帶水平滑移層的空心磚填充框架抗震性能試驗(yàn)

蘇啟旺 ，李 義 ，卜慶濤 ，程權(quán)林 ，HANI Meree

（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都610031）

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是一種廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)形式，空心磚作為框架填充墻材料被廣泛應(yīng)用，然而因其孔洞率大、強(qiáng)度較低等原因，在地震作用下易于破壞[1-4]，填充墻的破壞影響了多遇或設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的可修復(fù)性能.既有關(guān)于減少地震作用下填充墻體破壞程度的構(gòu)造改進(jìn)措施主要有設(shè)置洞口、增設(shè)鋼板墻、增設(shè)耗能或阻尼裝置和與主體框架脫離等[5-12].

因填充墻組成材料各異，針對(duì)大孔洞率的空心磚的填充墻的研究還較少.為減小地震作用下框架空心磚填充墻的破壞，同時(shí)使其具備良好的經(jīng)濟(jì)和施工性能且趨近理想的填充材料，本文分析框架填充墻破壞模式，引入一種帶滑移層的填充墻，填充墻與主體框架采取剛性連接、設(shè)計(jì)制作了1榀傳統(tǒng)剛性連接的頁(yè)巖空心磚填充框架、1榀帶滑移層剛性連接的頁(yè)巖空心磚填充框架，因空心磚孔洞率較大，強(qiáng)度較低，為減少縮尺效應(yīng)影響，制作采用足尺比例，進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，對(duì)比研究了結(jié)構(gòu)殘余變形、填充墻破壞程度、耗能能力等.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

填充墻破壞有角部局部壓碎破壞、對(duì)角中部區(qū)域壓碎破壞、對(duì)角開(kāi)裂和滑移開(kāi)裂[13].前兩類(lèi)破壞通常發(fā)生于強(qiáng)框架弱填充物的結(jié)構(gòu)中，填充墻破壞較嚴(yán)重，如空心磚填充墻；后兩類(lèi)破壞則反之.

基于滑移開(kāi)裂的破壞模式，僅在空心磚填充墻水平磚縫中水平鋪設(shè)薄層柔性材料，墻體其他構(gòu)造均與常見(jiàn)的構(gòu)造保持相同，如填充墻與主體結(jié)構(gòu)連接為傳統(tǒng)剛接連接等.目的是讓填充墻在水平地震作用下形成沿薄層材料層的滑移開(kāi)裂，被薄層材料分隔的上下層砌體能發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，弱化斜撐作用，降低填充墻體的破壞程度，同時(shí)施工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì).試驗(yàn)薄層柔性材料為3 mm厚改性瀝青防水卷材，為減少尺寸效應(yīng)影響，試驗(yàn)采用1∶1足尺比例.

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩組試件，一組為傳統(tǒng)剛性連接的頁(yè)巖空心磚填充框架試件，一組為鋪設(shè)了兩層3 mm厚的改性瀝青防水卷材作為薄層滑移層的頁(yè)巖空心磚填充墻框架試件，分別命名為FIW-1和FIW-2，如圖1所示.

圖1 試件概況Fig.1 Overview of specimens

兩組試件的受力框架的混凝土等級(jí)為C30, 砂漿強(qiáng)度為M5.0，空心磚抗壓強(qiáng)度為MU3.5.柱為邊長(zhǎng)400 mm的方形截面；上部框架梁為寬200 mm、高450 mm 的矩形截面；板的寬度（含梁寬）為 1 000 mm，厚度為100 mm；基礎(chǔ)梁的尺寸為500 mm寬，高為600 mm.結(jié)構(gòu)梁、柱、基礎(chǔ)配置 HRB335 直徑 16 mm縱筋及 HPB300 直徑 8 mm 的箍筋[14].試驗(yàn)軸壓比均為0.25.試驗(yàn)中采用的墻體填充材料為240 mm ×200 mm × 110 mm 的輕質(zhì)頁(yè)巖空心磚，砌筑墻體時(shí)所采用的砂漿為混合砂漿，兩組試件均在同一批次施工澆筑.填充墻體與框架柱之間采用HPB300的拉結(jié)筋，按照豎向每隔500 mm的間距進(jìn)行布置.試件相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示.

表1 配筋信息Tab.1 Reinforcement information of specimens

表2 試件材料信息Tab.2 Material properties of specimens

1.2 加載信息

兩組試件基礎(chǔ)錨固于地面，水平力通過(guò)水平液壓千斤頂施加于頂部框架梁端處.軸向壓力通過(guò)豎向千斤頂施加于框架柱上，在水平加載過(guò)程中，豎向千斤頂保持恒定壓力，豎向千斤頂與支部鋼梁間設(shè)有可滾動(dòng)滑輪，保證試件受到水平側(cè)向力時(shí)可沿水平方向滑動(dòng).

試驗(yàn)采用擬靜力加載.試驗(yàn)力加載至試件出現(xiàn)裂縫后采用位移加載，按層間位移角（R）進(jìn)行控制，位移級(jí)數(shù)共12級(jí)，每級(jí)位移循環(huán)3次，位移加載從R= 0.25%開(kāi)始，每級(jí)增加0.25%直至層間位移角達(dá)到2.00%，超過(guò)2.00%以后，以0.50%為增量增加.當(dāng)試件加載至層間位移角4.00%或不能夠承受豎向荷載或其他不安全現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，加載停止.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

試驗(yàn)加載初期，試件FIW-1在試驗(yàn)加載第一級(jí)時(shí)就出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的裂縫，首條裂縫出現(xiàn)在框架柱上部框架梁交接角處的填充墻砂漿灰縫處，隨著加載的不斷增加，裂縫數(shù)量增加明顯，試件FIW-1出現(xiàn)的裂縫沿灰縫產(chǎn)生并以對(duì)角裂縫形式向外展開(kāi)，延伸至墻頂或底部，相交于墻體中部，呈X狀.試件FIW-2在力加載三級(jí)后才產(chǎn)生首條裂縫，首條裂縫出現(xiàn)在水平薄層柔性材料滑移層處，開(kāi)裂位移角為0.25%，試件FIW-2上的裂縫主要沿水平滑移層處開(kāi)展和延伸，最后裂縫形成水平貫通縫，將整個(gè)墻體水平分割成3個(gè)部分，每部分墻體局部近柱端出現(xiàn)部分水平裂縫，主要是由于填充墻受到柱水平側(cè)力所致.兩者比較，試件FIW-2墻體整體裂縫較少，兩試件在R=0.25%時(shí)裂縫開(kāi)展如圖2所示.

圖2 裂縫開(kāi)展Fig.2 Crack development of specimens

兩者在加載后期墻體剝落壓碎方面也存在差異.隨著加載的層間位移角不斷增大，填充墻開(kāi)始出現(xiàn)墻面剝落和壓碎的現(xiàn)象，當(dāng)層間位移角為0.25%時(shí)，試件FIW-1填充墻出現(xiàn)首塊空心磚表面剝落和壓碎的現(xiàn)象；而當(dāng)層間位移角達(dá)到0.75%時(shí)試件FIW-2才出現(xiàn)首塊空心磚表面剝落；兩組試件的剝落形態(tài)以及剝落部位也不盡相同，試件FIW-1的剝落部位主要位于墻體中部，并表現(xiàn)出不斷向角部延伸的趨勢(shì)，破壞呈X狀，剝落面積較大；試件FIW-2剝落的部位主要位于被滑移層水平分割的三塊墻體的端角部，剝落面積較小，當(dāng)R=2.00%時(shí)，兩試件填充墻的剝落壓碎如圖3所示.

圖3 剝落壓碎Fig.3 Spalling and crushing of specimens

試件FIW-2中被水平分割的三塊墻體在加載時(shí)明顯地相互錯(cuò)動(dòng)，當(dāng)R= 2.00%時(shí)，位于上部?jī)蓧K墻體相互錯(cuò)動(dòng)的距離達(dá)50 mm，如圖4所示.當(dāng)外界荷載卸載時(shí)，墻體相互錯(cuò)動(dòng)的距離又逐漸減小，墻體隨框架變形自我恢復(fù)，墻體整體破壞很小.

圖4 墻塊相互錯(cuò)動(dòng)Fig.4 Mutual dislocation of walls

2.2 滯回曲線(xiàn)

試件FIW-1、FIW-2的滯回曲線(xiàn)如圖5所示.

圖5 滯回曲線(xiàn)Fig.5 Hysteresis curves

由圖5可知：試件FIW-1加載至層間位移角約為0.50%時(shí)承載力達(dá)到最大值，隨后隨著層間位移角的增大，結(jié)構(gòu)的承載力急劇下降，然后趨于平穩(wěn)，下降段位于層間位移角0.50%～1.00%的區(qū)段間，這主要是由于內(nèi)部填充墻破壞所導(dǎo)致；試件FIW-2滯回曲線(xiàn)直至層間位移角3.00%以后承載力才有下降的趨勢(shì).總體來(lái)講，試件FIW-2在不斷加載的過(guò)程中表現(xiàn)出了較為良好的抗震性能，具有較好的延性.

對(duì)比兩組試件的滯回曲線(xiàn)，試件FIW-2相較于FIW-1的最大承載力有所降低，主要原因?yàn)樵嚰﨔IW-2中水平滑移層的存在削弱了原本整片墻體的斜支撐作用，同時(shí)也是由于水平滑移層的存在使得試件FIW-2的分塊墻體在試驗(yàn)中能相對(duì)滑動(dòng)，從而起到耗散地震能量的作用，最終造成試件FIW-2滯回曲線(xiàn)比試件FIW-1飽滿(mǎn).

2.3 骨架曲線(xiàn)

兩組試件骨架曲線(xiàn)如圖6所示.

圖6 骨架曲線(xiàn)Fig.6 Skeleton curves of specimens

由圖6可知：在加載初期階段，試件FIW-1的整體抗側(cè)承載力明顯大于試件FIW-2；隨著加載的不斷增大，試件FIW-1抗側(cè)承載力出現(xiàn)急速降低，漸漸與FIW-2相接近，造成以上現(xiàn)象的原因是試件FIW-1內(nèi)部的填充墻體在層間位移角0.50%～1.00%階段間急劇破壞，斜撐作用因墻體的破壞不斷弱化，而試件FIW-2因水平滑移層的存在導(dǎo)致了整體結(jié)構(gòu)斜撐效應(yīng)較小且恒定.

2.4 殘余變形

結(jié)構(gòu)殘余變形如圖7所示，其中，a=殘余變形/層高×100%.

圖7 殘余變形Fig.7 Residual deformation of specimens

由圖7中可知：各級(jí)加載階段試件FIW-2殘余變形在絕大多數(shù)加載階段中均小于試件FIW-1；當(dāng)層間位移角達(dá)到4.00%時(shí)，試件FIW-1、FIW-2，最大殘余變形與層高的比值分別為2.77%、2.01%，試件FIW-2相比試件FIW-1下降了27%，表明試件FIW-2具有更優(yōu)良的可恢復(fù)性能，能夠在一定強(qiáng)度地震作用后變形快速恢復(fù).

2.5 耗能能力

兩組試件的等效黏滯阻尼系數(shù)ζec[15]如圖8 所示.由圖8可知：當(dāng)層間位移角小于0.75%時(shí)，試件FIW-1的等效黏滯阻尼系數(shù)隨著層間位移角的增大呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；當(dāng)位移角大于0.75%時(shí)則隨著層間位移角的增大而緩慢增加；當(dāng)層間位移角小于1.50%時(shí)，試件FIW-2的等效黏滯阻尼系數(shù)與層間位移角成反比，大于1.50%時(shí)成正比；當(dāng)層間位移角小于2.00%時(shí)，試件FIW-2的等效黏滯阻尼系數(shù)大于試件FIW-1；當(dāng)層間位移角大于2.00%后兩者大致趨于一致；試件FIW-2的耗能能力大于試件FIW-1，主要原因?yàn)樵嚰﨔IW-2中存在水平滑移層所導(dǎo)致.

圖8 等效粘滯阻尼系數(shù)曲線(xiàn)Fig.8 Equivalent viscous damping coefficient curves

2.6 剛度退化

試件的剛度退化曲線(xiàn)[15]以割線(xiàn)剛度k表示，如圖9所示.

圖9 剛度退化曲線(xiàn)Fig.9 Stiffness degradation curves

由圖9可知：在加載早期試件FIW-1的剛度高于試件FIW-2，當(dāng)層間位移角超過(guò)1.00%后，兩者幾乎重疊，主要是因?yàn)榧虞d前期試件FIW-1內(nèi)部填充墻提供了剛度，隨著荷載的不斷增加，填充墻體不斷遭到破壞，所提供的剛度逐漸降低所致.

2.7 強(qiáng)度退化系數(shù)

試件承載力強(qiáng)度退化系數(shù)λ為同一級(jí)加載時(shí)，第i次循環(huán)峰值點(diǎn)的荷載值Fi與第i-1次循環(huán)峰值點(diǎn)的荷載值Fi-1的比值[15].表3為各試件承載力達(dá)到最大時(shí)加載階段的強(qiáng)度退化系數(shù)值，反映此加載階段承載力降低的性能。

由表3可知：各試件在載段經(jīng)3次循環(huán)加載后，試件FIW-1承載力降低較大，試件FIW-2承載力降低小，因?yàn)樵嚰﨔IW-1承載力達(dá)到最大的加載時(shí)間點(diǎn)較試件FIW-2早，加載初期FIW-1試件的填充墻發(fā)生集中破壞，主體梁柱基本無(wú)損傷；當(dāng)FIW-2試件承載力達(dá)到最大時(shí)，此時(shí)層間位移角較大，F(xiàn)IW-2試件的主體梁柱有一定程度的損傷.

表3 承載力達(dá)到最大加載階段的強(qiáng)度退化系數(shù)Tab.3 Strength degradation coefficient of the loading stage when bearing capacity reaches the maximum

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了衡量填充墻的破壞程度，采用表面剝落、壓碎或塌落砌塊的豎向表面積百分率定義填充墻破壞率，即

式中：Acp為任一側(cè)填充墻體中表面剝落、壓碎或塌落砌塊的豎向表面積的和，當(dāng)砌塊兩側(cè)均出現(xiàn)破壞時(shí)僅計(jì)一側(cè)的面積；A為填充墻一側(cè)的豎向表面積.

利用式（1）計(jì)算兩試件在不同加載階段的填充墻破壞率，如圖10所示.

由圖10可知：當(dāng)層間位移角為0.25%時(shí)，試件FIW-1就出現(xiàn)了空心磚表面剝落的現(xiàn)象，隨著加載的不斷增加，填充墻破壞率不斷增加，當(dāng)層間位移達(dá)到1.50%時(shí)，填充墻的破壞率約為20%，即填充墻約1/5的區(qū)域被壓碎，填充墻中部區(qū)域基本遭受破壞，僅剩余四角部分近框架梁柱的填充墻（如圖5），此后，隨著加載的不斷增加，填充墻破壞的區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，該階段主要是由于頂部的填充墻因中部墻體破壞失去了有效約束，不斷塌落所致.當(dāng)層間位移角達(dá)到或超過(guò)3.00%時(shí)，破壞或塌落的填充墻達(dá)到40%以上，并基本保持恒定，此時(shí)僅剩余框架柱兩側(cè)及框架梁底部的填充墻，斜撐效應(yīng)完全消失，破壞率不再增加，剩余的填充墻又被周邊拉結(jié)不再塌落，故破壞率曲線(xiàn)呈水平線(xiàn).

圖10 試件承載力降低曲線(xiàn)Fig.10 Curves of specimen bearing capacity reduction

當(dāng)層間位移角為0.75%時(shí)，試件FIW-2才出現(xiàn)少量的空心磚表層剝落，約占0.12%，剝落出現(xiàn)在被滑移層分割的墻體四角，因被框架柱局部擠壓所致，此后隨著荷載的不斷增加，填充墻破壞基本恒定，主要是由于墻體能發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，可自適應(yīng)框架變形，破壞率不再增加，直至層間位移角達(dá)到1.50%；當(dāng)層間位移角達(dá)到1.75%時(shí)，填充墻破壞率有少許增加，約占0.25%，此后隨著加載的不斷增大，填充墻破壞率緩慢增加，當(dāng)層間位移角達(dá)到3.50%時(shí)，填充墻破壞率僅約3%，與試件FIW-1相比，破壞率降低達(dá)93%以上.

對(duì)比兩組試件填充墻破壞率，試件FIW-2內(nèi)部填充墻破壞率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)剛性連接的填充墻試件FIW-1，完全可滿(mǎn)足無(wú)需修理或僅小修后可繼續(xù)使用的要求.

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)按傳統(tǒng)剛性連接的填充墻和帶有水平滑移層的新型填充墻進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，觀(guān)察記錄了兩組試件的破壞過(guò)程和進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得到以下結(jié)論：

1）水平滑移層的設(shè)置改變了墻體的破壞模式，墻體破壞由對(duì)角破壞向滑移破壞發(fā)生轉(zhuǎn)變，破壞范圍由集中破壞轉(zhuǎn)向點(diǎn)狀破壞，結(jié)構(gòu)的耗能能力更優(yōu).

2）輕質(zhì)空心磚填充墻體中鋪設(shè)水平滑移層是一種非常有效的減輕填充墻地震破壞的措施，地震作用下填充墻體的破壞程度明顯減小，填充墻的破壞率約為3%以下，與傳統(tǒng)剛性連接填充墻相比，墻體的破壞率降低最少93%.

3）帶水平滑移層的填充墻體可作為可恢復(fù)框架結(jié)構(gòu)填充墻體，能提高結(jié)構(gòu)的變形可恢復(fù)能力，殘余變形小，最大殘余變形下降了約27%，可使主體結(jié)構(gòu)具有更優(yōu)良的可恢復(fù)性能.