预应力扣压穿合式砌体墙体在水平低周反复荷载下的试验研究

李广辉　邓思华　李晨光

(1.北京建筑大学，北京　100044；2.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京　100039)

预应力扣压穿合式砌体墙体在水平低周反复荷载下的试验研究

李广辉1邓思华1李晨光2

(1.北京建筑大学，北京100044；2.北京市建筑工程研究院有限责任公司，北京100039)

【摘要】预应力扣压穿合式砌体是一种新型的砌体材料，经过试验研究为该砌体结构的应用推广提供理论依据。此次试验总共有6片足尺墙体，其中包括4片无芯柱配置预应力筋有砂浆墙体构件、1片无芯柱配置预应力筋无砂浆墙体构件、1片有芯柱无配置预应力筋有砂浆墙体构件。通过对墙体施加水平低周反复荷载，得出墙体在不同工况即有无芯柱有砂浆、无芯柱无砂浆及不同预应力施加状况下的非线性静力特性，包括试验构件开裂时的荷载和位移，构件达到极限状态时的荷载和位移，构件在破坏时的过程和形态，根据记录的数据绘制滞回曲线和骨架曲线，分析对比构件的延性、刚度退化性能、耗能性能等抗震性能指标，同时得到构件在预应力筋的最合适的轴压比。

【关键词】预应力；扣压穿合式砌体；水平低周反复荷载试验；抗剪承载力；延性

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.17

引言

扣压穿合式砌块，也称榫卯空心砌块，砌块砖的底面设有凹槽，砖顶面设有卡凸块，砌块上下扣合，咬合紧凑，贯穿固定成一体。这种新型砌块相较于普通砌块强度高，耐冲击力强。砌体试验包括6片实体墙体构件，通过对墙体施加水平低周反复荷载，得出墙体在不同工况即有无芯柱有砂浆、无芯柱无砂浆及不同预应力施加状况下的静力特性，包括破坏过程和破坏形态、开裂荷载、极限荷载、开裂位移、极限位移、滞回曲线和骨架曲线、延性、刚度退化性能等抗震性能指标，研究竖向预应力筋的最合适的应力比以及为这种新型结构未来的推广应用打下理论基础。

1试验概况

1.1试验构件的设计与制作

试验共制作了6片不同工况的墙体构件见表1。墙体尺寸统一，墙宽为3.6m，高为2.8m，厚0.2m。主要材料如下：1)砖为400×200mm×122mm混凝土榫卯空心砌砖，抗压强度为MU15级；2)砂浆为M15级混合砂浆；3)压顶梁选为C40细石混凝土；4)底梁选为C40细石混凝土；5)梁内纵筋为HRB400级，箍筋为HPB235级；6)预应力钢筋采用1×7 φ15.2钢绞线(极限抗拉强度1 860MPa)。墙体具体尺寸及配筋见图1～图3。图4～图7为试验构件现场制作的照片。

表1实验墙体工况汇总表

墙体编号砂浆强度等级竖向预应力个数轴压比间距(mm)Pcon(kN)W1M7.50———W2M7.540.21000100.5W3M7.540.31000150.7W4M7.580.41000100.5W5M7.580.51000125.6W6040.51000103

图1　有芯柱实验墙示意图

图2　4根预应力筋实验墙示意图

图3　8根预应力筋实验墙示意图

图4　地梁钢筋绑扎、支模板

图5　地梁混凝土浇筑

图6　砌体砌筑

图7　顶梁混凝土浇筑

2.2试验设置

试验加载装置和加载制度分别如图8和图9所示。首先由液压千斤顶施加220kN竖向荷载，并在试验全过程保持恒定，以模拟墙体所受上部结构的重力荷载，然后对预应力钢筋进行张拉。水平荷载由MTS液压伺服式作动器逐级往复施加。在开裂之前采用按水平荷载值控制分级加载，每级荷载循环一次，开裂后按开裂位移或其倍数值控制，每级位移循环三次。试验过程中实时测量竖向、水平荷载以及预应力筋内力，墙体水平位移，墙体应变等，同时观测墙体开裂位置以及裂缝开展情况。

图8　加载装置示意图

图9　加载制度示意图

3试验结果与分析

3.1试验加载及破坏全过程描述

W1为有芯柱无预应力筋有砂浆试验构件，当水平荷载加至极限荷载Pu的0.56倍(100kN)时开裂，墙体裂缝首先出现于墙体左下角。加载位移增加至极限位移Δu的0.52倍(10mm)时，初始斜裂缝扩展，形成贯通墙体的主斜裂缝，随之墙体发生巨大的“嘭”的响声。在反复荷载作用下，水平主裂缝延伸变宽，且伴有开裂的沙沙声，墙体明显错动。当水平荷载加到Pu时，底部主裂缝发生错动，墙体发生脆性受剪破坏。

W2为无芯柱配置预应力筋有砂浆试验构件，σp/f=0.2，当水平荷载加载至极限荷载Pu的0.24倍(75kN)时开裂，墙体裂缝首先出现于墙体下角。加载位移增加至极限位移Δu的0.5倍(5mm)时，初始裂缝沿水平扩展，形成贯通主裂缝，并发出滑移响声。在反复荷载作用下，原有的裂缝延伸变宽，墙体明显错动。但承载力一直保持不下降，由于墙体发生较大错动，判定为发生剪切破坏。

W3为无芯柱配置预应力筋有砂浆试验构件，σp/f=0.3，当水平荷载加载至极限荷载Pu的0.24倍(90kN)时开裂，墙体首先出现裂缝形式为剪切型斜裂缝，且首先出现于墙体左下角。出现剪切斜裂缝后转为按位移加载形式，加载位移增加至极限位移Δu的0.61倍(5.85mm)时，破坏过程与W2相似。

W4为无芯柱配置预应力筋有砂浆试验构件，σp/f=0.4，当水平荷载加载至极限荷载Pu的0.42倍(130kN)时开裂，墙体裂缝首先出现于墙体下角。出现剪切斜裂缝后转为按位移加载形式，加载位移增加至极限位移Δu的0.7倍(9mm)时，破坏过程与W2相似。

W5为无芯柱配置预应力筋有砂浆实验墙，σp/f=0.5，当水平荷载加载至极限荷载Pu的0.19倍(80kN)时开裂，W5墙体首先出现裂缝形式为剪切型斜裂缝，且首先出现于墙体左下角。加载位移增加至极限位移Δu的0.51倍(9mm)时，破坏过程与W2相似。

W6为无芯柱配置预应力筋无砂浆实验墙，由预应力合力产生的墙体轴压比0.5，当水平荷载加载至极限荷载Pu的0.6倍(60kN)时开裂，墙体首先出现于墙体下角。加载位移增加至极限位移Δu的0.37倍(3mm)时，发现平面外位移较大，考虑墙体破坏后的安全问题，在其还没有出现完全裂缝时就停止试验，大致有两方面的原因，一是块体之间没有砂浆，二是墙体砌筑施工质量不好，产生了初始的平面外位移。

破坏后的照片见图10。

3.2水平荷载-位移滞回曲线

W1～W6墙体的荷载-位移滞回曲线如图11所示。

图10　墙片破坏时裂缝分布照片

图11　各墙片荷载-位移滞回曲线

未加预应力灌浆芯柱的W1墙，承载力比较低，滞回曲线捏拢大，滞回曲线的面积小，延性差，W6墙体的滞回曲线捏拢性较大，滞回环面积较小，承载力低，延性差，说明耗能能力不好。加上预应力筋之后的墙体W2～W5的滞回曲线更加饱满，滞回环的捏拢程度有明显改善，滞回环的面积增加，提高了延性和承载能力，展示出较好的耗能能力。综合对比可以得知，预应力值的大小，在较大程度上影响着滞回曲线的饱满程度、墙体的变形和承载能力。其中，W2墙体的延性最好，W3墙体的滞回环则最为丰满，W5墙体的承载力最高。

3.3骨架曲线

通过W1～W5墙片骨架曲线(图12)的对比分析得知，采用预应力砌体墙体，墙体的抗剪承载力和变形能力显著提高。随着预应力的增加，墙体的抗剪承载力有显著提高。其中，预应力W2、W3、W4、W5墙的抗剪承载力分别较无预应力有芯柱的W1墙提高了65%、160%、81%、161%，W2～W5墙随着轴压比的增大，承载力逐渐增大。

图12　各片墙体的荷载-位移骨架曲线

通过简单处理各墙片的平均骨架曲线(图13)，可以得到砌体墙片的开裂荷载、开裂位移、极限荷载、极限位移、屈服荷载、屈服位移、延性系数。

由图表数据可以得知，有预应力钢筋的墙体相比无预应力的墙体在各项指标都有较大程度的提高，尤其是抗剪承载力。其中W5墙片极限荷载增幅最大，这表明新型预应力钢筋砌体墙可以有效提高砌体的整体性能，还可以有效地提高开裂荷载以及抑制裂缝开展过程。当预应力产生的墙体轴压比为0.5左右时，无论是整截面墙体延性提高最为显著。同时延性系数随着轴压比的增加而有所增加出，这表明加大预应力钢筋应力比后砌体表现延性增加的趋势，但趋势不明显。

图13　为各片墙体的平均骨架曲线

表2试验试件主要受力性能指标

试件编号W1W2W3W4W5W6开裂荷载Pcr(kN)12070901308060开裂位移Δcr(mm)1.220.50.4520.50.78屈服荷载Py(kN)14520627519719970屈服位移Δy(mm)42.53.153.51.51极限荷载Pu(kN)179296466.5324467101极限位移Δu(mm)1058.2878.454破损荷载Pu,d(kN)151197.733022532793破损位移Δu,d(mm)2310.59.451212.56延性系数μ5.754.233.58.36 注:(1)Δu,d为骨架曲线下降段0.85Pu对应的位移值。(2)延性系数μ=Δu,d/Δy

3.4刚度退化性能

各试验墙体有大致相同的刚度退化趋势(图14)，墙体有较大初始刚度，刚度随着位移的增大而缓慢退化，当墙体开裂，刚度开始迅速退化，直到墙体裂缝贯通，刚度的退化基本趋于稳定。W1与W2～W5相对比可以得知，对无预应力的墙体施加预应力之后，明显的提高了墙体的初始刚度。施加预应力墙体的抗侧承载力和刚度也有较大增强，这是由于刚度缓慢退化给预应力墙体带来的优势体现，同时预应力钢筋提高了墙体整体性，也提高了砌体墙片在大震中后期的刚度。

3.5耗能性能

随着墙体的位移加载不断增大，砌体经历了开裂、刚度退化、破坏的状态，同时在此过程中砌体内部之间产生了摩擦力。施加预应力后，使得榫卯砌块上下扣合的更紧密增加了砌体间的咬合力，加强了摩擦耗能。从绝对数值上看(图15)，施加预应力的整截面墙体的耗能指标要比未加预应力的墙体好。其中W2为W1的2.09倍、W3为W1的2.7倍、W4为W1的2倍、W5为W1的2.8倍，数据表明施加预应力钢筋后砌体耗能能力显著提高。

图14　各片墙体的刚度退化曲线

图15　墙片每一级滞回环面积-位移曲线

4结论

在墙体的抗剪承载力方面，在竖向荷载作用下的预应力扣压穿合式砌块墙体比同状态下而未施加预应力的墙体有大幅提高。通过W2～W5墙体的对比分析得知，随着预应力的增加，开裂荷载提高幅度不明显，但对抗剪承载力有明显的提高。

在裂缝发展和破坏特征方面，普通墙体上细微

分布裂缝数量上比较少，有明显的主裂缝，破坏时发出很大的嘭的响声，墙体的两面均出现较宽的裂缝，出现特征较为明显的脆性破坏。而施加预应力的墙体上出现较多的裂缝，这些裂缝分布较密且裂缝宽度较小，对墙体施加的预应力越大裂缝分布越分散，这些裂缝几乎布满整片墙体，但是未出现宽度较大的主裂缝。墙体受力较均匀，充分发挥了材料性能，表现出比较明显的延性破坏特征，并且裂缝在卸载后能重新闭合，墙体表现出较好的整体性，裂而不散，抗倒塌性能较强。

在耗能性能方面，预应力扣压穿合式空心砌块墙体比同状态下而未施加预应力的墙体有所提高，提高幅度约为2～3倍。

W1～W5墙体的初始刚度均较大，刚度退化过程与趋势基本一致，当墙体出现裂缝后均出现较为迅速的刚度退化。由对墙体的实验数据及结果可以看出，预应力扣压穿合式空心砌块墙体的刚度相比非预应力墙体有所提高，这也能说明墙体的抗侧刚度在预应力作用下有所提高。

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Quasi-Static Reversed Cyclic Loading Test of Prestressed Withhold Tenon Type Masonry

Li Guanghui1，Deng Sihua1，Li Chenguang2

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044，China； 2.BeijingBuildingConstructingResearchInstitute，Beijing100039，China)

Abstract:Prestressed withhold tenon type masonry is a new type of masonry material.It provides a theoretical basis for the application of this new masonry structure through the promotion of experimental research.This test incluves a total of six prestressed withhold fit through masonry walls，including four tendons with no stem test mortar walls，a configuration tendons to free the stem no mortar test wall，and 1 piece with no tendons experimental stem wall.Through quasi-static reversed cyclic loading test of masonry walls，the results show that the nonlinear static characteristics of walls with tendons with no stem test mortar，tendons no stem and mortar，no tendons experimental stem wall.The results include the loads and displacements when walls cracking and reaching the limit state.It also shows the walls’ destruction process and shapes.The hysteretic curves and skeleton curves can be plotted according to the test data.It analyzes and compares the walls’ ductility，stiffness degradation performance，seismic energy dissipation performance，and obtains walls’ most suitable ratio of axial compression stress using tendons.

Key Words：Prestress; Withhold Tenon Type Masonry; Quasi-Static Reversed Cyclic Loading Test; Shear Capacity; Ductility

【作者简介】李广辉(1988-)，男，硕士研究生在读，建筑与土木工程专业，主要从事住宅产业化方面的研究。

【中图分类号】TU378

【文献标识码】A

【文章编号】1674-7461(2016)03-0089-07