壞.CF2在水平力的作用下，由于填充墻的支撐作用分擔了部分水平力，從而提高了框架的承載能力，同時由于填充墻對框架的約束效應使得框架的變形能力變差.CF2與CF1比較，從柱上的裂縫分布情況看，柱中下部裂縫明顯增多，且柱腳并沒有出現(xiàn)明顯的破壞跡象.這主要是因為填充墻改變了框架柱的內力分布，使得框架的破壞從剪切型向彎曲型過渡，同時柱腳得到了保護，使得柱腳并未出現(xiàn)明顯的破壞跡象.砌體抗剪強度大于砂漿抗剪強度且砌體本身具有明顯的脆性，因此試驗中填充墻上出現(xiàn)了沿砂漿灰縫較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎的現(xiàn)象.

5結論

通過對兩個框架結構的抗震試驗研究，得出下列結論：

在RC框架結構中，節(jié)能砌體填充墻能夠提高框架的承載能力，但是相應降低了框架結構的延性，其中試驗中帶砌體填充墻的框架承載力為空框架的1.87倍，延性系數(shù)只有空框架的60%.

在同一位移條件下，帶節(jié)能砌體填充墻的框架滯回曲線飽滿，說明填充墻提高了框架的整體耗能能力，同時填充墻比框架先退出工作，為框架多提供了一道抗震防線，從而提高了框架的抗震能力.

節(jié)能砌體填充墻對框架的約束效應使得框架結構的側移減小，從而保證框架的側移能夠更好地滿足規(guī)范要求，其中試驗中結構的屈服位移、峰值位移和極限位移都下降了40%左右.

節(jié)能砌體填充墻可以大幅度增加框架結構的初始剛度，試驗中其初始剛度為空框架的2.3倍.雖然帶填充墻的框架剛度退化較快，但是其極限剛度依然較大，仍具備較強的抗倒塌能力.

由于砌體的脆性特質以及填充墻的大量開裂，使得帶節(jié)能砌體填充墻的框架強度退化較空框架嚴重，然而其強度退化系數(shù)始終保持在0.9以上，說明其強度退化程度較小，因此可以推斷，試件在破壞后仍保持了較高的繼續(xù)承載能力.

參考文獻

[1]郭子雄，吳毅彬，黃群賢.砌體填充墻框架結構抗震性能研究現(xiàn)狀與展望[J].地震工程與工程震動，2008，28（6）： 172-177.

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[13]XIAO J Z， SUN Y D， FALKNER H. Seismic performance of frame structures with recycled aggregate concrete[J]. Engineering Structures， 2006，28（1）：1-8.

試件CF2：當水平推力加到118 kN時，一層框架梁端部及填充墻出現(xiàn)一條微小的斜裂縫，此時的位移值為6 mm.之后改變加載制度，用位移進行控制，每一級位移的增量為6 mm.隨著位移的進一步增大，當位移加到10 mm時，二層柱頂以及梁中部出現(xiàn)裂縫，填充墻的裂縫進一步發(fā)展.位移加到20 mm之后，水平荷載明顯下降，此時，填充墻出現(xiàn)大量的階梯型裂縫，同時一層柱中下部及二層柱頂也出現(xiàn)大量的裂縫.繼續(xù)加載，當最終荷載降為最大荷載的85%時，即認定框架已經達到了極限狀態(tài)，此時填充墻出現(xiàn)較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，試件CF2停止加載.最終破壞如圖5所示.

3.3剛度退化

在位移幅值不變的條件下，結構構件的剛度隨反復加載的次數(shù)增加而降低的特性即為剛度退化.結構剛度的退化即為結構性能的退化.在試驗過程中，裂縫的增多、位移的增大以及循環(huán)次數(shù)的增加都會導致結構剛度的退化，試驗的剛度參照 《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[10]的割線剛度法進行計算，剛度退化試驗結果見圖8和表3.

4受力機制分析

從受力方面分析，CF1在承受水平推力時，由于水平力全部是由柱腳傳給基礎，框架柱的柱腳將產生較大的剪力和彎矩，而框架梁主要是受壓以及梁柱節(jié)點的變形而產生較小的彎矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同時也先破壞.CF2在水平力的作用下，由于填充墻的支撐作用分擔了部分水平力，從而提高了框架的承載能力，同時由于填充墻對框架的約束效應使得框架的變形能力變差.CF2與CF1比較，從柱上的裂縫分布情況看，柱中下部裂縫明顯增多，且柱腳并沒有出現(xiàn)明顯的破壞跡象.這主要是因為填充墻改變了框架柱的內力分布，使得框架的破壞從剪切型向彎曲型過渡，同時柱腳得到了保護，使得柱腳并未出現(xiàn)明顯的破壞跡象.砌體抗剪強度大于砂漿抗剪強度且砌體本身具有明顯的脆性，因此試驗中填充墻上出現(xiàn)了沿砂漿灰縫較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎的現(xiàn)象.

5結論

通過對兩個框架結構的抗震試驗研究，得出下列結論：

在RC框架結構中，節(jié)能砌體填充墻能夠提高框架的承載能力，但是相應降低了框架結構的延性，其中試驗中帶砌體填充墻的框架承載力為空框架的1.87倍，延性系數(shù)只有空框架的60%.

在同一位移條件下，帶節(jié)能砌體填充墻的框架滯回曲線飽滿，說明填充墻提高了框架的整體耗能能力，同時填充墻比框架先退出工作，為框架多提供了一道抗震防線，從而提高了框架的抗震能力.

節(jié)能砌體填充墻對框架的約束效應使得框架結構的側移減小，從而保證框架的側移能夠更好地滿足規(guī)范要求，其中試驗中結構的屈服位移、峰值位移和極限位移都下降了40%左右.

節(jié)能砌體填充墻可以大幅度增加框架結構的初始剛度，試驗中其初始剛度為空框架的2.3倍.雖然帶填充墻的框架剛度退化較快，但是其極限剛度依然較大，仍具備較強的抗倒塌能力.

由于砌體的脆性特質以及填充墻的大量開裂，使得帶節(jié)能砌體填充墻的框架強度退化較空框架嚴重，然而其強度退化系數(shù)始終保持在0.9以上，說明其強度退化程度較小，因此可以推斷，試件在破壞后仍保持了較高的繼續(xù)承載能力.

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試件CF2：當水平推力加到118 kN時，一層框架梁端部及填充墻出現(xiàn)一條微小的斜裂縫，此時的位移值為6 mm.之后改變加載制度，用位移進行控制，每一級位移的增量為6 mm.隨著位移的進一步增大，當位移加到10 mm時，二層柱頂以及梁中部出現(xiàn)裂縫，填充墻的裂縫進一步發(fā)展.位移加到20 mm之后，水平荷載明顯下降，此時，填充墻出現(xiàn)大量的階梯型裂縫，同時一層柱中下部及二層柱頂也出現(xiàn)大量的裂縫.繼續(xù)加載，當最終荷載降為最大荷載的85%時，即認定框架已經達到了極限狀態(tài)，此時填充墻出現(xiàn)較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎現(xiàn)象，試件CF2停止加載.最終破壞如圖5所示.

3.3剛度退化

在位移幅值不變的條件下，結構構件的剛度隨反復加載的次數(shù)增加而降低的特性即為剛度退化.結構剛度的退化即為結構性能的退化.在試驗過程中，裂縫的增多、位移的增大以及循環(huán)次數(shù)的增加都會導致結構剛度的退化，試驗的剛度參照 《建筑抗震試驗方法規(guī)程》[10]的割線剛度法進行計算，剛度退化試驗結果見圖8和表3.

4受力機制分析

從受力方面分析，CF1在承受水平推力時，由于水平力全部是由柱腳傳給基礎，框架柱的柱腳將產生較大的剪力和彎矩，而框架梁主要是受壓以及梁柱節(jié)點的變形而產生較小的彎矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同時也先破壞.CF2在水平力的作用下，由于填充墻的支撐作用分擔了部分水平力，從而提高了框架的承載能力，同時由于填充墻對框架的約束效應使得框架的變形能力變差.CF2與CF1比較，從柱上的裂縫分布情況看，柱中下部裂縫明顯增多，且柱腳并沒有出現(xiàn)明顯的破壞跡象.這主要是因為填充墻改變了框架柱的內力分布，使得框架的破壞從剪切型向彎曲型過渡，同時柱腳得到了保護，使得柱腳并未出現(xiàn)明顯的破壞跡象.砌體抗剪強度大于砂漿抗剪強度且砌體本身具有明顯的脆性，因此試驗中填充墻上出現(xiàn)了沿砂漿灰縫較寬的階梯型裂縫，并有部分砌塊出現(xiàn)壓碎的現(xiàn)象.

5結論

通過對兩個框架結構的抗震試驗研究，得出下列結論：

在RC框架結構中，節(jié)能砌體填充墻能夠提高框架的承載能力，但是相應降低了框架結構的延性，其中試驗中帶砌體填充墻的框架承載力為空框架的1.87倍，延性系數(shù)只有空框架的60%.

在同一位移條件下，帶節(jié)能砌體填充墻的框架滯回曲線飽滿，說明填充墻提高了框架的整體耗能能力，同時填充墻比框架先退出工作，為框架多提供了一道抗震防線，從而提高了框架的抗震能力.

節(jié)能砌體填充墻對框架的約束效應使得框架結構的側移減小，從而保證框架的側移能夠更好地滿足規(guī)范要求，其中試驗中結構的屈服位移、峰值位移和極限位移都下降了40%左右.

節(jié)能砌體填充墻可以大幅度增加框架結構的初始剛度，試驗中其初始剛度為空框架的2.3倍.雖然帶填充墻的框架剛度退化較快，但是其極限剛度依然較大，仍具備較強的抗倒塌能力.

由于砌體的脆性特質以及填充墻的大量開裂，使得帶節(jié)能砌體填充墻的框架強度退化較空框架嚴重，然而其強度退化系數(shù)始終保持在0.9以上，說明其強度退化程度較小，因此可以推斷，試件在破壞后仍保持了較高的繼續(xù)承載能力.

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