不同填充墙布置的型钢再生混凝土框架抗震性能试验分析

薛建阳，高 亮，戚亮杰

(1．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055；2．四川省建筑科学研究院，四川 成都 610081)

框架-填充墙结构是目前我国应用最为广泛的结构形式之一．在结构计算中，通常认为填充墙为非结构构件，对结构体系的贡献相对较小．实际工程中仅通过对纯框架部分的基本周期进行折减来考虑填充墙对整个结构抗侧刚度的影响．但近年来的实际震害情况及科研成果[1-3]显示，填充墙在地震中先于主体框架结构发生严重损坏，对建筑的主要使用功能已造成较大影响．国内如四川汶川、玉树等地接连发生的强震，造成了城镇建筑中大量框架-填充墙结构的破坏甚至倒塌，再次说明考虑填充墙与框架的相互作用是十分必要的．

近年来我国倡导节能减排，落实低碳经济，发展绿色建筑，这使得结构领域对再生混凝土结构的研究越发重视．目前国内外对再生混凝土框架-再生空心砌块填充墙结构的研究尚处于起步阶段[4]，且大多数研究只针对再生混凝土纯框架结构[5-7]，而忽略填充墙对框架主体结构的影响．同时，为了提高整体结构的抗震性能，在再生混凝土结构中加入型钢构件形成型钢再生混凝土结构[8]，有效地推动了再生混凝土结构在高烈度抗震设防区应用及发展．

通过4榀1：2.5比例单层单跨的型钢再生混凝土框架-再生混凝土空心砌块填充墙试件的低周反复加载试验[9]，主要研究填充墙布置形式及墙体宽高比对该类结构抗震性能的影响，为其工程设计和应用提供参考．

1 试件设计及制作

本次试验的各试件梁、柱截面尺寸分别为 240 mm×150 mm和240 mm×180 mm，层高1 440 mm，跨度2 280 mm，试件具体几何尺寸如图1所示．试件 BF设计为纯框架，作为对比试件；试件 MWF为墙体全高填砌框架；试件HWF为墙体半高填砌框架；试件 LWF为宽高比 2.2的墙体全高填砌框架．具体的设计参数如表1所示．

图1 试件几何尺寸Fig.1 Geometries of the specimen

表1 试件设计参数Tab.1 Design parameter

图2 节点构造Fig.2 Details of joints

本次试验采用的再生混凝土由 100%再生骨料配制，混凝土配合比及钢材力学性能见文献[10]．再生混凝土立方体试块的抗压强度平均值为 52.02 MPa，砌块的设计强度等级为MU5.0，实测其抗压强度为5.62 MPa，抗拉强度为2.7 MPa，砌筑砂浆立方体抗压强度平均值为10.11 MPa．全高填充墙拉筋间距为 400 mm，半高填充墙拉筋间距为 200 mm，再生混凝土空心砌块细部构造示于图3中．

图3 空心砌块几何尺寸Fig.3 Geometry of hollow block

试验加载方案及测点布置情况详见文献[9]．

2 试验结果及分析

2.1 破坏过程及形态

各试件最终破坏形态如图4所示．

(1) 空框架试件BF在水平力作用下，框架梁端逐渐形成受弯主裂缝，而柱底出现少许横向裂缝．最后，梁端混凝土鼓起且大量剥落，拉筋外露，表现出明显的梁铰破坏机制．

(2) 半高墙体试件 HWF由于墙体顶面与框架梁底不接触，填充墙的存在对整个结构的变形限制相对较小，梁端混凝土破坏现象较为严重．而全高墙体试件MWF表现出较好的填充墙与框架协同工作特性，在水平力作用下，墙体沿对角线方向开裂明显，灰缝出现错动滑移现象；随着加载的进行，墙体局部砌块压碎脱落并退出工作，框架结构损伤较小．说明在水平力作用下填充墙充当抗震设防第一道防线，起到了保护梁柱框架的作用．

图4 试件破坏形态Fig.4 Failure modes of specimens

(3) 不同宽高比填充墙对于整体结构抗震性能有一定的影响．对于试件LWF，墙体角部砌块间的灰缝裂缝最先贯通，形成阶梯形开裂状；随着加载的继续，砌块上及梁端区域斜裂缝增多，框架与墙体逐渐脱开，墙体两端砌块脱落严重，拉筋压曲，墙体透光．

2.2 承载力及变形

表2所示为试件在各特征点处的荷载、层间位移角以及位移延性系数等特征参数[9]．其中，Pc、Py、Pm、Pu分别为结构的开裂荷载、屈服荷载、峰值荷载和破坏荷载，Δc、Δy、Δm、Δu为与各特征点荷载相对应的位移值，θc、θy、θm、θu为与其相对应的层间位移角，μ为位移延性系数，取μ=Δu/Δy．图5给出了不同填充墙布置形式对该结构承载力及位移延性系数的影响．分析表2和图5可以看出：

(1) 填充墙构件提高了框架-填充墙结构的水平承载力，提高程度与填充墙布置形式及宽高比相关．全高填充墙框架MWF的峰值荷载是空框架BF的1.67倍，填充墙半高填砌框架HWF的峰值荷载是空框架BF的1.16倍，填充墙宽高比为2.2的试件LWF，其峰值荷载是空框架BF的1.76倍．且在各加载阶段，带填充墙试件的承载力均高于空框架．试件的荷载-位移骨架曲线示于图6中．

(2) 当加载至开裂荷载时，试件BF的正、负向层间位移角均值为1/659，试件MWF为1/2804，试件HWF为1/1185，试件LWF为1/3618，可见试件开裂时的层间位移角随墙体开洞率的增大(试件HWF和 BF)而增大，随墙体宽高比的增大(试件LWF)而减小；屈服荷载时，空框架试件BF对应的正、负向层间位移角均值为 1/140，全高填充墙试件MWF为1/588，试件HWF为1/125，试件LWF为1/319，其中填充墙半高填砌框架HWF的屈服层间位移角略大于空框架 BF，表明随加载的继续，半高填砌的墙体对框架的约束作用减弱较快，但其在一定程度上仍然能够分担一部分水平地震作用．峰值荷载时试件BF对应的正、负向层间位移角均值为1/54，试件MWF为1/232，试件HWF为1/40，试件LWF为1/117．加载至破坏荷载时，试件BF对应的正、负向层间位移角均值为1/21，试件MWF为1/90，试件HWF为1/22，试件LWF为1/83，其中空框架与半高填充墙框架的破坏层间位移角均大于抗震规范中框架结构弹塑性层间位移角1/50的限值，全高填充墙框架的破坏层间位移角均大于规范中框架-剪力墙结构1/100的限值，表明该种结构具有较强的变形及抗倒塌能力．

(3) 空框架 BF在水平荷载下形成梁铰破坏机制，其承载力下降较为平缓，正、负向位移延性系数均值为 6.75，延性较好；全高填充墙框架结构MWF由于填充墙较早破坏，屈服位移较小，由于填充墙的存在，极限承载力较高，延性系数均值为6.6；半高填充墙框架HWF的初始刚度略大于空框架BF结构，正、负向位移延性系数均值为5.6；填充墙宽高比为2.2的试件LWF在加载后期由于墙体破坏严重，逐渐退出工作，承载力发生陡降现象，位移延性系数相对较小，为3.85．

表2 试验结果Tab.2 Test results of characteristic points

图5 不同填充墙布置及墙体宽高比对试件承载力及位移延性的影响Fig.5 The influence of different infilled walls and height-width ratio on loading capacity and displacement ductility

图6 试件骨架曲线Fig.6 Skeleton curves of specimens

2.3 耗能能力

表3所示为实测的各试件在不同特征点处的等效黏滞阻尼系数，图 7给出了各试件与空框架 BF耗能的比值关系曲线．加载前期，全高填充墙框架结构的等效粘滞阻尼系数较大，试件MWF和试件LWF在屈服点处的等效黏滞阻尼系数分别为空框架BF的1.94倍和2.02倍；随着加载的持续，结构变形逐渐增大，墙体破坏愈加严重并退出工作，之后水平荷载主要由框架承担，框架成为滞回耗能的主体，在峰值点附近，各个试件的等效粘滞阻尼系数差别不大．此时空框架和半高填充墙框架的梁端塑性铰的塑性发展更为充分，耗能能力明显高于全高布置的填充墙框架结构．在破坏点时填充墙全高填砌试件MWF和LWF的等效黏滞阻尼系数分别为空框架BF的0.40倍和0.41倍．在试件屈服之后，全高填充墙框架的等效黏滞阻尼系数比空框架和半高填充墙框架小，且随着加载的继续，等效黏滞阻尼系数的增长更为缓慢．说明宽高比处于1.7～2.2之间的框架结构，结构耗能受宽高比的影响不大．

图7 耗能比曲线Fig.7 Curves of energy dissipation ratio

表3 等效黏滞阻尼系数Tab.3 Equivalent viscous damping coefficients

2.4 刚度退化

图8所示为各试件的刚度退化曲线．

图8 刚度退化曲线Fig.8 Curves of stiffness degradation

可以看出，所有试件在加载初期刚度退化速率较快，随后刚度退化逐渐变缓，表现出由快到慢的趋势．同时，全高填充墙结构的初始刚度远远高于空框架和半高填充墙结构的初始刚度，试件BF和HWF的正、负向初始刚度均值分别为41.6 kN·mm-1和101.2 kN·mm-1，而全高填充墙试件MWF为523.4 kN·mm-1，LWF 为 1 455.8 kN·mm-1，表明当其他参数不变时，填充墙全高布置的试件 MWF，其初始刚度是空框架BF的12.6倍；填充墙宽高比为2.2的试件LWF，其初始刚度是空框架BF的35倍，说明填充墙布置及墙体宽高比对结构刚度的影响很大．填充墙框架试件的刚度退化速率均高于空框架，且墙体宽高比越大，其刚度退化速率越快，全高填充墙框架的刚度退化速率大于半高填充墙框架．另外，各试件在加载后期的割线刚度相近，表明加载后期墙体部分已基本退出工作，主要由型钢再生混凝土框架承担水平荷载．

3 结论

(1) 填充墙的存在提高了框架结构的承载力及抗侧刚度，墙体全高填砌的框架 MWF，其峰值荷载和初始刚度分别是空框架 BF的 1.67倍和 12.6倍，墙体半高填砌的框架 HWF，其峰值荷载和初始刚度分别是空框架BF的1.16倍和2.4倍，墙体宽高比为2.2的框架LWF，其峰值荷载和初始刚度分别是空框架BF的1.76倍和35倍．

(2) 随着荷载的增大，再生混凝土空心砌体填充墙逐渐开裂，型钢再生混凝土框架的塑性变形不断发展，刚度退化显著．

(3) 再生砌块填充墙框架的位移延性与填充墙布置及墙体宽高比有关，与空框架BF相比，墙体全高填砌的框架MWF和半高填砌的框架HWF，其位移延性略有降低，墙体宽高比为2.2的框架LWF，其位移延性降低明显．

(4) 空框架BF与墙体半高填砌的框架HWF，结构破坏时的层间位移角均接近1/20，明显大于墙体全高填砌框架MWF的1/90和LWF的1/83．

(5) 填充墙布置形式对结构的耗能性能有一定影响．与空框架相比，墙体全高填砌框架的耗能在加载的后期降低；而墙体宽高比对结构耗能的影响不大．

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