带节能砌体填充墙的RC框架抗震试验研究

黄靓　易宏伟　王辉　蒋文龙

摘要：为了研究带节能砌体填充墙的RC框架抗震性能，本试验设计了两个两层单跨的RC框架结构模型，分别为带填充墙的RC框架和不带填充墙的空框架，并对其进行了拟静力试验.对带填充墙的RC框架的裂缝开展进行了描述，研究了试件的滞回特性、骨架曲线、刚度退化和强度退化，并和空框架进行了对比分析.分析结果表明：填充墙能够提高框架的承载能力和抗侧刚度，但是相应地降低了框架结构的延性；填充墙的存在使得框架结构的强度和刚度退化加快，然而，带填充墙框架的极限刚度仍然较大，表现出较强的抗倒塌能力.

关键词：框架；节能；砌体；填充墙；拟静力试验；抗震性能

中图分类号：TU375.4 文献标识码：A

填充墙作为框架结构中的非结构构件，设计中并未充分考虑其对框架结构的影响，然而，其对框架结构抗震性能的影响却不容忽略[1-4].国内外研究者在这方面做了重要的工作[3，5-7]，其中土耳其的Marjani等人使用低周反复荷载对6个两层单跨带填充墙的框架进行了试验和有限元模拟研究.研究表明：填充墙能够极大地提高框架的强度和刚度.黄群贤等人对4榀单层单跨填充墙RC平面框架试件进行抗震性能试验，试验表明：不同砌块填充墙对框架结构具有明显的刚度效应.研究者主要针对平面框架进行研究，对带填充墙的三维立体框架（以下简称立体框架）研究较少，而立体框架充分反应了平面框架之间的受力协调能力，其受力机制能够更好地代表整体结构的特性，因此对立体框架的进一步研究很有必要.墙体节能在建筑节能中占有重要的地位，因此节能砌块被选为本文的墙体材料.本文对带节能砌体填充墙（以下简称填充墙）的框架结构与空框架进行对比试验研究，从而得到节能砌体填充墙对框架结构的滞回特性、承载力、抗侧刚度以及强度的影响规律，并从受力机制方面揭示了节能砌块填充墙与框架的共同工作原理.

1试验概况

1.1 试件设计与制作

试件设计参考《抗震设计规范》（GB500112010）[8]的要求，共设计了2个单跨立体框架，其中一个为不带填充墙的空框架，另一个为带填充墙的RC框架，编号分别为CF1和CF2.试件CF2研究带填充墙框架结构的抗震性能，试件CF1用作对比.

试件根据相似理论按照1∶4比例缩尺设计而成.两试件的框架部分几何尺寸及配筋完全相同，柱截面尺寸为150 mm×150 mm，梁为70 mm×100 mm，基础采用0.4 m厚的底板，板平面尺寸为2.0 m×2.0 m，砌体与框架柱之间每隔600 mm配置了2A6的拉筋，框架几何尺寸及截面配筋如图1所示.

梁柱纵筋、箍筋均采用HRB335，考虑试件为缩尺模型，钢筋强度按略低于《混凝土结构设计规范》（GB500102010）[9]的要求进行设计，混凝土强度为C30，材料实测力学性能见表1，砌块采用多排孔节能砌块，砌块标准块型几何尺寸为190 mm×190 mm×115 mm，强度等级采用MU5，单块砌块的抗压强度为6.5 MPa，砂浆立方体抗压强度为4.6 MPa，考虑模型缩尺的影响，砌块厚度切割成标准块厚度的1/4，模拟1/4砌体墙厚，多排孔节能砌块砌体如图2所示.

1.2试验方案

1.2.1测点布置与数据采集

试件的位移测点设在底板、1层和2层层顶，底板和1层各布置了两个量程为50 mm的位移计，2层布置了两个量程为100 mm的位移计，每层的侧向位移取两个位移的平均值，在各层的关键部位设置了钢筋电阻应变片，柱的应变片布置在各层的柱底与柱顶，梁的应变片布置在梁的两端.

试验过程中的量测仪器主要为DH3818静态应变采集仪，可读取应变片的应变值及位移传感器的量测数值，加载作动器的水平位移、水平荷载由电伺服加载系统（MTS）测得，并利用采集的荷载和顶点位移数值绘制试件的滞回曲线.试验中，人工观察裂缝出现时对应的力和位移，及时标注在试件上的相应位置.

1.2.2加载装置

加载装置见图3，图3两试件均采用同样的加载装置.试件底板水平方向用千斤顶和钢梁固定，竖直方向由钢压梁和地脚螺栓固定.竖向荷载由液压千斤顶加载，通过工字钢和混凝土顶梁把荷载平均分配到各框架柱的顶部；水平荷载由量程为1 000 kN的电液伺服作动器加载，通过钢梁传递到试件上，在试件与钢梁之间用矩形钢垫块确保加载中心点位于第二层柱顶，拉力由圆钢拉杆传递.

1.2.3加载方案

本试验模拟15层混凝土框架结构的底部两层地震反应.加载方案参照《建筑抗震试验方法规程》（JGJl01-96）[10]，首先施加竖向力，用以模拟上部13层的重力及楼屋面荷载.计算得到的柱轴压比约为0.25，控制液压油泵，使得轴压比为0.25，等竖向压力稳定后再进行水平预加载.试验的水平加载程序分为预加载和正式加载两个阶段，正式加载采用分级循环对称加（卸）载.在试件开裂前采用荷载控制加载，每级荷载循环一次，试件出现裂缝后，每级位移增量为一倍开裂位移，每级位移循环两次，直至试件破坏或者降至最大荷载的85%，终止试验.

2试验过程

本试验主要研究的是带节能砌体填充墙框架结构的抗震性能，根据试验现象，试件破坏过程按照裂缝开展的特点可分为三个阶段：开裂阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段.

试件CF1：当水平推力加到57 kN时，一层框架柱的柱底部出现一条微小的横向裂缝，此时的位移值为6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为6 mm.随着位移的进一步增大，在底层梁的端部开始出现了细小的裂缝.当位移加到18 mm时，二层柱顶出现裂缝，柱脚的裂缝进一步发展贯通.位移加到20 mm之后，荷载增长速度明显减慢，裂缝进一步发展，梁两端出现了大量的裂缝.当位移加到55 mm时，水平荷载明显下降.此时，框架柱脚的混凝土有局部脱落的现象，继续加载，当最终荷载降为最大荷载的85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时柱脚已经完全被压碎剥落，出现明显的破坏迹象，试件CF1停止加载.最终破坏如图4所示.

试件CF2：当水平推力加到118 kN时，一层框架梁端部及填充墙出现一条微小的斜裂缝，此时的位移值为6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为6 mm.随着位移的进一步增大，当位移加到10 mm时，二层柱顶以及梁中部出现裂缝，填充墙的裂缝进一步发展.位移加到20 mm之后，水平荷载明显下降，此时，填充墙出现大量的阶梯型裂缝，同时一层柱中下部及二层柱顶也出现大量的裂缝.继续加载，当最终荷载降为最大荷载的85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时填充墙出现较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎现象，试件CF2停止加载.最终破坏如图5所示.

3.3刚度退化

在位移幅值不变的条件下，结构构件的刚度随反复加载的次数增加而降低的特性即为刚度退化.结构刚度的退化即为结构性能的退化.在试验过程中，裂缝的增多、位移的增大以及循环次数的增加都会导致结构刚度的退化，试验的刚度参照 《建筑抗震试验方法规程》[10]的割线刚度法进行计算，刚度退化试验结果见图8和表3.

4受力机制分析

从受力方面分析，CF1在承受水平推力时，由于水平力全部是由柱脚传给基础，框架柱的柱脚将产生较大的剪力和弯矩，而框架梁主要是受压以及梁柱节点的变形而产生较小的弯矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同时也先破坏.CF2在水平力的作用下，由于填充墙的支撑作用分担了部分水平力，从而提高了框架的承载能力，同时由于填充墙对框架的约束效应使得框架的变形能力变差.CF2与CF1比较，从柱上的裂缝分布情况看，柱中下部裂缝明显增多，且柱脚并没有出现明显的破坏迹象.这主要是因为填充墙改变了框架柱的内力分布，使得框架的破坏从剪切型向弯曲型过渡，同时柱脚得到了保护，使得柱脚并未出现明显的破坏迹象.砌体抗剪强度大于砂浆抗剪强度且砌体本身具有明显的脆性，因此试验中填充墙上出现了沿砂浆灰缝较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎的现象.

5结论

通过对两个框架结构的抗震试验研究，得出下列结论：

在RC框架结构中，节能砌体填充墙能够提高框架的承载能力，但是相应降低了框架结构的延性，其中试验中带砌体填充墙的框架承载力为空框架的1.87倍，延性系数只有空框架的60%.

在同一位移条件下，带节能砌体填充墙的框架滞回曲线饱满，说明填充墙提高了框架的整体耗能能力，同时填充墙比框架先退出工作，为框架多提供了一道抗震防线，从而提高了框架的抗震能力.

节能砌体填充墙对框架的约束效应使得框架结构的侧移减小，从而保证框架的侧移能够更好地满足规范要求，其中试验中结构的屈服位移、峰值位移和极限位移都下降了40%左右.

节能砌体填充墙可以大幅度增加框架结构的初始刚度，试验中其初始刚度为空框架的2.3倍.虽然带填充墙的框架刚度退化较快，但是其极限刚度依然较大，仍具备较强的抗倒塌能力.

由于砌体的脆性特质以及填充墙的大量开裂，使得带节能砌体填充墙的框架强度退化较空框架严重，然而其强度退化系数始终保持在0.9以上，说明其强度退化程度较小，因此可以推断，试件在破坏后仍保持了较高的继续承载能力.

参考文献

[1]郭子雄，吴毅彬，黄群贤.砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状与展望[J].地震工程与工程震动，2008，28（6）： 172-177.

[2]FLANAGAN R， BENNETT R. Inplane analysis of masonry infill materials[J]. Pract Period Struct Des Constr，2001，6（4）：176-182.

[3]黄群贤，郭子雄，朱雁茹，等.混凝土空心砌块填充墙RC框架抗震性能试验究[J].建筑结构学报，2012，33（2）：110-118.

[4]邹昀.带砌体填充墙的钢筋混凝土框架受力性能分析[J].江南大学学报，2002，1（1）：76-81.

[5]MADAN A， HASHMI A K. Analytical prediction of the seismic performance of masonry infilled reinforced concrete frames subjected to nearfield earthquakes[J]. Journal of Structural Engineering，2008，134（9）：1569-1581.

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[9]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[10]JGJ101-96 建筑抗震试验方法规程[S].北京：中国建筑工业出版社，1997：10-30.

[11]范苏榕.钢支撑加固钢筋混凝土框架结构的试验研究[D].南京：南京工业大学，2002：8.

[12]朱伯龙. 结构抗震试验[M].北京：地震出版社，1989.

[13]XIAO J Z， SUN Y D， FALKNER H. Seismic performance of frame structures with recycled aggregate concrete[J]. Engineering Structures， 2006，28（1）：1-8.

试件CF2：当水平推力加到118 kN时，一层框架梁端部及填充墙出现一条微小的斜裂缝，此时的位移值为6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为6 mm.随着位移的进一步增大，当位移加到10 mm时，二层柱顶以及梁中部出现裂缝，填充墙的裂缝进一步发展.位移加到20 mm之后，水平荷载明显下降，此时，填充墙出现大量的阶梯型裂缝，同时一层柱中下部及二层柱顶也出现大量的裂缝.继续加载，当最终荷载降为最大荷载的85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时填充墙出现较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎现象，试件CF2停止加载.最终破坏如图5所示.

3.3刚度退化

在位移幅值不变的条件下，结构构件的刚度随反复加载的次数增加而降低的特性即为刚度退化.结构刚度的退化即为结构性能的退化.在试验过程中，裂缝的增多、位移的增大以及循环次数的增加都会导致结构刚度的退化，试验的刚度参照 《建筑抗震试验方法规程》[10]的割线刚度法进行计算，刚度退化试验结果见图8和表3.

4受力机制分析

从受力方面分析，CF1在承受水平推力时，由于水平力全部是由柱脚传给基础，框架柱的柱脚将产生较大的剪力和弯矩，而框架梁主要是受压以及梁柱节点的变形而产生较小的弯矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同时也先破坏.CF2在水平力的作用下，由于填充墙的支撑作用分担了部分水平力，从而提高了框架的承载能力，同时由于填充墙对框架的约束效应使得框架的变形能力变差.CF2与CF1比较，从柱上的裂缝分布情况看，柱中下部裂缝明显增多，且柱脚并没有出现明显的破坏迹象.这主要是因为填充墙改变了框架柱的内力分布，使得框架的破坏从剪切型向弯曲型过渡，同时柱脚得到了保护，使得柱脚并未出现明显的破坏迹象.砌体抗剪强度大于砂浆抗剪强度且砌体本身具有明显的脆性，因此试验中填充墙上出现了沿砂浆灰缝较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎的现象.

5结论

通过对两个框架结构的抗震试验研究，得出下列结论：

在RC框架结构中，节能砌体填充墙能够提高框架的承载能力，但是相应降低了框架结构的延性，其中试验中带砌体填充墙的框架承载力为空框架的1.87倍，延性系数只有空框架的60%.

在同一位移条件下，带节能砌体填充墙的框架滞回曲线饱满，说明填充墙提高了框架的整体耗能能力，同时填充墙比框架先退出工作，为框架多提供了一道抗震防线，从而提高了框架的抗震能力.

节能砌体填充墙对框架的约束效应使得框架结构的侧移减小，从而保证框架的侧移能够更好地满足规范要求，其中试验中结构的屈服位移、峰值位移和极限位移都下降了40%左右.

节能砌体填充墙可以大幅度增加框架结构的初始刚度，试验中其初始刚度为空框架的2.3倍.虽然带填充墙的框架刚度退化较快，但是其极限刚度依然较大，仍具备较强的抗倒塌能力.

由于砌体的脆性特质以及填充墙的大量开裂，使得带节能砌体填充墙的框架强度退化较空框架严重，然而其强度退化系数始终保持在0.9以上，说明其强度退化程度较小，因此可以推断，试件在破坏后仍保持了较高的继续承载能力.

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试件CF2：当水平推力加到118 kN时，一层框架梁端部及填充墙出现一条微小的斜裂缝，此时的位移值为6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为6 mm.随着位移的进一步增大，当位移加到10 mm时，二层柱顶以及梁中部出现裂缝，填充墙的裂缝进一步发展.位移加到20 mm之后，水平荷载明显下降，此时，填充墙出现大量的阶梯型裂缝，同时一层柱中下部及二层柱顶也出现大量的裂缝.继续加载，当最终荷载降为最大荷载的85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时填充墙出现较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎现象，试件CF2停止加载.最终破坏如图5所示.

3.3刚度退化

在位移幅值不变的条件下，结构构件的刚度随反复加载的次数增加而降低的特性即为刚度退化.结构刚度的退化即为结构性能的退化.在试验过程中，裂缝的增多、位移的增大以及循环次数的增加都会导致结构刚度的退化，试验的刚度参照 《建筑抗震试验方法规程》[10]的割线刚度法进行计算，刚度退化试验结果见图8和表3.

4受力机制分析

从受力方面分析，CF1在承受水平推力时，由于水平力全部是由柱脚传给基础，框架柱的柱脚将产生较大的剪力和弯矩，而框架梁主要是受压以及梁柱节点的变形而产生较小的弯矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同时也先破坏.CF2在水平力的作用下，由于填充墙的支撑作用分担了部分水平力，从而提高了框架的承载能力，同时由于填充墙对框架的约束效应使得框架的变形能力变差.CF2与CF1比较，从柱上的裂缝分布情况看，柱中下部裂缝明显增多，且柱脚并没有出现明显的破坏迹象.这主要是因为填充墙改变了框架柱的内力分布，使得框架的破坏从剪切型向弯曲型过渡，同时柱脚得到了保护，使得柱脚并未出现明显的破坏迹象.砌体抗剪强度大于砂浆抗剪强度且砌体本身具有明显的脆性，因此试验中填充墙上出现了沿砂浆灰缝较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎的现象.

5结论

通过对两个框架结构的抗震试验研究，得出下列结论：

在RC框架结构中，节能砌体填充墙能够提高框架的承载能力，但是相应降低了框架结构的延性，其中试验中带砌体填充墙的框架承载力为空框架的1.87倍，延性系数只有空框架的60%.

在同一位移条件下，带节能砌体填充墙的框架滞回曲线饱满，说明填充墙提高了框架的整体耗能能力，同时填充墙比框架先退出工作，为框架多提供了一道抗震防线，从而提高了框架的抗震能力.

节能砌体填充墙对框架的约束效应使得框架结构的侧移减小，从而保证框架的侧移能够更好地满足规范要求，其中试验中结构的屈服位移、峰值位移和极限位移都下降了40%左右.

节能砌体填充墙可以大幅度增加框架结构的初始刚度，试验中其初始刚度为空框架的2.3倍.虽然带填充墙的框架刚度退化较快，但是其极限刚度依然较大，仍具备较强的抗倒塌能力.

由于砌体的脆性特质以及填充墙的大量开裂，使得带节能砌体填充墙的框架强度退化较空框架严重，然而其强度退化系数始终保持在0.9以上，说明其强度退化程度较小，因此可以推断，试件在破坏后仍保持了较高的继续承载能力.

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