内填不同材料填充砌块生态复合墙体抗震性能对比

陈国新，黄炜，张荫

(1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐，830052；2.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安，710055)

生态建筑是20世纪60年代建筑界提出的一个新概念，生态建筑的目标就是使环境效益、经济效益和社会效益三者得到完整的统一，使人类活动在满足自身需求的同时，最大限度的减少对环境的破坏。实现生态建筑的一个重要方面就是建筑材料的生态化。利用工、农业废料与水泥或生土复合制作的新型节能墙体材料，既利用了工、农业废料，又达到了节约能源的目的，同时，符合国家《新型墙体材料专项基金征收和使用管理办法》中“原材料掺有不少于30%农作物秸秆、垃圾、工业废料、淤泥的墙体材料”的规定[1]。

1 生态复合墙结构体系

生态复合墙结构体系[2,3]是一种生态、节能、抗震的建筑结构新体系，它主要由预制的生态复合墙板与隐形外框及楼板装配整浇而成。作为结构的主要受力构件——生态复合墙体是由生态复合墙板与隐形外框组成的墙肢或墙段，如图1所示。其中，生态复合墙板是以截面和配筋较小的钢筋混凝土肋梁、肋柱为框格，内嵌以工、农业废料或其他生态材料为主的高性能砌块预制而成，如图2所示。

图1 生态复合墙体构造示意图Fig.1 Construction detail of ecological composite wall

图2 生态复合墙板构造Fig.2 Construction detail of ecological composite slab

为验证课题组目前应用和开发的5种生态填充块材与框格之间的协同工作能力，研究生态复合墙体在低周反复荷载作用下的受力特点和破坏机制，先后对5榀(内填材料分别为：加气混凝土砌块、植物纤维生土基砌块、植物纤维水泥基砌块、再生EPS轻骨料混凝土砌块和棉花秸秆砌块)1/2比例模型相同规格、相同配筋的生态复合墙体进行伪静力试验，对比不同内填砌块生态复合墙体的承载力、滞回特性、延性、强度退化、刚度退化和耗能等抗震性能[4-5]，从理论上探索生态复合墙体在实际工程中应用的可行性。

2 试验概况

2.1 模型设计与制作

本次对比试验共5个构件模型，试件编号分别为：XML-1，XML-2，XML-3，ECW-1，ECW-7。其中：XML-1为内填植物纤维生土基砌块生态复合墙体，XML-2为内填再生EPS轻骨料混凝土砌块生态复合墙体，XML-3为内填植物纤维水泥基砌块生态复合墙体，ECW-1为内填加气混凝土砌块生态复合墙体，ECW-7为内填棉花秸秆砌块生态复合墙体。

5榀生态复合墙体模型尺寸和配筋均相同，内填砌块材料不同，试件尺寸及配筋见表1。

图3和图4所示分别为生态复合墙体外框和墙板配筋详图。

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

图3 外框配筋图(单位：mm)Fig.3 Reinforcement detailing of outer frame

图4 墙板配筋图(单位：mm)Fig.4 Reinforcement detailing of slab

试件制作主要包括内填砌块的预制、墙板预制及墙体装配整浇3道工序。在5榀墙体的内填砌块中，除加气混凝土砌块为工厂购买外，其余4种类型砌块均为实验室现场制作。

2.2 材料基本物理、力学性能

5榀墙体外框材料均为C30混凝土，墙板肋格均为C20混凝土，内填砌块为5种生态填充块材，混凝土与砌块基本性能如表2所示。

墙体受力钢筋采用HPB235级钢筋，基本力学性能如表3所示。

2.3 试验方法和加载制度

试验采用低周反复加载抗震试验方法[6]。

(1)竖向加载：墙体中的竖向压应力是影响墙体受力及抗震性能的主要因素。以实际工程6层住宅底层墙体的压应力计算轴向压力，并换算至试验墙体。原型承重墙体换算荷载为440 kN，模型承重墙体换算荷载为110 kN。根据原型6层结构底层墙体承受的竖向荷载和相似关系，模型取竖向荷载为110 kN，一次施加，经二次分配后加在肋柱和框柱上；待竖向荷载稳定后加水平荷载。

表2 混凝土与砌块基本物理和力学性能Table2 Fundamental properties of concrete and blocks

表3 钢筋力学性能Table3 Basic mechanical properties of reinforcement

(2)水平加载：水平荷载通过反力墙，借助液压作动器对墙体顶部施加，采用力-位移混合控制。

3 试验结果及分析

3.1 破坏形态及破坏机制

5榀生态复合墙体受力都经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段3个阶段[7]，墙体的最终破坏图如图5所示，但由于内填材料的力学性能和与肋格的连接性能不同，各阶段的破坏形态有所差异，最终的破坏机制有所不同，见表4。

由以上破坏形态和破坏机制的对比结果可以看出：

(1)ECW-1，XML-1和XML-2内填材料分别为加气混凝土砌块、植物纤维生土基砌块和再生EPS轻骨料混凝土砌块，砌块抗压强度均较低，在0.6～2.5 MPa之间，在浇筑过程中，砌块与肋格混凝土的和易性较好，因此在生态复合墙体受力过程中与外框的协同工作性能较好，受力初期砌块先出现裂缝并逐步破坏，继而肋格、外框依次发挥作用，分阶段释放能量。

(2)ECW-7墙体填充砌块为棉花秸秆砌块，虽然秸秆砌块的抗压强度较低，但力学性能与钢筋混凝土肋格、外框的差异性较大，连接较弱，在生态复合墙体受力过程中与外框的协同工作性能较差，裂缝首先出现在连接处而不是砌块内，砌块未能先破坏发挥积极耗能作用。

(3)XML-3内填材料为植物纤维水泥基砌块，强度较高，几乎达到C20等级混凝土的强度，力学性能和混凝土相似，砌块与肋格混凝土的和易性较好，连接性能强，在受力过程形成一个整体弹性板，导致墙板强，外框弱，最后发生外框破坏而墙板基本没有破坏的弯曲型不利破坏机制。

由此可以得到，内填砌块的强度和与肋格的连接性能是影响生态复合墙体破坏形态与破坏机制的主要因素。

3.2 滞回曲线

滞回曲线[8-9]是结构抗震性能的综合体现，也是分析结构抗震弹塑性动力反应的主要依据。图6所示为不同内填砌块材料生态复合墙体在低周反复荷载作用下的滞回曲线。由图6可知：

(1)当荷载小于最大荷载的30%时，即内填砌块与肋格未出现裂缝或只有砌块有少量细微裂缝时，5榀墙体的滞回曲线表现出相同的特性，滞回环包围的面积很小，力和位移之间基本呈直线变化，在荷载往复作用过程中，刚度退化不明显，残余变形和结构耗能都很小，结构处于弹性工作状态。

图5 生态复合墙体最终破坏图Fig.5 Failure photos of ecological composite walls

表4 墙体破坏形态和破坏机制Table4 Failure mode and failure mechanism of ecological composite walls

图6 各墙体滞回曲线Fig.6 Hysteretic loop of ecological composite walls

(2)随着荷载的增大，除XML-3外，其余4榀生态复合墙体的滞回环逐渐转变成弓形，进入弹塑性阶段后，滞回曲线呈反“S”字型，数次反复加载循环以后，加载曲线上出现较明显的拐点，在曲线上升段，都有较明显的屈服点。生态复合墙体XML-3的滞回曲线基本呈梭形，且在加载过程形状基本保持不变，最后墙体发生了正截面拉压破坏的脆性破坏机制。

(3)在同一位移加载控制阶段，与前一次相比，后一次循环达到的荷载较低，后一次循环滞回曲线所包围的面积明显较小，表明生态复合墙体出现了强度、刚度和耗能能力的退化。随着循环次数的增加，耗能能力不断增强，反映了结构累积损伤的影响。

(4)XML-1，XML-2，ECW-1，ECW-7的滞回曲线都比较饱满，而XML-3的滞回曲线不饱满。究其原因主要是XML-3的内填砌块的强度过高，和肋格形成了一片整体剪力墙，内填砌块在反复荷载下，未能充分发挥耗能作用，复合墙体刚度退化不明显。

(5)XML-1，XML-2，ECW-1，ECW-7这4榀生态复合墙体的滞回曲线都表现出不同程度的“捏拢现象”，但XML-3却不明显。出现“捏拢现象”，主要原因是受力过程中砌块与肋格之间的黏结破坏，出现了滑移现象，而XML-3的内填植物纤维水泥基砌块与肋格的整体性能较好，这也与试验过程中内填砌块与肋格之间是否出现裂缝相一致。

3.3 骨架曲线

图7所示为5榀墙体的骨架曲线。由图7各片墙体的骨架曲线对比可知：

图7 各墙体骨架曲线Fig.7 Skeleton curves of ecological composite walls

(1)在低周反复荷载作用下，骨架曲线上有较为明显的开裂点、屈服点、最大荷载点和极限位移点，即所有墙体模型都经历了弹性、弹塑性和极限破坏3个阶段。

(2)骨架曲线正反向基本呈反对称的形式，受拉承载能力和受压承载能力基本相同，说明反复荷载作用下内填块材的裂缝趋于闭合，可继续发挥作用。

(3)除XML-3生态复合墙体外，其余4榀墙体骨架曲线下降段较平稳，具有持续的承载能力，砌块在反复荷载作用下开裂、破坏，积极耗能，继而肋格与外框依次发挥作用。XML-3的骨架曲线下降段较短，破坏较突然，这是因为植物纤维水泥基砌块的抗压强度远大于其他4榀生态复合墙体内填材料的强度，造成整个墙板刚度较大，砌块、肋格与外框不能很好的协调工作。

3.4 特征荷载及特征位移

生态复合墙体受力过程中几个关键特征点[10]定义如下：

开裂点：内填砌块与肋格之间的裂缝延伸较长，骨架曲线曲率有一定突变时所对应的荷载。

屈服点：采用能量等值法[11]确定出面积相等点位置，此点对应的荷载为屈服荷载。

墙体最大荷载点：取正反两个加载方向上极限荷载绝对值的平均值。

极限位移：采用墙体最大荷载下降到85%或墙体最终破坏时相对应位移。

5榀生态复合墙体的开裂点、屈服点、最大荷载点和极限荷载点4个特征点的荷载和相应位移见表5。

从表5可以看出：

(1)5榀生态复合墙体开裂荷载由大到小的顺序为ECW-7，XML-2，XML-3，ECW-1，XML-1，开裂位移由大到小的顺序为XML-2，XML-3，ECW-7，XML-1，ECW-1。

(2)屈服荷载由大到小的顺序为XML-3，XML-2，ECW-1，XML-1，ECW-7，屈服位移从大到小的顺序为ECW-7，XML-1，ECW-1，XML-3，XML-2。

(3)最大荷载从大到小的顺序为XML-3，XML-2，ECW-1，XML-1，ECW-7。可见：内填砌块的抗压强度是影响墙体最大荷载的主要因素，XML-3生态复合墙体内填的植物纤维水泥基砌块的抗压强度最大，ECW-1，XML-2，XML-1这3榀墙体的内填砌块的抗压强度相近，最大荷载也相差不大；ECW-7墙体为内填纯植物纤维棉花秸秆砌块，砌块抗压强度也较小，但与混凝土肋格的连接性能较差，所以墙体的最大荷载也较其他4榀墙体小得多。最大荷载处位移从大到小的顺序为ECW-7，XML-1，ECW-1，XML-3，XML-2，5榀墙体的最大位移相差较大。

(4)极限荷载从大到小的顺序为XML-3，ECW-1，XML-2，XML-1，ECW-7。ECW-7极限位移最大，XML-3的最小，原因是棉花秸秆砌块的弹性模量较小，而植物纤维水泥基砌块的弹性模量较大。

综上所述，内填砌块的抗压强度，抗裂能力、弹性模量、与肋格的连接性能这几个因素是影响生态复合墙体特征荷载和特征位移的主要因素，且这几个因素之间的作用会相互耦合，共同影响生态复合墙体的受力性能。

3.5 位移延性和相对变形量

延性系数是衡量结构或构件抗震性能的一个指标，相对变形量是衡量其变形能力的一个指标。

位移延性系数通常是指骨架曲线下降到0.85Fmax时所对应的位移与屈服位移的比值，其表达式为

式中：μ为结构的破坏位移延性系数；Δu为极限位移；Δy为屈服位移，屈服点位置可按面积互等法[11]确定。定义相对变形量为Δ/H，其中，Δ是生态复合墙体顶端的侧向位移；H为生态复合墙体的高度。延性系数和相对变形量见表6。由表6可得：

(1)5榀生态复合墙体的位移延性系数在2.3～5.1之间，除XML-3复合墙体外，其余生态复合墙体都具有良好的延性，其延性从大到小的顺序为XML-2，ECW-7，ECW-1，XML-1，XML-3。

(2)XML-3的延性系数最低，仅为2.3。根据延性系数的定义，影响延性系数的极限位移和屈服位移，对于XML-3复合墙体，一方面墙体的屈服点较高，另一方面墙体的破坏很突然，当荷载超过极限承载力时，墙体的塑性变形主要集中在外框柱，一旦外框的纵筋被拉断，墙体立即破坏，而完好的内填砌块及肋格根本没有发挥作用，墙体的承载力急剧下降造成墙体的延性较差。

(3)5榀生态复合墙体弹性阶段的相对变形量(即弹性层间位移转角)在1/1 167～1/560之间，表明在弹性阶段，各墙体的变形能力相差不大。极限破坏时的相对变形量在1/137～1/18之间，这表明，生态复合墙体具有较好的弹塑性变形能力，一直到加载结束，都没有出现墙体倒塌现象，具有较好的抗倒塌能力。

表5 墙体特征荷载和特征位移Table5 Characteristic loading and characteristic displacement of walls

表6 延性系数和位移相对变形量Table6 Ductility coefficient and relative deformation

综上可知，生态复合墙体内填砌块的性能对墙体的延性有很大的影响，内填砌块的抗压强度越高，变形性能越差，墙体的延性系数越低，在内填砌块抗压强度相差不大的情况下，材料的弹性模量越小，墙体的变形能力越强。

3.6 刚度退化

为研究5榀不同内填材料生态复合墙体在低周反复荷载作用下的刚度衰减变化规律，取往复荷载作用下每级循环加载的平均刚度Ki分析，表示如下：

图8所示为5榀墙体的平均刚度退化曲线。

图8 墙体刚度退化Fig.8 Rigidity degeneration of walls

由图8可知：

(1)5榀墙体的刚度退化规律基本相同，刚度退化速度基本一致，衰减曲线总体趋势是加载初期的刚度退化较快，随着位移的增加，塑性变形的不断发展，刚度衰减速度变慢，最后趋于平缓。整个刚度衰减比较均匀，没有明显的刚度突变。

(2)在试验的过程中发现XML-3墙体各个内填砌块基本没有出现明显的长裂缝，在整个刚度退化过程中，内填的植物纤维水泥基砌块与肋格成为一个整体受力体，类似在外框内填充了一个大的刚性砌块，造成整个生态复合墙体的损伤主要集中在外框柱的拉压区和墙板与基础之间的滑移，所以XML-3未出现较平稳的刚度下降段。

(3)XML-3的初始刚度最大，ECW-7的初始刚度最低。这是因为内填的植物纤维水泥基砌块的弹性模量达22 GPa，而秸秆泥坯的弹性模量很低仅有105 MPa，并且内填棉花秸秆砌块生态复合墙体的内填砌块与肋格的黏结较弱，加载初期砌块未能较好的与肋格共同工作。

(4)ECW-7，XML-2，XML-1和ECW-1墙体达到极限破坏时的刚度相差不大，主要是因为墙体在弹塑性阶段的末期，内填砌块几乎都退出工作，全部的荷载都由肋梁、肋柱和外框承担。

3.7 耗能能力

生态复合墙体在低周反复荷载作用下，加载时吸收能量，卸载时释放能量，两者之差即为墙体在一次循环中的耗能，其值等于一个滞回环所包围的面积，在低周反复荷载作用下，滞回环面积受到强度和刚度退化的影响。目前，对构件的耗能能力没有统一的评价标准，常用等效黏滞阻尼系数[12]和功比指数来表示。

表7所示为5榀生态复合墙体在屈服时墙体的耗能和墙体破坏前3个循环的耗能。

表7 生态复合墙体耗能Table7 Energy dissipation of walls kN/mm

从表7可以看出：

(1)同级位移下的3次循环中，由于生态复合墙体在反复荷载作用下损伤积累，后2次循环的耗能小于第1次循环，且前2次循环之间的耗能差明显大于后两次的。

(2)由于各墙体的屈服位移不同，在屈服阶段，各榀墙体的平均耗能相差较大，其中XML-3最大，ECW-1最小，相差3～4倍。由于植物纤维水泥基砌块的强度和弹性模量都较大，虽然墙体的屈服位移不大，但XML-3复合墙体的屈服荷载较其他几榀墙体大的多。

(3)在破坏阶段，ECW-7复合墙体的耗能最大，由于填充的棉花秸秆砌块类似于一柔性耗能装置，在加载阶段后期也没有出现剥落压碎现象，仍然能够与肋格及外框共同作用，消耗能量。

(4)从屈服阶段到破坏阶段，XML-2，ECW-1和ECW-7的耗能都成倍增长，破坏阶段的耗能是屈服阶段的3～4倍。XML-1和XML-3破坏阶段的耗能只是屈服阶段的2倍左右。

对5榀生态复合墙体计算其等效黏滞阻尼系数，结果见表8。

表8 生态复合墙体等效黏滞阻尼系数Table8 Equivalent viscous damping coefficient of walls

从表8可以看出：

(1)由于内填材料的物理和力学性能差异，5榀生态复合墙体在各阶段的等效黏滞阻尼系数有所不同，但除XML-3外，其余4榀墙体在屈服阶段的等效黏滞阻尼系数基本接近，这是由于植物纤维水泥基砌块的强度与弹性模量与其他4种材料的相差较大所致。

(2)在同一级控制位移下，随着循环数的增加，等效黏滞阻尼系数有逐渐减小的趋势。

(3)从屈服阶段到破坏阶段，由于损伤的累积，5榀墙体的等效黏滞阻尼系数都有不同程度的增大。

4 结论

(1)边框柱和暗梁形成的隐形外框连接、约束着生态复合墙板，墙体在水平荷载作用下，砌块、肋格、外框能相互作用，共同受力，能够在试验的弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段依次发挥作用，使生态复合墙体具有多道抗震防线。

(2)XML-1，XML-2，ECW-1和ECW-7复合墙体在压、弯、剪作用下发生“强柱弱板”剪切型破坏，XML-3的破坏模式属于“强板弱柱”弯曲型破坏。

(3)内填砌块的抗压强度，抗裂能力、弹性模量、与肋格的黏结能力是影响生态复合墙体特征荷载和特征位移的主要因素，且这些因素之间的作用会相互耦合，共同影响墙体的受力性能。

(4)墙体在弹塑性阶段受力过程中，水平荷载均呈较平缓的上升趋势。XML-3复合墙体骨架曲线下降段较短，刚度退化速度较快，其余4榀墙体的骨架曲线的延伸段较长，刚度退化都较平缓。

(5)5榀墙体在反复荷载作用下，从屈服阶段到破坏阶段，各墙体的等效黏滞阻尼系数都有较明显的增大，都具有较强的耗能能力。

(6)墙体破坏后，5榀墙体的层间位移角为1/137～1/18，均未出现倒塌现象，抗倒塌能力较强。

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