裝配式混凝土砌塊填充墻RC框架結構抗震性能試驗研究

黃 靚 滕瀚思 施楚賢 呂博東

（1.湖南大學綠色先進土木工程材料及應用技術湖南省重點實驗室，長沙410082；2.貴州省建筑廢棄物裝配式墻體工程技術中心，安順561000）

0 引 言

砌塊填充墻有造價低、可就地取材、隔火隔熱和隔音性能好等優(yōu)點，在全世界廣泛使用。填充墻能提高RC 框架結構抗側剛度、滯回耗能能力以及水平承載力［1］。

RC 框架填充墻抗震性能受到構造措施［2］、砌塊類型［1］、墻體規(guī)則程度［3-4］等因素影響。而不同墻-框架連接方式對抗震性能影響極大，墻柱剛性連接比柔性連接更能提高結構抗震承載力［5］。但填充墻與框架梁共同作用，可能使得框架結構產生薄弱層、扭轉破壞，以及強梁弱柱［6］。此外，采用柔性連接時，砌體填充墻對混凝土框架的承載力、變形性能、剛度、耗能等的影響明顯降低［7］。故設計填充墻時應著重考慮連接方式。

以上針對傳統(tǒng)砌塊墻抗震性能已被廣泛研究，但傳統(tǒng)人工砌筑的方式不符合建筑工業(yè)化要求。為發(fā)揮利用砌塊墻的優(yōu)勢，歐洲研發(fā)了用砌墻機砌筑的裝配式砌塊墻［8-10］（圖 1）。Rogatzki Paul［9］總結了歐洲自 21 世紀初以來對裝配式砌塊墻運輸、設計、施工、吊裝等一系列試驗研究和工程應用。

圖1 砌墻機Fig.1 Building Machine

不同于傳統(tǒng)砌塊墻，裝配式砌塊填充墻施工流程為：①設置框架柱（剪力墻）鋼筋籠；②裝配式墻體吊裝；③設置梁鋼筋籠；④澆筑框架。由于裝配式砌塊墻是整墻吊裝，為方便施工，設計成無馬牙槎，研究表明，不論是否有馬牙槎，約束填充墻均相比普通墻均有所改善［11］。

歐洲的規(guī)范與中國不一樣，特別是德國等地區(qū)是非抗震區(qū)，故其裝配式砌塊墻體系不適合我國，主要體現在連接方式為緊貼、無鋼筋拉結等構造措施，難以滿足中國抗震要求。

在國內，哈工大研究團隊研究了預制配筋砌塊墻建房子，探索該類墻體的預制、裝配等施工工藝［12-13］。但是該項目研究空心砌塊剪力墻，并且采用現場砌筑。對于裝配式砌塊填充墻，國內鮮有研究。

為此，課題組研發(fā)了裝配式混凝土砌塊墻填充（圖2），并采用自研發(fā)的高精互鎖砌塊（圖3），砌塊墻無豎向灰縫，砌墻機可實現半自動砌筑并自動鋪設水平灰縫（圖4）。

圖2 裝配式混凝土砌塊填充墻Fig.2 Prefabricated concrete block filling wall

圖3 高精互鎖砌塊示意圖Fig.3 Diagram of high-precision interlocking block

圖4 自動鋪漿裝置Fig.4 Automatic masonry mortar device

本文對6 榀裝配式混凝土砌塊填充墻框架、空框架和普通混凝土空心砌塊填充墻框架進行低周反復加載試驗，研究不同連接方式及梁類型對裝配式混凝土砌塊填充墻的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試件設計參考《抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）［14］的要求，設計并制作 6 榀 1：2 比例縮尺試件。砌塊采用高精互鎖砌塊和普通小型空心砌塊，砌塊強度為MU5，砂漿設計強度Mb5。施工過程為：①預埋柱鋼筋籠并澆筑底梁；②吊裝墻體至底梁上；③設置梁鋼筋籠（吊裝疊合梁）；④澆筑梁柱；⑤養(yǎng)護后拆模。

框架混凝土的設計強度等級為C30，實測值為30.6 MPa。柱配筋率2%，設計軸壓比0.30，實際施加的軸壓力為200 kN。梁縱筋配筋率1.16%。梁、柱混凝土保護層厚度30 mm，底板高300 mm，保護層厚度20 mm。設計參數見表1，詳圖見圖5-圖9。材料實測力學性能見表2。

圖5 試件幾何尺寸及配筋（單位：mm）Fig.5 Dimensions and steel detailing of specimens（Unit：mm）

表1 試驗墻體基本參數Table 1 Basic parameters of specimens

圖6 墻片與框架柱連接方式Fig.6 Connection of frame column and walls

1.2 試驗方案

1.2.1 加載設備

試驗采用三通道加載裝置加載，水平加載力的作用線位于試件柱的1/2 處。為保證頂端不產生滑移，試件頂端與L 型鋼梁通過鋼帽連接。詳見圖10。

1.2.2 加載方案

參考《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）［15］的要求，采用用力-位移加載制度，具體加載方案如下：

圖7 疊合梁尺寸（單位：mm）Fig.7 Dimensions of laminated beam（Unit：mm）

圖8 墻梁連接（單位：mm）Fig.8 Wall beam connection（Unit：mm）

試件屈服前采用力加載，屈服后采用位移加載，位移增量為開裂位移的整數倍，每級荷載循環(huán)三次。當結構承載力下降到極限承載力的85%時，認定試件破壞。

試驗過程中最大水平位移為24 mm，加載裝置L 型鋼梁高2 180 mm，裝置設置軸向恒力為200 kN，故豎向作動器最大水平分力為24 mm/2 180 mm×200 kN=2.2 kN，可忽略不計。

1.2.3 測量方案

為測量水平方向應變，分別在試件1/2高度處放置位移計LVDT2，梁兩端中心放置位移計LVDT3 和LVDT4；為了測底梁的水平位移和豎向翹曲，分別放置LVDT1、LVDT5 和 LVDT6；為監(jiān)測試件平面外位移，在垂直于試件平面處設置LVDT7。同時，在測量梁柱結點等關鍵位置設置了應變片，測量其應變。位移計和應變片布置見圖11。

2 試驗現象

2.1 空框架試件K1

60 kN 時，柱子下端出現橫向裂縫，梁出現斜裂縫，此時位移為4 mm（層間位移角1/365＞1/550），達到彈塑性階段。8 mm 時右柱下端靠近中部位置出現多條微小水平裂縫；達到16 mm 過程中，當位移增大時，力幾乎不增加，左柱底部出現保護層脫離現象；20 mm 時，右柱上端與梁連接的內側出現微小裂縫；24 mm 時，右柱外側下端水平裂縫增多，保護層脫離，梁兩端原有裂縫貫穿，承載力低于極限承載力的85%。最終破壞形態(tài)見圖 12（a）。

2.2 普通空心砌塊填充墻試件K2

120 kN 時，墻背面右上角出現第一條斜裂縫，位移為2 mm（層間位移角1/630）左右，回到0時殘余變形-0.2 mm。160 kN 時，側向位移達到3.7 mm，曲線出現明顯拐點，采用位移加載。10 mm（層間位移角1/125）時，填充墻形成十字形裂縫，此時達到峰值應力260 kN。18 mm 時，墻體兩面砌塊大片脫落，柱底出現2道水平裂縫。20 mm（層間位移角1/73）時，兩個柱角出現斜裂縫，兩端梁柱節(jié)點混凝土鼓起，右側柱子斜裂縫貫通，柱子剪壓破壞。最終破壞形態(tài)見圖12（b）。

2.3 墻柱鋼筋連接裝配式砌塊填充墻試件K3

140 kN 時，墻體中間出現第一道左上角至右下角的斜裂縫，且左柱的梁柱節(jié)點處混凝土出現裂縫，裂縫延伸至墻體，此時鋼筋應變數據顯示，梁左端下部縱向鋼筋應變最大。位移計顯示墻體位移3.8 mm（層間位移角1/384＞1/550），認為達到開裂荷載。8 mm 時，墻上2 道局部裂縫壓碎脫落并形成小孔，梁柱節(jié)點處混凝土出現斜裂縫，墻體斜裂縫延伸并接近右下柱腳。12 mm 時梁下端墻體有大量橫向裂縫，將梁與墻體脫開；16 mm時，柱底出現3道橫向裂縫，墻中間裂縫繼續(xù)延伸，20 mm 時，墻左上部大量砌塊脫落，形成倒三角空隙；24 mm 時墻片X 型裂縫的砌塊脫落，柱下端出現多道橫向裂縫。最終破壞形態(tài)見圖12（c）。

2.4 墻柱鋼絲繩連接裝配式砌塊填充墻試件K4

120 kN（3 mm）時，梁上端出現2條豎向裂縫，梁柱節(jié)點處出現斜裂縫；140 kN（4.2 mm，層間位移角1/348）時，曲線出現拐點，墻片出現斜裂縫；8 mm 時，已有斜裂縫延伸，并出現多條斜裂縫，墻片頂部砂漿有脫離現象；12 mm 時，斜裂縫延伸至柱腳，柱子下段出現4 條水平裂縫，此時，墻右上角脫落并出現空間；16 mm 時，柱下端出現水平裂縫，此時柱下端和梁端應變均很大；24 mm 時承載力達到極限承載力85%以下。最終破壞形態(tài)見圖12（d）。

圖9 試件尺寸和細節(jié)（單位：mm）Fig.9 Dimensions and details of specimens（Unit：mm）

圖10加載裝置示意圖Fig.10 Test setup

表2 鋼筋力學性能Table 2 Mechanical properties of steel bars

表3 混凝土及砂漿力學性能Table 3 Concrete and mortar mechanical properties

圖11 應變片和位移計布置Fig.11 Arrangement of strain gauges and displacement transducers

2.5 墻柱鋼筋連接疊合梁試件K5

160 kN 時填充墻出現多道左上至右下的斜裂縫，梁右側出現5 道貫穿正反面的豎向裂縫，此時位移3.8 mm（層間位移角1/384＞1/550），滯回曲線出現明顯拐點；8～12 mm 期間，填充墻多個部位出現局部孔洞，孔洞多出現在中部區(qū)域，12 mm時砌塊沿著左柱脫落，柱子與墻體呈分離趨勢；16 mm 時正面大片砌塊脫落；20 mm 時梁柱節(jié)點砌塊受壓明顯，此時梁有較明顯的鼓起。最終破壞形態(tài)見圖12（e）。

圖12 試件最終破壞情況Fig.12 Final damage of the specimens

2.6 墻柱鋼絲繩連接疊合梁試件K6

140 kN 時墻背面左上角梁柱節(jié)點，有斜裂縫，并延伸至墻體。160 kN（3.4 mm，層間位移角1/430）時，墻體出現多道斜裂縫，梁一端出現5 道豎向貫通裂縫，左端節(jié)點出現長條斜裂縫。8 mm時，斜裂縫增多，并往柱腳延伸；12 mm 時，柱與墻體間出現脫離趨勢；16 mm 時，斜裂縫連成一條線，柱下段出現橫向裂縫；20 mm 時，柱下端出現多道橫向裂縫，墻體正面大片脫落；24 mm 時，左柱柱腳受壓局部壓碎。最終破壞形態(tài)見圖12（f）。

3 試驗結果分析

3.1 滯回曲線

試驗滯回曲線見圖13，由圖可得：

（1）圖中可以看出，試驗剛開始，滯回環(huán)呈狹長狀，接近一條直線，試件基本呈彈性狀態(tài)。達到彈塑性階段后，滯回環(huán)呈梭形，包圍面積明顯增大，說明耗能明顯。

（2）對比空框架試件K1 和帶墻體框架試件，空框架的初始剛度和最大承載力更小，這是因為沒有墻體提供側向剛度和受力。同時，帶墻體試件的滯回曲線比空框架試件K1 的滯回曲線更飽滿，說明墻體參與了耗能。

（3）普通砌塊填充墻試件K2比裝配式砌塊填充墻試件初始斜率和最大承載力更大，因為墻柱連接處剛度更大。但承載力下降迅速，這是由于裂縫展開更快，導致墻體退出工作也更快。

（4）彈性層間位移角為開始出現初始裂縫時的位移角?？湛蚣茉嚰?、普通砌塊填充墻和裝配式砌塊填充墻彈性層間位移角為1/365、1/630、1/430-1/348，按 GB 50011—2010［14］規(guī)定，鋼筋混凝土框架彈性層間位移角為1/550，可以看出裝配式混凝土砌塊填充墻滿足規(guī)范要求，接近空框架K1，而普通砌塊填充墻有超過規(guī)范規(guī)定限值的風險。

3.2 骨架曲線

試驗骨架曲線見圖14，可見：

（1）從骨架曲線初始斜率和極限峰值相比，帶墻體試件峰值荷載是空框架試件峰值荷載的180%。說明砌塊填充墻明顯增大了框架結構的承載力。

（2）填充墻框架試件更早達到極限強度，墻體一旦開裂破碎，結構整體承載力迅速下降，而后框架結構開始承擔主要荷載，其承載能力仍略高于空框架結構承載能力。

圖13 滯回曲線Fig.13 Hysteresis curves of specimens

（3）普通空心砌塊填充墻試件K2峰值荷載是其他試件峰值荷載的140%，但墻體開裂退出工作后，結構承載力迅速下降，表明墻體很快退出工作，同時說明了試件延性較差。

（4）試件 K3 和試件 K4、試件 K5 和試件K6 對比，鋼筋連接構件最大承載力是鋼絲繩連接構件最大承載力的115%，這是因為在墻柱連接上，鋼筋連接采用混凝土填充，比采用砂漿填充的鋼絲繩連接方式剛度更大，提高了試件承載力。

圖14 骨架曲線Fig.14 Skeleton curves of specimens

（5）試件 K3 和試件 K5 對比、K4 和 K6 對比，兩者骨架曲線相近，說明是否有疊合梁對試件骨架曲線的影響不大，因此配合疊合梁的施工方式，可免去使用梁底模，僅用少量側模。

3.3 延性系數

對非承重構件，延性系數是衡量構件結構在強震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌的重要指標，定義為其中Δd為墻體的破壞位移，即為承載下降到峰值荷載的85%時對應的位移值；Δy為墻體的開裂位移。試件的位移延性系數μ見表4，可見：

（1）空框架試件K1 延性系數是帶墻體試件的延性系數的1.24 倍，這是因為砌塊墻是脆性材料，會降低試件延性。

（2）裝配式混凝土砌塊填充墻試件延性系數是普通空心砌塊填充墻試件延性系數的1.21 倍，說明裝配式砌塊填充墻試件延性更好，在地震中能保持更大的變形而不倒塌。因為對比傳統(tǒng)砌塊填充墻和裝配式砌塊填充墻，由于傳統(tǒng)有豎向灰縫的砌塊連接形式受力破壞時，灰縫斷開，使得砌塊分離，傳力受影響；而互鎖砌塊在受力時，會越來越緊，故能長時間承力，故其延性會提高。

（3）試件K3 與試件K5、試件K4 與試件K6 延性系數對比發(fā)現，鋼絲繩連接的構件延性系數是鋼筋連接的構件延性系數的1.05～1.12 倍，這是由于砂漿填充的墻柱界面在震動過程中脫開，從而使墻體對框架結構的約束減弱，提高了延性。

表4 試件各階段延性系數Table 4 Ductility coefficients of each stage of specimens

3.4 剛度退化

剛度退化曲線見圖15，由曲線可得：

（1）普通砌塊填充墻框架試件K2的初始剛度最大，但其剛度退化速率最快，在6 mm 左右達到與其他填充墻試件一樣的剛度；空框架試件K1初始剛度比有填充墻的試件初始剛度小。在加載終止時，帶墻體試件和空框架試件K1的側向剛度基本接近，表明此時填充墻已破壞，基本退出工作。

（2）填充墻試件側向剛度是空框架試件初始剛度的2.25 倍以上。普通空心砌塊填充墻試件K2 的初始側向剛度比裝配式混凝土砌塊填充墻試件K3、試件K4 初始剛度稍大，但隨著位移增加，K2 剛度退化曲線下降更迅速，并且后期側向剛度低于K5，與K4和K6相近。

圖15 剛度退化曲線Fig.15 Curves of stiffness degradation

（3）試件 K3 與試件 K5、試件 K4 與試件K6 相比，兩者初始剛度相近，而鋼筋連接試件的剛度曲線下降速度稍快于鋼絲繩連接試件。

（4）曲線中，后期疊合梁試件K5、試件K6 的側向剛度維持最好，但與試件K3、試件K4 相近，表明是否采用疊合梁對裝配式混凝土砌塊填充墻剛度影響不大。

4 結論及建議

通過對6 個單層單跨試件抗震性能試驗研究，得到以下結論：

（1）裝配式混凝土砌塊填充墻抗震性能較傳統(tǒng)空心砌塊填充墻更優(yōu)，前者延性是后者1.24倍，前者墻體裂縫均呈現X 型，產生剪切破壞和局部受壓破壞；后者為局部X 裂縫，產生明顯斜桿效應，容易產生強梁弱柱破壞。表明裝配式混凝土砌塊填充墻受力更均勻，并且對框架結構內力分布更有利。

（2）傳統(tǒng)有豎向灰縫的砌塊連接形式受力破壞時，灰縫開裂，使得砌塊分離，傳力受影響。無豎向灰縫的砌塊連接改變了墻體的傳力模式，使墻體的破壞過程經歷了從整墻受力到墻柱組合體受力，降低了墻體脆性發(fā)生破壞程度，提高延性和耗能能力。

（3）采用疊合梁對裝配式混凝土砌塊填充墻抗震性能無影響，對比現澆梁，兩者延性系數、骨架曲線和剛度退化曲線相近。故可采用吊裝墻體后，在墻體上放置疊合梁的施工方法，可簡化支模工序，提升施工效率。