薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体抗震性能试验

秦朝刚++白国良++浮广明

摘要：为研究设置水平拉结带和构造柱圈梁对薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体抗震性能的影响，共设计了9片墙体试件，对比分析了有无构造措施的薄灰缝组合墙体的抗震性能，研究了竖向压应力、洞口大小、洞口位置对墙体抗震性能的影响，并分析了其破坏机理。结果表明：设置水平拉结带和构造柱圈梁后组合墙体整体性增加，各阶段主要受力部位由上下区砌块墙体转变为端部构造柱，因此破坏主要集中在该部分；设置水平拉结带和构造柱圈梁的墙体抗震性能明显优于未设置该措施的墙体，承载力和变形能力均有较大幅度增加，滞回曲线饱满，刚度退化缓慢并有一定残余刚度，后期变形性能好；组合墙体洞口两侧破坏严重，洞口显著削弱墙体的承载力。

关键词：组合墙体；拟静力试验；抗震性能；破坏机理

中图分类号：TU352文献标志码：A

Experiment of Seismic Behavior of Thin Mortar Composite

Masonry Wall with Thin Shell Thermal BlockQIN Chaogang1， BAI Guoliang1， FU Guangming2

（1. School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China；

2. Xian Research & Design Institute of Wall & Roof Materials， Xian 710061， Shaanxi， China）Abstract： In order to study the influence of setting horizontal binding bands and constructional columnbeam on seismic behavior of thin motor composite wall with thin shell thermal block， nine wall specimens were designed.The seismic behaviors of walls were compared with or without horizontal binding bands and constructional columnbeam， and the influences of vertical compressed stress， size of opening and position of opening on the seismic behavior of masonry walls， and the failure mechanism were analyzed. The results show that the integral performance of the wall is increased through setting horizontal binding bands and constructional columnbeam. The bearing capacity changes from up and down parts of walls to the constructional column， so serious damage is concentrated in the constructional column. The seismic behavior of walls with horizontal binding bands and constructional columnbeam is obviously better than that without the construction， and the bearing capacity and deformation performance are increased， the hysteresis loops are plump， the stiffness degradation is slow and has residual stiffness， and the later deformation performance is good. The both sides of opening of composite masonry wall are seriously damaged， so the bearing capacity is weakened by opening.

Key words： composite masonry wall； pseudostatic test； seismic behavior； failure mechanism

0引言

建筑能耗大一直是社會绿色发展的一个制约因素，在行业中展开的各种改革创新措施一直都在改变着原有的行业面貌。在墙体材料改革中，将墙体建筑功能需要与结构性能结合，形成自保温砌块，包括混凝土砌块[12]和页岩类砌块[34]等。研发生产的新型节能砌块通过矩形孔密集排列延长室内外空气对流的路径，其热工性能良好，显著改善了外墙的保温隔热性能，实现了墙体自保温，但是高孔洞率及薄孔壁增强了砌块本身的脆性特征[56]。通过砌块砌体基本力学性能试验研究可以看出，随着外壁的崩落，砌块及砌体基本丧失了承载力。因其特殊砌筑工艺，不能在墙体内部配置水平和竖向钢筋来提高其承载力和变形性能[79]。为改善砌块薄灰缝墙体抗震性能，同时不影响墙体的保温隔热效果，拉结带外贴WDF砌块[1011]形成了一种页岩烧结保温空心砌块墙体保温现浇带[12]。水平钢筋混凝土现浇带与构造柱圈梁组成新的抗震构造，形成节能砌块薄灰缝组合墙体，改变其破坏形态和性能。中国现行规范[1314]均涉及高孔洞率（孔洞率达50%以上）砌块及其墙体的计算及抗震构造措施，本文将通过拟静力试验研究薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体的抗震性能，并对其设计提出建议。

1试件设计与加载

1.1钢筋混凝土拉结带和构造柱圈梁设计

为提高砌体结构抵抗水平荷载能力，增强其承载力和变形性能，通常在灰缝内设置构造钢筋，形成约束砌体或配筋砌体，或者在墙体端部设置构造柱形成组合墙体[1519]。节能砌块薄灰缝砌体有其特殊的砌筑工艺：侧面通过砌块外壁凸肋互锁顶紧形成干砌竖缝，为降低水平灰缝热桥效应使用专用干粉砂浆形成1～2 mm的薄灰缝，设计了钢筋混凝土水平拉结带，如图1所示。水平拉结带可用于该类型砌块的薄灰缝砌体墙或框架填充墙，与端部竖向构件（构造柱或框架柱）一起提高薄灰缝墙体的整体性能。构造柱、圈梁和

型号6@200/1006@2006@300几何尺寸200 mm×365 mm300 mm×365 mm50 mm×365 mm水平拉结带和构造柱圈梁混凝土强度等级均为C20，实测立方体抗压强度分别为22.5，26.7 MPa；钢筋力学性能见表2。本次试验中，混凝土构件均为现场浇筑。考虑实际工程中砌块砌体施工速度较快，水平拉结带可在工厂预制，现场安装。

新型砌块墙体形成组合墙体的措施类型多样[2021]，为探讨水平拉结带和构造柱圈梁对节能砌块薄灰缝组合墙体抗震性能影响，本文试验设计了9片墙体TMW1～TMW9，分为3组，每组3个试件。第1组试件为无构造措施的薄灰缝墙体，轴压比分别为0.1，0.3和0.5；第2组试件与第1组试件相比，除构造柱圈梁外，沿墙体高度每隔3～4皮砌块设置1条50 mm厚钢筋混凝土水平拉结带（50 mm厚是为了墙体层高满足建筑模数需要），共设计了2条水平拉结带（图2）；第3组试件在第2组试件基础上设置了不同形式的洞口（窗洞和门洞）。试件设计参数见表3。本次试验所用砌块强度等级为MU10，专用砂浆强度为17.3 MPa。

1.3加载方案

全部试件通过拟静力试验测试，竖向千斤顶提供竖向压力，水平荷载通过1 000 kN电液伺服系统在圈梁部位提供。试件采用荷载位移混合控制方式加载[22]，开裂前采用荷载控制，第1组试件荷载加载梯度为20 kN，第2组试件和第3组试件荷载加载梯度为50 kN，待试件开裂后，按位移控制加载，以各片墙体的开裂位移Δcr为加载梯度。试验加载制度和加载装置如图3所示，其中，P为荷载，Δ为位移，Pcr为开裂荷载。

薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体在较大竖向荷载和水平荷载的共同作用下内部裂缝应为“X”型剪切裂缝（TMW2，TMW3）。随着加载进行，第1组试件TMW2和TMW3墙体裂缝首先出现在墙体四角处，继续加载时墙体顶部的水平灰缝沿阶梯型模式向墙体中心发展，而底部裂缝的发展主要在砌块上。最终墙体“X”型裂缝形式为：阶梯状水平灰缝形成“X”型裂缝上部，角部区域砌块表面的裂缝群形成“X”型裂缝下部。TMW1由于竖向荷载小，在水平荷载作用下，墙体沿底部水平薄灰缝出现了整体滑移，上部墙体较完整。随着竖向荷载增加，第1组试件裂缝形态从水平滑移转变为剪切型裂缝[图5（a）～（c）]。

对于第2组试件TMW4，TMW5和TMW6，设置在薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体端部的构造柱和内部水平拉结带将其分割为上中下3个区域，墙体的裂缝并非成典型的“X”型。在水平荷载和竖向荷载的共同作用下，裂缝自墙体的四角开始并延伸，主要出现在水平灰缝和砌块表面，当上下角部的裂缝延伸至水平拉结带后基本终止；随墙体顶部水平位移增大，构造柱变形增加，其底部钢筋应变增大，侧面出现数条与水平灰缝平行的裂缝。墙体顶部出现往复变形，使变形性能较好的构造柱反复挤压上区和下区的脆性砌块，通过凸肋互锁顶紧的砌块之间相互挤压，砌块外壁在裂缝发展充分后崩落，其内壁表面裂缝发展充分。上下2条水平拉结带阻止了墙体角部裂缝的延伸，避免墙体四角裂缝向墙体中部延伸交汇，严重破坏薄壁节能砌块（薄壁节能砌块外壁破坏后砌块失去整体性，承载力迅速降低）。墙体上区和下区砌块外壁崩落，使得水平荷载开始由构造柱承担，其底部的裂缝逐渐变宽，钢筋进入屈服阶段，待墙体承载力降至極限荷载的85%时，墙体破坏。最终破坏时构造柱底部钢筋屈服，墙体上区、下区砌块破坏严重，随着竖向荷载增加，角部少量裂缝穿过水平拉结带，中区仅部分砌块表面形成细微裂缝，基本完整。该体系保护了薄壁砌块，且明显增加了墙体的破坏位移（表4）。第2组试件各墙体的裂缝发展形态如图5（d）～（f）所示。

3抗震性能分析

3.1承载力与耗能

加载过程中9片墙体特征点荷载（开裂荷载、极限荷载和破坏荷载）及相应的位移见表4。

第1组试件TMW1，TMW2，TMW3未加入水平拉结带和构造柱圈梁，墙体的特征点荷载及对应的位移较小，且承载力超过极限荷载后，后期位移变形较小，迅速破坏，墙体延性较差。

第2组试件在墙体设计中加入水平拉结带和构造柱圈梁后形成组合墙体，相同轴压比下对应的墙体TMW4，TMW5和TMW6在各特征点的承载能力有了显著的提高，增幅在50%以上，相应的位移值也增大。主要原因是随着荷载增大，上区和下区砌块产生水平滑移和挤压，破坏严重，而水平拉结带阻止了裂缝的发展，与中区砌块一起承担了竖向荷载，后期承载力主要由构造柱承担，且墙体承载力超过极限荷载后其水平位移可继续增加，变形能力显著提高。水平拉结带明显改善了高孔洞率薄壁砌块墙体的破坏特征。

水平拉结带将砌块薄灰缝墙体进行了区域划分，墙体下区刚度较大，开洞试件洞口两侧墙体是影响其承载力和变形的主要因素。最终破坏形态显示，窗间墙砌块裂缝发展比较充分，砌块破坏严重，其丧失承载力预示墙体整体破坏。TMW8和TMW9窗间墙宽度相同，破坏形态相似，墙体各特征点荷载基本相同；TMW7墙体承载力较TMW8和TMW9墙体小，大洞口严重削弱墙体的承载力。

第1组试件与第2组试件中试件承载力随轴压比逐渐增大，但变形性能逐渐减弱；轴压比相同的第3组试件（含洞口）与TMW6试件相比，其承载力因洞口存在而削弱，变形能力影响相对较小。

3.2滞回曲线与骨架曲线

9片墙体的滞回曲线如图6所示。对比第1组试件与第2组试件滞回曲线，第1组曲线呈现明显的反“S”形，说明第1组薄灰缝墙体因缺少构造柱约束，出现了滑移现象，且每一次加载完成后滞回环面积较小，最终极限位移较小，耗能较差。

第2组试件在设置水平拉结带和构造柱圈梁后，墙体被区域划分，加载初期裂缝主要出现在上区和下区砌块，最初耗能主要依靠砌块，继续加载，加载制度改为位移控制后，墙体水平位移增大，上区和下区砌块外壁掉落，此时构造柱开始承担荷载，底部逐渐出现裂缝，墙体耗能主要依靠上区和下区砌块水平灰缝的摩擦和构造柱底部逐渐形成塑性铰，而中区砌块基本完整，维持了墙体的整体性。因此，滞回环面积刚开始较小，后期变得比较饱满，整体表现出一定的滑移特性。墙体受荷历程可总结为：上区和下区砌块墙体（破坏）→墙体端部构造柱（破坏）→中区砌块和水平拉结带（完整，维持墙体整体性）。

第3组试件洞口两侧为薄弱区，砌块墙体破坏严重，下区受损较轻，最终带洞墙体构造柱没有形成明显的塑性铰，其滞回曲线与试件TMW6相比，后期承载力下降快。带洞墙体受荷历程为：洞口侧墙体（破坏）→墙体端部构造柱（微破坏）→下区砌块和水平拉结带（完整）。

将第1组试件与第2组试件的骨架曲线进行对比（图7），研究水平拉结带和构造柱圈梁对薄壁节能砌块薄灰缝组合墙体抗震性能影响。从墙体的骨架曲线可以看出，该措施形成的薄灰缝组合墙体显著提高了其刚度和后期的承载力，同时增大了脆性墙体后期的变形，改变了墙体的延性。

3.3刚度退化曲线

墙体刚度K采用割线刚度表示[22]，根据试验结果计算整个加载过程中墙体各关键点刚度（初始刚度、开裂刚度、屈服刚度、极限刚度和破坏刚度），分别绘制第1组试件和第2组试件刚度退化曲线，将相同竖向荷载作用下的TMW6和第3组试件刚度进行对比。各组试件刚度退化曲线如图8所示。

Fig.8Stiffness Degradation Curves of Specimens刚度小于TMW2和TMW3，因无水平拉结带和构造柱圈梁，缺乏有效约束，整体性差，后期刚度下降更快，直至为0。第2组试件初始刚度均较大，加载刚开始时刚度主要由薄壁砌块组成的薄灰缝墙体提供，随着砌块的开裂，上区和下区砌块外壁掉落，整个过程中墙体刚度退化较快，随着承载力转移到构造柱和中区砌块形成的安全区域，其刚度下降缓慢，且最终还有一定的残余刚度。将相同竖向荷载作用下的试件进行对比，相同位移下带洞口墙体刚度下降较大，洞口的存在加速了刚度的退化，最终各试件都保留一定的残余刚度，说明该组合墙体的整体性较好。4结语

（1）组合墙体的破坏形态、承载力和变形能力得到明显改善，即钢筋混凝土水平拉结带和端部构造柱组成的抗震构造措施是有效的，钢筋混凝土水平拉结带将墙体分区域后，阻止了裂缝的发展，控制了墙体的破坏程度，构造柱约束了墙体的变形，说明二者可用于高孔洞率薄壁中型砌块墙体的设计。

（2）墙体的承载力与轴压比大小呈正相关，轴压比相同时，洞口削弱了其承载力，且洞口两侧的窗间墙破坏比较严重。

（3）考虑薄壁节能砌块施工工艺简单，施工速度快，为减少墙体砌筑时现浇水平拉结带所耗时间，减少现场湿操作面，水平拉结带可进行工厂预制，内部配筋数量及形式亦可优化。参考文献：

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