内填棉花秸秆砌块生态复合墙体抗震性能研究

陈国新，黄 炜，冯伟刚

(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;3.西安市建筑设计研究院，陕西西安 710021)

生态复合墙结构体系［1］是一种生态、节能、抗震的建筑结构体系，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［2-3］预制而成。

本文将新疆地区农作物剩余物——棉花秸秆［4］配置成棉花秸秆砌块填充到生态复合墙板中，以验证棉花秸秆砌块生态填充块材与框格之间的协同工作能力，研究内填棉花秸秆砌块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，并与内填加气混凝土砌块生态复合墙体［5］的抗震性能［6-7］进行对比。

1 试验概况

本次试验对一榀1∶2比例生态复合墙体模型［8］进行试验，试件制作主要包括内填砌块预制、墙板预制及墙体装配整浇3道工序［9］。墙体编号为ECW-7，试件的规格及配筋尺寸如下:长×高×厚为1.4 m×1.44 m×0.1 m，框梁100 mm，框柱100 mm，肋梁50 mm，肋柱50 mm，框架钢筋中框梁为4Φ6 mm，框柱4Φ6 mm，箍筋 Φ4@100，肋格钢筋中框梁为 4Φ4 mm，框柱4Φ4 mm，箍筋Φ2@100。墙体外框材料为C30混凝土，墙板肋格为C20混凝土，内填砌块为棉花秸秆砌块［10］，其材料物理、力学性能参数见表1。

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

试验采用伪静力抗震试验方法。根据相似关系，模型一次施加竖向荷载110 kN，经二次分配后加在肋柱和框柱上;待竖向荷载稳定后，通过反力墙，借助液压作动器对墙体顶部施加水平荷载，采用力-位移混合控制。

表1 混凝土与砌块基本物理、力学性能参数Table 1 Fundamental physical and mechanical properties of concrete and blocks

2 试验过程及结果分析

2.1 墙体破坏过程

生态复合墙体在水平荷载与竖向荷载共同作用下，始终处于弯、剪、压复合受力状态［11-12］，加之试件在制作上的复杂性以及材料的多样性，墙体的破坏形态也是复杂、多样的。试验表明，ECW-7在竖向荷载及水平荷载作用下，发生肋格先于外框破坏的剪切型破坏模式［13］。试件的破坏过程大体可分为弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段［14］，其裂缝和墙体最终破坏情况见图2，最终破坏照片见图3。

图2 ECW-7裂缝Fig.2 Three-stage cracking of ECW-7

2.2 测点应变分析

为便于研究，对同一方向荷载作用下生态复合墙体典型受力部位的钢筋应变变化趋势进行分析。

2.2.1 外框柱钢筋

在墙体所受荷载达到开裂荷载强度前，外框柱钢筋应变随荷载的增减呈线性变化;达到最大荷载后，外框柱内侧钢筋开始屈服，依然主要承受拉应力、压应力，墙体对称部位外框柱纵筋应变变化规律见图4(a)。

2.2.2 肋柱钢筋

a.边肋柱。如图4(b)所示，对称边肋柱纵筋应变基本对称分布，在墙体所受荷载达到开裂荷载强度之前基本呈线性分布，达到开裂荷载强度后，钢筋的应变曲线出现较明显的拐点。在达到墙体的最大荷载之前，钢筋的应变很小;在最大荷载之后，钢筋的应变突然下降。边肋柱钢筋均未屈服。

图3 ECW-7最终破坏Fig.3 Final failure of ECW-7

b.中肋柱。如图4(c)所示，水平荷载达到墙体屈服荷载之前，钢筋应变很小，随着肋梁钢筋屈服，墙体达到屈服荷载，内力发生重分布［15］，中肋柱承担了部分剪力，其底部钢筋发生突变应变。

图4 钢筋应变Fig.4 Strains of different steels

2.2.3 肋梁钢筋

墙体开裂前，肋梁钢筋应变很小;在墙体所受荷载达到开裂荷载强度之后，随着裂缝延伸至肋梁内，肋梁钢筋应变有明显增长;当大部分肋梁钢筋屈服时，墙体达到屈服荷载强度;以大位移循环时，肋梁钢筋大部分屈服，有的甚至被拉断，墙体的承载力下降，但下降的速度缓慢，当墙体的位移转角为1/19时，墙体的承载力仅下降了10%左右，墙体达到破坏。对比各肋梁钢筋应变可以发现:边肋梁的钢筋先于中肋梁屈服，体现了肋柱的销栓作用［16］;下层肋梁先于上层肋梁屈服，表明下层肋梁承担的剪力较大。同时，从试验中发现，砌块开裂，以及肋梁、肋柱开裂都未能引起承载力降低，而大量肋梁钢筋退出工作使得墙体的抗剪承载力开始降低，说明肋梁钢筋对墙体的抗剪承载力贡献较大。肋梁钢筋应变规律如图4(d)所示。

3 抗震性能分析

课题组前期对内填加气混凝土砌块的生态复合墙体进行了大批不同工况下的抗震性能试验，且已建造了部分试点工程。为研究内填棉花秸秆砌块生态复合墙体的抗震性能，与前期相同规格和配筋的内填加气混凝土砌块复合墙体ECW-1［6］进行了对比分析。

3.1 滞回曲线

ECW-7在低周反复荷载作用下的滞回曲线见图5(a)。

图5 墙体滞回曲线Fig.5 Hysteresis loops of ecological composite walls

由图5(a)可以看出，在弹性阶段，滞回曲线基本为直线，刚度值不变，试件整体性较好;随着荷载的增大，滞回曲线渐渐呈梭形，滞回环的面积也明显增大，出现残余变形，刚度明显退化;试件所受荷载达到最大后，墙体的承载力下降缓慢，位移增长较快，表现出良好的延性;此后以大位移循环时，棉花秸秆砌块与肋格间的滑移现象已非常突出，滞回环中部的捏缩现象越来越明显，滞回曲线呈明显反S形。

ECW-1滞回曲线见图5(b)。由图5(b)可以看出，在加载后期，ECW-1的滞回环比ECW-7更加饱满，捏拢现象更明显，这主要是因为加气混凝土砌块是脆性材料，在反复荷载作用下开裂、破碎甚至剥落，而棉花秸秆砌块是一种柔性填充材料，在试验的后期也仅有大量裂缝出现，未出现破碎剥落现象。

3.2 骨架曲线

由图6中2榀墙体的骨架曲线对比可知:

a.ECW-7具有持续的承载能力，在加载后期，由于剪切和滑移变形较大，棉花秸秆砌块基本退出工作，生态复合墙体可看成一纯钢筋混凝土框架［11-12］承受荷载，所以复合墙体的变形很大，而荷载却下降不明显。

b.ECW-1的承载力高，极限位移小，而ECW-7的承载力低，极限位移大，说明内填材料的强度和弹性模量是影响生态复合墙体水平承载力和变形的主要因素。

3.3 特征荷载及特征位移

2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［5］4个特征点［17］的荷载和相应位移见表2。

图6 墙体骨架曲线Fig.6 Skeleton curves of ecological composite walls

表2 墙体特征荷载和特征位移Table 2 Characteristic loadings and characteristic displacements of walls

由表2可以看出:

a.ECW-7开裂荷载值较小，其值为最大荷载的33.6%，而屈服荷载、最大荷载与极限荷载三者相差不大。随着棉花秸秆砌块中的裂缝变宽、变长，以及砌块与混凝土肋格之间的黏结滑移破坏，墙体退化成一个多肋格式框架构件独立承担竖向和水平荷载，说明在加载后期，内填的棉花秸秆砌块与肋格二者之间的协同工作能力较差。

b.ECW-7构件的变形较大，从开裂到屈服，再到荷载达到最大时，位移成倍增长，且增长速度很快，说明内填棉花秸秆砌块的生态复合墙体变形能力较强。

c.棉花秸秆砌块的立方体抗压强度与加气混凝土砌块相差不大，但弹性模量远小于加气混凝土砌块，ECW-7构件各特征点处位移均是ECW-1的2～3倍，而特征点处ECW-1墙体的特征荷载值是ECW-7墙体的2～3倍，说明内填砌块的抗裂能力、弹性模量、与肋格的连接性能这几个因素之间的作用相互耦合，共同影响生态复合墙体的受力性能。

3.4 位移延性和相对变形值

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

式中:μ——结构位移延性系数;Δμ——极限位移;Δy——屈服位移，其中屈服点位置按面积互等法［18］确定。

定义相对变形值为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。μ和相对变形值见表3。由表3可见:

a.ECW-7μ 为 4.6，说明墙体延性较好，虽然墙体极限位移和屈服位移都比ECW-1大，但从屈服开始到极限点，ECW-7墙体位移经历了较长的历程，所以延性系数较大。

b.2榀生态复合墙体弹性阶段的相对变形值(即弹性层间位移转角)范围在1/1 077～1/1 467，表明在弹性阶段，墙体的变形能力相差不大。极限破坏时的相对变形值范围在1/43～1/18，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。

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表3 延性系数和位移相对变形值Table 3 Ductility coefficient and relative deformation

3.5 刚度退化

2榀墙体的平均刚度［17］退化对比曲线见图7。对比图7可知:

a.ECW-7刚度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。对比2榀墙体的刚度退化趋势，墙体的刚度退化规律基本相同，刚度退化速度基本一致。

b.ECW-1的初始刚度大，ECW-7的初始刚度小，这是因为内填的加气混凝土砌块的弹性模量达1 105 MPa，而棉花秸秆砌块的弹性模量仅为105 MPa，并且制作墙体时，棉花秸秆砌块之间的拼缝较大，砌块与框格间的黏结力较差。

c.ECW-7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，大部分的荷载都由肋梁、肋柱和外框承担。

图7 复合墙体刚度退化Fig.7 Degradation of stiffness of ecological composite walls

4 结 论

a.棉花秸秆砌块与框格在弹性阶段协同工作性能较好，在弹塑性阶段较差。

b.内填棉花秸秆砌块生态复合墙体在压、弯、剪作用下发生强柱弱板剪切型破坏。

c.内填棉花秸秆砌块生态复合墙体在弹塑性阶段受力过程中，水平荷载值呈较平缓的上升趋势，且墙体的骨架曲线的延伸段较长，延性较好，刚度退化平缓。

d.内填棉花秸秆砌块墙体破坏后，墙体的层间位移角达到1/18，未出现倒塌现象，抗倒塌能力较强。

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