不同连接方式下新型砌体填充墙框架结构的抗震性能

吴方伯++李大禹++欧阳靖++蒋文++周绪红

摘要：试验设计了4榀足尺框架结构，其中1榀为空框架，3榀为带新型横孔空心砌块砌体填充墙，带填充墙框架试件分为刚性连接试件和柔性连接试件2种。对各试件在恒定竖向力和水平低周反复荷载作用下的抗震性能进行试验，研究了框架在不同连接形式下的破坏特征、滞回特性、骨架曲线、位移延性、刚度退化、强度退化、耗能能力。结果表明：柔性连接试件抗震性能介于空框架和刚性连接试件之间，框架梁和填充墙采用拉结筋连接试件的抗震性能相对于未设置拉结筋试件有所改善，但提高幅度有限。

关键词：钢筋混凝土框架；新型混凝土横孔空心砌块；拟静力试验；柔性连接；刚性连接；抗震性能

中图分类号：TU375.4 文献标志码：A

0 引 言

砌体填充墙框架结构在中国建筑结构中应用广泛。为了保护土地资源和生态环境，过去大量应用的粘土实心砖已逐渐被取缔，取而代之的是新型墙体材料[1]，如混凝土空心砌块等。世界上几次大地震调查数据表明，填充墙与框架之间相互作用复杂。在中国以往对框架填充墙抗震性能方面的研究中，墙体大都采用传统粘土砖墙或混凝土墙[26]，本文中的新型混凝土横孔空心砌块相较于其他砌块具有施工方便以及保温、隔热、防火、防渗性能好等优点，但其与框架结构不同连接方式下的抗震性能一直鲜有研究。

填充墙通常被当作非结构构件来设计，不考虑其对结构整体刚度的影响[7]。为了减小填充墙对框架结构的不利影响，《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）和《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）均建议填充墙与框架应脱开或采用柔性连接。为此，本文对新型横孔空心砌块填充墙与框架结构采用不同连接形式进行抗震性能试验研究，针对此种横孔连锁砌体提出填充墙与框架柱、梁采用拉结筋连接，其中框架梁的拉结筋锚固在顶皮砌块的现浇钢筋混凝土带中，增强框架与填充墙的协同工作，减小填充墙对框架的不利影响，改善整体结构的抗震性能。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

为了研究新型砌体填充墙与框架不同连接形式下的抗震性能，本文采用刚性连接和柔性连接2种不同连接方式。试验设计试件采用足尺模型以剔除尺寸效应，制作了1榀空框架和3榀带填充墙框架，其中1榀为刚性连接，2榀为柔性连接。试件设计情况如表1所示。填充墙墙体材料采用新型横孔空心砌块，主砌块尺寸为290 mm×190 mm×200 mm，辅砌块尺寸为145 mm×190 mm×200 mm，砌块块型如图1所示。框架柱设计轴压比为0.23，实际施加的轴压力为300 kN。试件KK尺寸及配筋情况如图2所示，各试件示意如图3所示。柔性连接构造方式如图4所示。

1.2 材料力学性能

框架梁、柱混凝土强度等级为C30，水泥、砂、石子、水的配合比为1∶1.56∶3.16∶0.52，采用425号水泥；填充墙中设置水平钢筋混凝土带，采用C20细石混凝土现浇，水泥、砂、石子、水的配合比为1∶2.01∶3.27∶0.54，采用425号水泥，并配置26通长拉结筋；砌块强度等级为MU3.5，砌筑砂浆强度等级为M5。梁、柱箍筋采用HPB300级钢筋，纵筋采用HRB400级钢筋。按有关试验标准在浇筑试件的同时制作试块，养护条件同墙体试件，并对试件所用材料进行材性试验，实测结果见表2。

1.3 试验加载与量测方案

1.3.1 加载装置

试验采用MTS加载系统，通过推拉力为1 000 kN的电液伺服作动器端部钢板与4根钢杆对框架施加水平低周反复荷载，作动器荷载的作用线通过框架梁的形心，其中水平作动器一端固定于反力墙，另一端通过钢杆、螺栓及钢板与框架梁连接。2台液压千斤顶通过反力梁对框架柱施加竖向荷载至预定轴力，并在试验过程中保持不变，反力梁固定于可允许千斤顶和框架共同沿水平方向作微小移动的柔性钢拉杆上。试验加载装置如图5所示。

1.3.2 加载制度

按照《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96）有关规定设计加载方案，采用力位移混合加载，试验加载制度如图6所示。加载方案具体程序为：

（1）试验进行前，在2个框架柱上施加竖向荷载300 kN（图5），然后施以1/4预估开裂位移进行预加载，反复2次，检查试件安装是否精准，竖向荷载加载装置是否可靠，应变和位移测量仪器是否正常工作，固定仪器装置是否稳固等。

（2）试件屈服前，采用力控制并分级加载，每级荷载循环1次直至试件屈服，随后改用位移控制，以试件屈服位移的倍数为级差进行加载，每级位移加载循环3次。随着变形的增加，试件的水平荷载下

降至极限荷载的85%，加载停止。

1.3.3 量测方案

位移计1#，2#，3#分别对框架梁中心轴高度、框架柱一半高度处及柱根部的水平位移进行测量（图7），为观测地梁可能发生的水平位移，在地梁水平方向安装4#位移计。应变片布置在梁、柱端部关键受力区域的纵筋和箍筋上。通过控制器和数据采集仪自动收集试验过程中所有的荷载、位移和应变信号。在试件开裂后，每加载或卸载1次，都采用裂缝放大镜仔细观察墙体的裂缝发展情况，并记录下来，以了解试件的损伤情况。

2 试验现象及分析

2.1 试件主要破坏过程

2.1.1 试件KK

当水平荷载为20 kN时，在柱根部出现第1条弯曲裂缝，梁端部也相继出现弯曲裂缝。梁、柱端部随着水平荷载的增大不断产生新的裂缝，且逐渐向梁、柱中部过渡。旧裂缝随着荷载增大不断发展，在梁、柱端部侧面逐渐形成贯通。当水平荷载为80 kN时，梁端纵筋和柱根部纵筋相继进入屈服状态。此后进入位移加载，每级位移加载循环3次。在位移幅值为60 mm时，柱根部混凝土保护层剥落，纵筋外露，混凝土压碎，形成塑性铰。在位移幅值为90 mm时，梁、柱端部混凝土压碎剥落严重，纵筋裸露，此时试件的水平承载力小于极限荷载的85%，加载停止。试件最终破坏情况如图8（a）所示。

2.1.2 试件GQK

当水平荷载为30 kN时，填充墙灰缝处出现裂缝，柱根部出现1条弯曲裂缝，随后在梁端部出现弯曲裂缝。随着水平荷载的增大，填充墙裂缝不断发展，梁、柱端出现多条新裂缝。当水平荷载为70 kN时，墙体形成阶梯形裂缝，填充墙顶部出现水平荷载，梁、柱不断产生新的裂缝。当水平荷载为80 kN时，填充墙裂缝不断发展、变宽，顶部砌块发生脱落，梁、柱端部裂缝逐渐在侧面形成贯通裂缝，梁端纵筋和柱根部纵筋相继进入屈服状态。此后进入位移加载，每级位移加载循环3次。在位移幅值为40 mm时，填充墙破坏严重，柱根部混凝土压碎，保护层剥落，形成塑性铰，填充墙顶端一皮砌块剥落严重。在位移幅值为60 mm时，梁、柱端部混凝土压碎剥落严重，纵筋裸露，此时试件的水平承载力小于极限荷载的85%，加载停止。试件最终破坏情况如图8（b）所示。

2.1.3 试件RQK1

当水平荷载为20 kN时，填充墙出现裂缝，柱根部出现弯曲裂缝。当水平荷载为40 kN时，填充墙出现阶梯形裂缝。填充墙裂缝随着水平荷载的增大而不断发展，同时在柱端侧面出现裂缝。当水平荷载为80 kN时，柱纵筋进入屈服状态。此后进入位移加载，每级位移加载循环3次。在位移幅值为60 mm时，填充墙局部发生破碎。在位移幅值为80 mm时，梁、柱端部混凝土剥落，此时试件的水平承载力小于极限荷载的85%，加载停止。试件最终破坏情况如图8（c）所示。

2.1.4 试件RQK2

当水平荷载为20 kN时，填充墙出现裂缝，柱根部出现弯曲裂缝。当水平荷载为40 kN时，填充墙出现阶梯形裂缝。填充墙裂缝随着水平荷载的增大而不断发展，同时在柱端侧面也出现裂缝。当水平荷载为100 kN时，柱纵筋进入屈服状态。此后进入位移加载，每级位移加载循环3次。在位移幅值为60 mm时，填充墙局部发生破碎。在位移幅值为90 mm时，梁、柱端部混凝土剥落，填充墙下部砌块出现梯形破坏，此时试件的水平承载力小于极限荷载的85%，加载停止。试件最终破坏情况如图8（d）所示。

2.2 滞回曲线

各试件的荷载位移（Pδ）滞回曲线如图9所示。由各试件的滞回曲线可以得出：

2.2.1 试件KK

试件KK开裂前滞回环面积极小，卸载后变形可恢复，试件处于弹性工作阶段；随着荷载的增加，试件开裂后滞回环呈梭形，耗能能力增大；试件屈服后曲线呈现弓形，耗能能力增大，滞回环表现出少许的“捏缩”现象，试件处于弹塑性工作阶段；达到峰值荷载前滞回环出现明显的“捏缩”现象，曲线呈现梭形，耗能能力进一步增大；达到峰值荷载后滞回环呈现倒S形，卸载的残余变形较大，耗能能力降低，峰值荷载后承载力下降较为平缓。

2.2.2 试件GQK

试件GQK开裂前的现象同试件KK，位移较小，试件处于弹性工作阶段；试件开裂后滞回环呈梭形，耗能能力增大；随着荷载的增大，填充墙开裂严重，位移快速增大，滞回环出现明显的“捏缩”现象，曲线呈现倒S形，卸载的残余变形很大，耗能能力下降较快，峰值荷载后承载力下降较为迅速。

2.2.3 试件RQK1和试件RQK2

试件RQK1和试件RQK2屈服之前滞回曲线与耗能能力类似于试件KK；试件屈服后，进行位移循环加载，此时的滞回环出现少许的“捏缩”现象，曲线呈现倒S形，试件耗能能力变大，试件处于弹塑性阶段；试件的承载力逐渐增至极限荷载，滞回环出现明显的“捏缩”现象，卸载的残余变形较大，耗能能力降低，曲线呈现倒S形，峰值荷载下降较试件GQK平缓。

2.3 骨架曲线

根据《建筑抗震试验方法规程》中的规定，试件的骨架曲线取各加载级第1循环的峰点所连成的包络线，如图10所示。试件GQK在位移幅值为60 mm的第3次循环时，荷载下降到极限荷载的85%

以下，加载停止。骨架曲线上各主要加载阶段的特征荷载和特征位移如表3所示。

由图10和表3得出以下结论：

别为试件极限荷载和极限位移，极限荷载定义为峰值荷载的85%；μ为位移延性系数。 （1）相对于空框架KK，刚性连接试件的开裂荷载有了提高，开裂位移较小，在填充墙开裂后，位移迅速增大，柔性连接试件的开裂荷载提高幅度较小。

（2）相对于空框架KK，填充墙的存在提高了结构的峰值荷载，其中刚性连接试件GQK提高幅度最大，是试件KK的1.40倍，柔性连接试件RQK1和试件RQK2次之，均是试件KK的1.24倍。

（3）相对于空框架KK，刚性连接试件GQK破坏时的位移明显减小，柔性连接试件RQK1破坏时的位移较刚性连接大，是因为框架与填充墙预留缝减小了相互之间的顶推作用，试件RQK2破坏时的位移与空框架KK接近，但由于框架梁和填充墙之间有拉结筋的作用，极限荷载有所提高，极限位移相对于试件RQK1增大，接近于试件KK。

2.4 位移延性

位移延性系数μ为试件的极限位移δu与屈服位移δy之比。实际位移延性系数考虑试件的滞回曲线并非完全对称后按式（1）计算，即

μ=|+δu|+|-δu||+δy|+|-δy|

（1）

根据表3可知：

（1）试件KK的位移延性系数μ为3.81，刚性连接试件GQK的位移延性系数为3.25，刚性连接整体结构的位移延性系数较空框架有所降低，但幅度较小，因为填充墙严重开裂后，位移迅速增大，变形趋于空框架。

（2）柔性连接试件的位移延性系数在3.76～3.99之间，其中试件RQK1由于框架梁与填充墙之间设置预留缝，延性有所改善，而试件RQK2在框架梁和填充墙之间设置拉结筋，延性较空框架略低。柔性连接试件延性均高于刚性连接试件。

2.5 刚度退化

试件刚度采用滞回环峰值点的割线刚度K来表示，并取正反向平均值。各试件的割线刚度随位移的退化曲线如图11所示。由图11可知：

（1）随着位移的增加，刚性连接试件GQK刚度在经历加载初期的波动后退化速率较柔性连接快，空框架KK刚度退化速率最慢，且各试件刚度退化速率逐渐减小。各试件之间的刚度差异随着位移的增大逐渐减小，最终趋于接近，表明此时主要由框架对刚度做出贡献，填充墙基本退出工作。

（2）带填充墙试件较空框架试件刚度有明显改善，刚性连接试件GQK的初始刚度是空框架KK的2.82倍，柔性连接试件RQK1和试件RQK2的初始刚度较试件GQK有所减弱，是空框架KK初始刚度的2.62倍～2.74倍，其中由于试件RQK2框架梁与填充墙之间采用拉结筋连接，初始刚度较试件RQK1略高。

2.6 强度退化

在反复加载过程中，随着循环次数的增加，填充墙框架在某一级位移幅值下峰值荷载出现降低的现象称为强度退化[3]。根据《建筑抗震试验方法规程》，试件强度退化系数λn应按式（2）计算，即

λn=PnPn-1

（2）

式中：Pn为某一级位移幅值下第n次循环的峰值荷载；Pn-1为某一级位移幅值下第n-1次循环的峰值荷载。

各试件在某一级位移幅值下的强度退化系数如图12所示。在位移幅值为90 mm的第1次循环中，承载力下降至极限荷载的85%以下，加载停止。由图12可知：刚性连接试件GQK在一定的位移幅值下第2，3次循环衰减幅度大于其他试件，空框架试件KK的衰减幅度最小，其次是柔性连接试件，试件RQK1和试件RQK2第3次循环衰减幅度远小于第2次循环衰减幅度。这表明填充墙逐渐退出工作后，由于柔性连接框架与填充墙之间设置了预留缝并采用拉结筋进行有效拉结，减小了填充墙对框架结构的不利影响。

2.7 耗能能力

各试件累积耗能曲线如图13所示，累积耗能E为试件在不同位移幅值时3次循环的耗能之和，其中柔性连接试件RQK2在位移幅值为90 mm时第1次循环承载力下降至极限荷载的85%以下，加载停止，因此这里未计入。由图13可知：

（1）随着位移的增加，试件的累积耗能不断增大，且增速加快。带填充墙的试件耗能大于空框架，在位移幅值60 mm时，刚性连接试件GQK的累积耗能是空框架KK的1.73倍，柔性连接试件是空框架KK的1.31倍～1.57倍。

（2）在不同的受力阶段，各试件耗能能力不同。在位移幅值60 mm的循环后，试件GQK耗能能力较差，达到试验终止条件，而试件RQK1和试件RQK2仍具有一定的耗能能力，此时填充墙退出工作，框架成为耗能主体。这说明柔性连接耗能能力要优于刚性连接。

3 结 语

（1）填充墙的存在提高了框架的承载能力，刚性连接提高幅度最大，柔性连接次之。

（2）填充墙框架结构采用柔性连接相对于刚性连接具有良好的延性，对于柔性连接，框架梁与填充墙采用拉结筋连接试件RQK2延性较未采用连接试件RQK1有所提高，但提高幅度不大。

（3）填充墙对框架刚度有明显的贡献，试件RQK2初始刚度较试件RQK1略高。随着荷载增大，柔性连接试件刚度退化较刚性连接试件慢。

（4）柔性连接试件在一定的位移幅值循环加载下衰减幅度介于刚性连接试件和空框架之间，其中试件RQK2在多次循环后衰减幅度逐渐减小，相对于试件RQK1有所改善。

（5）柔性连接试件的耗能能力要优于刚性连接试件。

（6）柔性连接试件抗震性能介于空框架和刚性连接试件之间，其中框架梁和填充墙采用拉结筋连接试件抗震性能相对于未设置拉结筋试件有所改善，但提高幅度有限。对于柔性连接的构造措施需进一步改进。

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