点接触式密肋复合墙体抗震性能试验

李鹏飞，袁泉，郭猛，姚谦峰

(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京，100044)

耗能复合墙具有良好的整体性，能够吸收耗散地震能量，国内外不少学者为了改善结构的抗震性能，提出了多种新型耗能复合墙结构[1-3]。这些耗能墙在结构中能够消耗地震能量，从而最大限度的保护主体结构的安全，对改善建筑物的抗震性能具有十分重要的意义。密肋复合墙结构体系也属于耗能复合墙的范畴，其研究始于20世纪90年代初，已在理论研究与应用实践上取得了较好的成果，建立了相应的概念设计原则和抗震计算方法[4-7]。密肋复合墙结构具有轻质节能、耗能减震、生态环保、施工简便等优点，是一种性能优越的新型抗震结构体系[8]，其主要是由预制的密肋复合墙板和隐形框架及楼板装配现浇而成，其中密肋复合墙板是以截面及配筋较小的混凝土肋梁、肋柱构成肋格，肋格内嵌入以炉渣、粉煤灰等工业废料为主要原料的轻质砌块预制而成。密肋复合墙板又与隐型框架整浇为一体，形成具有协同工作性能的密肋复合墙体[9]。然而，现有的密肋复合墙结构中，虽然在机理上有三道抗震防线作用，但各部分构件在工作过程中作为一个整体共同发挥作用，各道防线之间的协同工作关系比较复杂[10]，计算模型及地震作用传递途径不明确，在设计上难以实现地震作用在不同构件和不同防线中的精确分配，难以针对各道防线进行有效的设计。此外，现有密肋结构中墙体中的砌块和框格预制为一体，并与外框整浇在一起，在地震破坏后维修更换较为困难。本文作者提出了内填砌块与肋格、复合墙板与外框均为点接触式的密肋复合墙体，使作为不同抗震防线的不同构件单独工作，明确了密肋复合墙结构计算模型和地震作用传递途径，达到研究不同抗震防线的工作机理，实现多道抗震防线控制设计的目的。第1道防线：由砌块构成，在每个砌块与肋梁、肋柱相接触的侧面挖出凹槽，砌块只在角部和肋梁、肋柱相接触；第2道防线：由截面配筋较小的钢筋混凝土框格预制形成骨架，肋柱伸长段在上部与外框接触但不连接，肋柱上方为滑动垫块，在竖向起到支撑作用。墙板通过上下端的肋梁伸长段与外框柱角部连接，实现点接触。第3道防线：由嵌套并约束密肋复合墙板的隐形外框架构成，第3道防线能够独立承受竖向荷载的作用。作为第2道防线的肋格预制好后填入作为第1道防线砌块，肋柱、肋梁与作为第3道防线的框架角在部进行连接。各道防线之间的空隙用柔性材料填充，以避免各道防线之间在抵抗水平地震作用时的相互作用。本文作者为了研究点接触式密肋复合墙体的抗震性能，设计了一个1/2比例模型，对其进行低周反复加载试验研究，并与标准墙体试验结果进行对比，分析其承载力、延性、刚度、耗能和破坏特征。

1 试验概况

密肋复合墙体和点接触式密肋复合墙体构造形式如图1和图2所示。

图1 密肋复合墙体示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-grid composite wall

1.1 试件设计

本次试验设计了一榀1/2比例点接触密肋复合墙体模型，试件编号BW-2，剪跨比为1，轴压比为0.23。试件肋梁肋柱截面尺寸(长×宽)为100 mm×50 mm，外框柱截面尺寸(长×宽)为100 mm×50 mm。肋梁肋柱混凝土为C20，试件基础和外框混凝土为C30，填充砌块采用轻质加气混凝土砌块。试件基本参数如表1所示，试件配筋图及试件尺寸见图3。

表1 试件主要设计参数Table 1 Main parameters of specimens

图3 试件截面尺寸及配筋图Fig.3 Sectional dimension and steel bar details of specimens

填充砌块在每个侧面中部 1/2边长范围内开 20 mm深凹槽，保证砌块只在角部1/4边长范围内与肋格接触。肋梁及肋柱在角部伸出与外框架连接，墙板的其他部分与外框架之间形成间隙。肋格预制好之后填入砌块制成墙板，达到强度后与外框在角部现浇形成点接触密肋复合墙体。砌块与肋格以及肋格与外框之间的空隙用泡沫填充，实现各道防线之间的分离。

1.2 加载装置和加载制度

本试验采用低周反复荷载加载，首先通过千斤顶在试件上施加110 kN(按轴压比0.23)的竖向荷载，竖向荷载通过分配梁经过 2次分配加在墙体顶部暗梁上，并在试验过程中保持不变。然后通过安装在反力墙上的液压伺服作动器在试件顶端施加水平低周反复荷载，试件屈服前为荷载控制，每级加载10 kN，循环1次；试件屈服后用位移控制，位移增量分别为3，4和5 mm，每级循环3次直到破坏。试验中钢筋的应变、水平位移、水平荷载用数据采集系统采集[11]。试验加载装置如图4所示。

图4 试验加载装置图Fig.4 Test loading device

2 结果及分析

2.1 试验现象及分析

图5所示为点接触墙体的破坏过程，图6所示为试件的最终破坏形态。

(1) 在水平荷载较小时，约为极限荷载的 30%以前，试件基本处于弹性变形阶段，滞回曲线呈线性关系，卸载后试件的残余变形很小，此时肋梁、肋柱没有出现裂缝，砌块也没有出现明显的裂缝。随着水平荷载的增加，砌块角部出现细微裂缝，如图5(a)所示，肋格及外框中并未出现明显的裂缝，此时填充砌块作为第1道防线发挥作用。当荷载达到极限荷载的40%左右时，荷载位移曲线出现较明显的拐点，这一时刻的水平荷载称为墙体的开裂荷载，由试验可知点接触墙体的开裂荷载为23 kN。

(2) 随着水平荷载继续增大，砌块角部裂缝加宽。当水平荷载达到40 kN时，墙体中部肋梁两端出现细微裂缝，此时墙体的侧向位移增加明显，卸载后残余变形较大，滞回环的面积也逐渐增大，此阶段外框架基本完好，主要为砌块和作为第2道防线的肋格发挥作用。当荷载达到极限荷载的80%左右时，试件中肋梁两端普遍出现上下贯通的裂缝，如图5(b)所示。水平荷载继续增加，当达到极限荷载90%左右时，墙体中的填充砌块突然出现斜向受压裂缝，并伴有响声，砌块裂缝一旦出现立即沿砌块对角贯通，第1道防线迅速退出工作。此时受拉区边框柱脚出现水平裂缝，并逐步延伸扩大，受压区外框柱脚的混凝土也出现轻微的压碎现象。此阶段滞回环的面积明显增大，肋格和作为第3道防线的外框发挥主要作用，肋梁中的大部分钢筋开始屈服，墙体承载力虽然有少量上升但墙体的刚度退化明显，卸载后残余变形大，塑性变形显著，这时的荷载称为密肋复合墙体的屈服荷载，由试验可知墙体的屈服荷载为53 kN。

图5 点接触墙体的破坏过程Fig.5 Failure processes of specimens

(3) 墙体屈服后开始进入位移控制循环阶段，肋梁肋柱中的钢筋应变增长很快，在肋梁两端出现多处塑性铰，肋柱中也出现少量贯通裂缝，此时第2道防线退出工作，主要为第3道防线发挥作用。当水平荷载达到极限荷载60 kN后，外框柱中的拉区钢筋屈服，压区混凝土压碎较为明显。荷载－位移曲线进入下降段后，墙体的承载力下降不明显，但墙体的位移明显增大，试件的刚度下降较快。当荷载下降到极限荷载的85%左右，墙体的极限位移约为26 mm。此时试件的破坏已经非常严重，墙体中砌块的裂缝仍为相互交叉的主裂缝，且宽度剧增，裂缝之外其他部分虽然相对完整但是已经完全退出工作，此时墙体已退化成为纯框架，滞回曲线捏拢现象严重，出现大量的剪切滑移变形，如图5(c)所示。最终破坏状态如图6(a)所示。

图6 试件的最终破坏形态Fig.6 Failure model of specimens

由上述墙体破坏过程可见，点接触式密肋复合墙体的破坏特征如下：

(1) 第 1道防线发挥作用时其他防线基本完好，裂缝主要集中在砌块内，肋格和外框没有出现明显的裂缝。第2道防线发挥作用时，裂缝开展主要集中在肋格内，随后砌块出现对角斜裂缝并迅速退出工作，第3道防线外框仅出现少量细微裂缝，基本保持完好。第3道防线发挥作用时，肋梁端部出现塑性铰，肋梁钢筋应变迅速增大并退出工作，此时前两道防线已经退出工作，仅由外框承担全部荷载。点接触墙体实现了各道防线之间的分离，整个过程中不同防线共同工作的过程较短，且后一道防线发挥作用时前一道防线迅速退出工作，各道防线的受力相对独立。

(2) 试件的最终破坏以弯剪型破坏为主，墙体中的填充砌块出现明显的对角主斜裂缝，砌块在墙体中的对角斜压杆作用明显，如图 6(a)所示。与标准墙体的最终破坏形态相比，如图6(b)所示，点接触墙体中裂缝较少，且宽度较大，砌块主裂缝之外的区域裂缝发展不是很充分，而标准墙体中的裂缝开展比较均匀，没有明显的主裂缝。因此，点接触墙体由裂缝开裂闭合所消耗的能量势必减少，这是其耗能能力不如标准墙体的主要原因之一。

(3) 点接触密肋复合墙体肋梁全部出现塑性铰，且裂缝主要出现在肋梁与砌块的接触边缘，肋柱没有严重破损，符合强柱弱梁的设计理念。

2.2 滞回特性及耗能能力分析

图7所示为点接触墙体BW-2滞回曲线。实测所得点接触墙体试件BW-2的“水平荷载P-顶点水平位移Δ”曲线如图8所示。试件开裂前滞回曲线基本为直线，墙体处于弹性阶段。试件开裂后到屈服前，此阶段滞回曲线狭长细窄，曲线所包围的面积很小，试件整体刚度在工作状态下变化不大，卸载后残余变形很小，墙体耗能较小。当荷载达到屈服荷载之后，滞回曲线出现明显的拐点，试件进入弹塑性阶段，此阶段荷载增加很小而位移增长很快，试件的刚度逐渐衰减，卸载后出现明显的残余变形，滞回曲线渐趋饱满，滞回环面积逐渐增大，说明试件的耗能能力也逐渐增大。屈服荷载后试件很快达到极限荷载，滞回曲线向弓形发展，呈现很强的捏拢现象，反映出试件的剪切滑移量较大。试件在达到极限荷载后，墙体的承载力缓慢下降，位移增长巨大，整个试件表现出良好的延性。

图7 点接触墙体BW-2滞回曲线Fig.7 Hysteretic curves of BW-2

图8 标准墙体ECW-1滞回曲线Fig.8 Hysteretic curves of ECW-1

将点接触墙体 BW-2的滞回曲线与标准墙体ECW-1的滞回曲线相比较，如图7和图8所示，通过对比分析发现：

两者的滞回曲线形状基本相同，但点接触墙体的滞回环与标准墙体比较略为窄小，表明其耗能能力较标准墙体略差。且点接触墙体的承载力、延性和耗能能力比标准墙体略差。点接触墙体屈服后荷载迅速达到极限荷载，而标准墙体屈服后荷载还有一定的上升，屈服后点接触墙体承载力下降较标准墙体慢。

将开裂荷载阶段、屈服荷载阶段和极限荷载阶段滞回曲线所包含的面积作为各试件耗能量[12]，实测点接触墙体 BW-2和标准墙体 ECW-1耗能能力比较见表2。

表2 试件耗能能力Table 2 Result of energy dissipation kNmm

由表2可见：

(1) 与标准墙体相比，点接触墙体的屈服荷载阶段、极限荷载阶段和极限位移阶段耗能能力分别低51.2%，55.5%和63.5%。

(2) 屈服荷载之前试件的耗能主要为砌块开裂耗能，点接触墙体与标准墙体相比砌块内裂缝开展较少，因此耗能能力较低。

(3) 屈服荷载后，试件的耗能主要为裂缝的开裂闭合及相互摩擦耗能，标准墙体中的砌块及墙体内裂缝分别受到肋格和外框的约束，摩擦耗能较为充分，而点接触墙体中由于砌块与肋格以及墙体与外框之间仅在角部接触，其他部位相互分离，各部分构件之间的相互作用和约束减弱，没有对裂缝形成很好的约束。因此砌块和墙体只在对角线产生对角斜裂缝，其他部分裂缝开展不均匀，裂缝开裂闭合耗能及构件之间的相互摩擦耗能较少，因此滞回环面积要比标准墙体小。

(4) 破坏状态时，标准墙体中的砌块和肋格虽然破损严重，但是由于各部分构件之间相互接触，仍然能够受到较强的约束，仍能较好的参与工作，消耗部分能量，而点接触墙体中砌块开裂后迅速脱落而逐渐退出工作，最终只有外框和肋格承担荷载，因而其极限位移阶段的耗能量与标准墙体相比相差更大。

2.3 承载力实测值及分析

表 3所示为各试件的开裂荷载Fc、屈服荷载Fy和极限荷载Fu实测值，uyu=Fy/Fu称为屈强比。

表3 试件承载力实测值Table 3 Experimental result of load

由表3可见：BW-2与ECW-1比较，其开裂荷载、屈服荷载和极限荷载都有所降低，分别低26%，13%和33%。BW-2的屈强比大于ECW-1的屈强比，说明点接触墙体的安全储备小于标准墙体。

2.4 延性性能分析

各试件的位移、延性系数实测值见表4。表4中：Uc为开裂水平位移；Uy为屈服水平位移；Ul为弹塑性极限水平位移，极限位移为极限荷载时所对应的位移；Uu为破坏位移，将破坏位移定义为墙体承载力下降到极限荷载85%时对应的位移，U=Uu/Uy称为位移延性系数。

表4 各试件位移、延性系数实测值Table 4 Experimental result of displacement and ductility coefficient

由表4可见：点接触墙体与标准墙体相比，开裂位移相等，屈服位移略有降低。可见在墙体屈服之前，两者的延性性能相差不多；屈服后点接触墙体的极限位移与标准墙体相比低20%，延性系数低19%，说明各部分构件之间的相互作用能提高试件的延性。

对试件BW-2施加单调水平荷载时荷载与位移关系如图9所示。由图9可见：随着位移的增加，墙体的承载力下降不明显，最终墙体位移达到80 mm，层间位移角达到1/18，承载力为45 kN，此时的墙体作为抗侧力构件已经失效，但仍可以承担全部竖向荷载，墙体在破坏过程中表现出良好的延性和抗倒塌能力。

2.5 刚度实测值及分析

各试件的刚度实测值及其退化系数见表 5。表 5中：Kc为开裂割线刚度；Ky为屈服割线刚度；Kl为极限割线刚度；Ku为破坏割线刚度；βyc=Ky/Kc为屈服刚度与开裂刚度之比，反应了试件从开裂到屈服阶段的刚度退化[13]。

由表5可见：

(1) 点接触墙体BW-2与标准墙ECW-1相比，开裂刚度和屈服刚度分别低26.4%和8.8%，主要由于点接触墙体中各部分构件仅在角部接触，构件之间的相互作用较弱，不能共同参与工作；点接触墙体的刚度退化系数比标准墙体的退化系数大，说明屈服前点接触墙体的刚度退化速度比标准墙体的小。

(2) 极限荷载下点接触墙体刚度比标准墙体的大，主要原因是点接触墙体在屈服后迅速达到极限荷载，裂缝开展较少，结构损伤较小。

(3) 最终状态下大部分构件退出工作，两者都主要由外框架发挥作用，因此，最终破坏状态下两者的刚度近似相等。

2.6 骨架曲线分析

实测所得试件BW-2的骨架曲线与ECW-1的骨架曲线对比见图10。

图10 骨架曲线图Fig.10 Skeleton curves of specimens

从图10可见：在屈服点以前点接触墙体与标准墙体的骨架曲线基本重合，点接触墙体在屈服前的工作性能较好，刚度退化较慢。说明此阶段两块墙体的受力性能相差不大，开裂之前点接触墙体内损伤较小，各部分构件整体参与工作，在弹性阶段二者受力状况均满足弹性复合板模型；开裂之后的弹塑性阶段，点接触砌块的作用满足斜压杆受力原理，与标准墙体中的砌块作用机理一致，此时砌块与肋格及墙体与外框之间的空隙对墙体的承载力和刚度影响不明显。

在屈服荷载之后，点接触墙体迅速达到极限荷载，并进入荷载下降段，屈服之后墙体刚度退化迅速。主要因为砌块与肋格之间的相互约束较弱，点接触墙体在屈服之后砌块迅速沿对角线开裂并退出工作，此时的墙体退化成由肋格和外框组成的框架结构，其承载力较标准墙体大大降低，荷载稍有增加即达到极限荷载；极限荷载后点接触墙体第1道防线和第2道防线分别退出工作，每减少一道防线后墙体的刚度即迅速下降，因此，点接触墙体的刚度在极限荷载后退化较快。

而标准墙体中的砌块在肋格的约束作用下裂缝充分发展，能够较好地参与墙体的受力，即使在屈服荷载之后也没有迅速退出工作，仍然作为墙体的一部分抵抗水平荷载，因此标准墙体的承载力在屈服后仍有一定的上升。屈服后标准墙体的各道防线仍能共同工作，所以其刚度退化相对较慢，不会出现点接触墙体的刚度迅速下降的现象。

3 结论

(1) 点接触密肋复合墙体通过减少构件之间的接触分离了3道抗震防线，与普通密肋结构相比各道防线之间相互作用关系简单，各自受力情况和地震作用传递途径明确，各道防线在地震作用下独立工作，进而可以通过对各道防线的精确分析实现分别对各道防线的控制设计。

(2) 点接触密肋复合墙体的破坏形态以弯剪型破坏为主，破坏过程大致经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。弹性阶段：各道防线中裂缝较少，墙体满足弹性复合板模型；弹塑性阶段：墙体中的填充砌块出现明显的对角主斜裂缝，砌块在墙体中的对角斜压杆作用明显。最终破坏阶段：肋梁普遍出现塑性铰，肋柱基本保持完好，结构退化成梁铰框架。

(3) 点接触密肋复合墙体中由于砌块与肋格以及墙体与外框之间仅在角部接触，各部分构件之间的相互约束减弱，裂缝出现后没有受到很好的约束，开展不充分，因此，其裂缝数量较少，宽度较大，以对角主斜裂缝为主，且砌块一旦开裂迅速退出工作。与标准墙体相比点接触密肋复合墙体的承载力、刚度、延性、耗能能力等均有所降低，因此，应通过提高空隙间柔性填充材料性能、保证砌块的整体性等构造措施提高墙体的屈服后工作性能。

(4) 点接触密肋复合墙体屈服之前受力情况类似于标准墙体，刚度退化较慢。墙体屈服后迅速达到极限承载力，各道防线分别退出工作，墙体的刚度迅速下降，因此，点接触墙体的屈服前工作性能较好。同时，在极限荷载后墙体的承载力下降较慢，具有较好的抗倒塌性能。

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