装配式混凝土砌块填充墙RC框架结构抗震性能试验研究

黄 靓 滕瀚思 施楚贤 吕博东

（1.湖南大学绿色先进土木工程材料及应用技术湖南省重点实验室，长沙410082；2.贵州省建筑废弃物装配式墙体工程技术中心，安顺561000）

0 引 言

砌块填充墙有造价低、可就地取材、隔火隔热和隔音性能好等优点，在全世界广泛使用。填充墙能提高RC 框架结构抗侧刚度、滞回耗能能力以及水平承载力［1］。

RC 框架填充墙抗震性能受到构造措施［2］、砌块类型［1］、墙体规则程度［3-4］等因素影响。而不同墙-框架连接方式对抗震性能影响极大，墙柱刚性连接比柔性连接更能提高结构抗震承载力［5］。但填充墙与框架梁共同作用，可能使得框架结构产生薄弱层、扭转破坏，以及强梁弱柱［6］。此外，采用柔性连接时，砌体填充墙对混凝土框架的承载力、变形性能、刚度、耗能等的影响明显降低［7］。故设计填充墙时应着重考虑连接方式。

以上针对传统砌块墙抗震性能已被广泛研究，但传统人工砌筑的方式不符合建筑工业化要求。为发挥利用砌块墙的优势，欧洲研发了用砌墙机砌筑的装配式砌块墙［8-10］（图 1）。Rogatzki Paul［9］总结了欧洲自 21 世纪初以来对装配式砌块墙运输、设计、施工、吊装等一系列试验研究和工程应用。

图1 砌墙机Fig.1 Building Machine

不同于传统砌块墙，装配式砌块填充墙施工流程为：①设置框架柱（剪力墙）钢筋笼；②装配式墙体吊装；③设置梁钢筋笼；④浇筑框架。由于装配式砌块墙是整墙吊装，为方便施工，设计成无马牙槎，研究表明，不论是否有马牙槎，约束填充墙均相比普通墙均有所改善［11］。

欧洲的规范与中国不一样，特别是德国等地区是非抗震区，故其装配式砌块墙体系不适合我国，主要体现在连接方式为紧贴、无钢筋拉结等构造措施，难以满足中国抗震要求。

在国内，哈工大研究团队研究了预制配筋砌块墙建房子，探索该类墙体的预制、装配等施工工艺［12-13］。但是该项目研究空心砌块剪力墙，并且采用现场砌筑。对于装配式砌块填充墙，国内鲜有研究。

为此，课题组研发了装配式混凝土砌块墙填充（图2），并采用自研发的高精互锁砌块（图3），砌块墙无竖向灰缝，砌墙机可实现半自动砌筑并自动铺设水平灰缝（图4）。

图2 装配式混凝土砌块填充墙Fig.2 Prefabricated concrete block filling wall

图3 高精互锁砌块示意图Fig.3 Diagram of high-precision interlocking block

图4 自动铺浆装置Fig.4 Automatic masonry mortar device

本文对6 榀装配式混凝土砌块填充墙框架、空框架和普通混凝土空心砌块填充墙框架进行低周反复加载试验，研究不同连接方式及梁类型对装配式混凝土砌块填充墙的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件设计参考《抗震设计规范》（GB 50011—2010）［14］的要求，设计并制作 6 榀 1：2 比例缩尺试件。砌块采用高精互锁砌块和普通小型空心砌块，砌块强度为MU5，砂浆设计强度Mb5。施工过程为：①预埋柱钢筋笼并浇筑底梁；②吊装墙体至底梁上；③设置梁钢筋笼（吊装叠合梁）；④浇筑梁柱；⑤养护后拆模。

框架混凝土的设计强度等级为C30，实测值为30.6 MPa。柱配筋率2%，设计轴压比0.30，实际施加的轴压力为200 kN。梁纵筋配筋率1.16%。梁、柱混凝土保护层厚度30 mm，底板高300 mm，保护层厚度20 mm。设计参数见表1，详图见图5-图9。材料实测力学性能见表2。

图5 试件几何尺寸及配筋（单位：mm）Fig.5 Dimensions and steel detailing of specimens（Unit：mm）

表1 试验墙体基本参数Table 1 Basic parameters of specimens

图6 墙片与框架柱连接方式Fig.6 Connection of frame column and walls

1.2 试验方案

1.2.1 加载设备

试验采用三通道加载装置加载，水平加载力的作用线位于试件柱的1/2 处。为保证顶端不产生滑移，试件顶端与L 型钢梁通过钢帽连接。详见图10。

1.2.2 加载方案

参考《建筑抗震试验规程》（JGJ/T 101—2015）［15］的要求，采用用力-位移加载制度，具体加载方案如下：

图7 叠合梁尺寸（单位：mm）Fig.7 Dimensions of laminated beam（Unit：mm）

图8 墙梁连接（单位：mm）Fig.8 Wall beam connection（Unit：mm）

试件屈服前采用力加载，屈服后采用位移加载，位移增量为开裂位移的整数倍，每级荷载循环三次。当结构承载力下降到极限承载力的85%时，认定试件破坏。

试验过程中最大水平位移为24 mm，加载装置L 型钢梁高2 180 mm，装置设置轴向恒力为200 kN，故竖向作动器最大水平分力为24 mm/2 180 mm×200 kN=2.2 kN，可忽略不计。

1.2.3 测量方案

为测量水平方向应变，分别在试件1/2高度处放置位移计LVDT2，梁两端中心放置位移计LVDT3 和LVDT4；为了测底梁的水平位移和竖向翘曲，分别放置LVDT1、LVDT5 和 LVDT6；为监测试件平面外位移，在垂直于试件平面处设置LVDT7。同时，在测量梁柱结点等关键位置设置了应变片，测量其应变。位移计和应变片布置见图11。

2 试验现象

2.1 空框架试件K1

60 kN 时，柱子下端出现横向裂缝，梁出现斜裂缝，此时位移为4 mm（层间位移角1/365＞1/550），达到弹塑性阶段。8 mm 时右柱下端靠近中部位置出现多条微小水平裂缝；达到16 mm 过程中，当位移增大时，力几乎不增加，左柱底部出现保护层脱离现象；20 mm 时，右柱上端与梁连接的内侧出现微小裂缝；24 mm 时，右柱外侧下端水平裂缝增多，保护层脱离，梁两端原有裂缝贯穿，承载力低于极限承载力的85%。最终破坏形态见图 12（a）。

2.2 普通空心砌块填充墙试件K2

120 kN 时，墙背面右上角出现第一条斜裂缝，位移为2 mm（层间位移角1/630）左右，回到0时残余变形-0.2 mm。160 kN 时，侧向位移达到3.7 mm，曲线出现明显拐点，采用位移加载。10 mm（层间位移角1/125）时，填充墙形成十字形裂缝，此时达到峰值应力260 kN。18 mm 时，墙体两面砌块大片脱落，柱底出现2道水平裂缝。20 mm（层间位移角1/73）时，两个柱角出现斜裂缝，两端梁柱节点混凝土鼓起，右侧柱子斜裂缝贯通，柱子剪压破坏。最终破坏形态见图12（b）。

2.3 墙柱钢筋连接装配式砌块填充墙试件K3

140 kN 时，墙体中间出现第一道左上角至右下角的斜裂缝，且左柱的梁柱节点处混凝土出现裂缝，裂缝延伸至墙体，此时钢筋应变数据显示，梁左端下部纵向钢筋应变最大。位移计显示墙体位移3.8 mm（层间位移角1/384＞1/550），认为达到开裂荷载。8 mm 时，墙上2 道局部裂缝压碎脱落并形成小孔，梁柱节点处混凝土出现斜裂缝，墙体斜裂缝延伸并接近右下柱脚。12 mm 时梁下端墙体有大量横向裂缝，将梁与墙体脱开；16 mm时，柱底出现3道横向裂缝，墙中间裂缝继续延伸，20 mm 时，墙左上部大量砌块脱落，形成倒三角空隙；24 mm 时墙片X 型裂缝的砌块脱落，柱下端出现多道横向裂缝。最终破坏形态见图12（c）。

2.4 墙柱钢丝绳连接装配式砌块填充墙试件K4

120 kN（3 mm）时，梁上端出现2条竖向裂缝，梁柱节点处出现斜裂缝；140 kN（4.2 mm，层间位移角1/348）时，曲线出现拐点，墙片出现斜裂缝；8 mm 时，已有斜裂缝延伸，并出现多条斜裂缝，墙片顶部砂浆有脱离现象；12 mm 时，斜裂缝延伸至柱脚，柱子下段出现4 条水平裂缝，此时，墙右上角脱落并出现空间；16 mm 时，柱下端出现水平裂缝，此时柱下端和梁端应变均很大；24 mm 时承载力达到极限承载力85%以下。最终破坏形态见图12（d）。

图9 试件尺寸和细节（单位：mm）Fig.9 Dimensions and details of specimens（Unit：mm）

图10加载装置示意图Fig.10 Test setup

表2 钢筋力学性能Table 2 Mechanical properties of steel bars

表3 混凝土及砂浆力学性能Table 3 Concrete and mortar mechanical properties

图11 应变片和位移计布置Fig.11 Arrangement of strain gauges and displacement transducers

2.5 墙柱钢筋连接叠合梁试件K5

160 kN 时填充墙出现多道左上至右下的斜裂缝，梁右侧出现5 道贯穿正反面的竖向裂缝，此时位移3.8 mm（层间位移角1/384＞1/550），滞回曲线出现明显拐点；8～12 mm 期间，填充墙多个部位出现局部孔洞，孔洞多出现在中部区域，12 mm时砌块沿着左柱脱落，柱子与墙体呈分离趋势；16 mm 时正面大片砌块脱落；20 mm 时梁柱节点砌块受压明显，此时梁有较明显的鼓起。最终破坏形态见图12（e）。

图12 试件最终破坏情况Fig.12 Final damage of the specimens

2.6 墙柱钢丝绳连接叠合梁试件K6

140 kN 时墙背面左上角梁柱节点，有斜裂缝，并延伸至墙体。160 kN（3.4 mm，层间位移角1/430）时，墙体出现多道斜裂缝，梁一端出现5 道竖向贯通裂缝，左端节点出现长条斜裂缝。8 mm时，斜裂缝增多，并往柱脚延伸；12 mm 时，柱与墙体间出现脱离趋势；16 mm 时，斜裂缝连成一条线，柱下段出现横向裂缝；20 mm 时，柱下端出现多道横向裂缝，墙体正面大片脱落；24 mm 时，左柱柱脚受压局部压碎。最终破坏形态见图12（f）。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

试验滞回曲线见图13，由图可得：

（1）图中可以看出，试验刚开始，滞回环呈狭长状，接近一条直线，试件基本呈弹性状态。达到弹塑性阶段后，滞回环呈梭形，包围面积明显增大，说明耗能明显。

（2）对比空框架试件K1 和带墙体框架试件，空框架的初始刚度和最大承载力更小，这是因为没有墙体提供侧向刚度和受力。同时，带墙体试件的滞回曲线比空框架试件K1 的滞回曲线更饱满，说明墙体参与了耗能。

（3）普通砌块填充墙试件K2比装配式砌块填充墙试件初始斜率和最大承载力更大，因为墙柱连接处刚度更大。但承载力下降迅速，这是由于裂缝展开更快，导致墙体退出工作也更快。

（4）弹性层间位移角为开始出现初始裂缝时的位移角。空框架试件、普通砌块填充墙和装配式砌块填充墙弹性层间位移角为1/365、1/630、1/430-1/348，按 GB 50011—2010［14］规定，钢筋混凝土框架弹性层间位移角为1/550，可以看出装配式混凝土砌块填充墙满足规范要求，接近空框架K1，而普通砌块填充墙有超过规范规定限值的风险。

3.2 骨架曲线

试验骨架曲线见图14，可见：

（1）从骨架曲线初始斜率和极限峰值相比，带墙体试件峰值荷载是空框架试件峰值荷载的180%。说明砌块填充墙明显增大了框架结构的承载力。

（2）填充墙框架试件更早达到极限强度，墙体一旦开裂破碎，结构整体承载力迅速下降，而后框架结构开始承担主要荷载，其承载能力仍略高于空框架结构承载能力。

图13 滞回曲线Fig.13 Hysteresis curves of specimens

（3）普通空心砌块填充墙试件K2峰值荷载是其他试件峰值荷载的140%，但墙体开裂退出工作后，结构承载力迅速下降，表明墙体很快退出工作，同时说明了试件延性较差。

（4）试件 K3 和试件 K4、试件 K5 和试件K6 对比，钢筋连接构件最大承载力是钢丝绳连接构件最大承载力的115%，这是因为在墙柱连接上，钢筋连接采用混凝土填充，比采用砂浆填充的钢丝绳连接方式刚度更大，提高了试件承载力。

图14 骨架曲线Fig.14 Skeleton curves of specimens

（5）试件 K3 和试件 K5 对比、K4 和 K6 对比，两者骨架曲线相近，说明是否有叠合梁对试件骨架曲线的影响不大，因此配合叠合梁的施工方式，可免去使用梁底模，仅用少量侧模。

3.3 延性系数

对非承重构件，延性系数是衡量构件结构在强震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌的重要指标，定义为其中Δd为墙体的破坏位移，即为承载下降到峰值荷载的85%时对应的位移值；Δy为墙体的开裂位移。试件的位移延性系数μ见表4，可见：

（1）空框架试件K1 延性系数是带墙体试件的延性系数的1.24 倍，这是因为砌块墙是脆性材料，会降低试件延性。

（2）装配式混凝土砌块填充墙试件延性系数是普通空心砌块填充墙试件延性系数的1.21 倍，说明装配式砌块填充墙试件延性更好，在地震中能保持更大的变形而不倒塌。因为对比传统砌块填充墙和装配式砌块填充墙，由于传统有竖向灰缝的砌块连接形式受力破坏时，灰缝断开，使得砌块分离，传力受影响；而互锁砌块在受力时，会越来越紧，故能长时间承力，故其延性会提高。

（3）试件K3 与试件K5、试件K4 与试件K6 延性系数对比发现，钢丝绳连接的构件延性系数是钢筋连接的构件延性系数的1.05～1.12 倍，这是由于砂浆填充的墙柱界面在震动过程中脱开，从而使墙体对框架结构的约束减弱，提高了延性。

表4 试件各阶段延性系数Table 4 Ductility coefficients of each stage of specimens

3.4 刚度退化

刚度退化曲线见图15，由曲线可得：

（1）普通砌块填充墙框架试件K2的初始刚度最大，但其刚度退化速率最快，在6 mm 左右达到与其他填充墙试件一样的刚度；空框架试件K1初始刚度比有填充墙的试件初始刚度小。在加载终止时，带墙体试件和空框架试件K1的侧向刚度基本接近，表明此时填充墙已破坏，基本退出工作。

（2）填充墙试件侧向刚度是空框架试件初始刚度的2.25 倍以上。普通空心砌块填充墙试件K2 的初始侧向刚度比装配式混凝土砌块填充墙试件K3、试件K4 初始刚度稍大，但随着位移增加，K2 刚度退化曲线下降更迅速，并且后期侧向刚度低于K5，与K4和K6相近。

图15 刚度退化曲线Fig.15 Curves of stiffness degradation

（3）试件 K3 与试件 K5、试件 K4 与试件K6 相比，两者初始刚度相近，而钢筋连接试件的刚度曲线下降速度稍快于钢丝绳连接试件。

（4）曲线中，后期叠合梁试件K5、试件K6 的侧向刚度维持最好，但与试件K3、试件K4 相近，表明是否采用叠合梁对装配式混凝土砌块填充墙刚度影响不大。

4 结论及建议

通过对6 个单层单跨试件抗震性能试验研究，得到以下结论：

（1）装配式混凝土砌块填充墙抗震性能较传统空心砌块填充墙更优，前者延性是后者1.24倍，前者墙体裂缝均呈现X 型，产生剪切破坏和局部受压破坏；后者为局部X 裂缝，产生明显斜杆效应，容易产生强梁弱柱破坏。表明装配式混凝土砌块填充墙受力更均匀，并且对框架结构内力分布更有利。

（2）传统有竖向灰缝的砌块连接形式受力破坏时，灰缝开裂，使得砌块分离，传力受影响。无竖向灰缝的砌块连接改变了墙体的传力模式，使墙体的破坏过程经历了从整墙受力到墙柱组合体受力，降低了墙体脆性发生破坏程度，提高延性和耗能能力。

（3）采用叠合梁对装配式混凝土砌块填充墙抗震性能无影响，对比现浇梁，两者延性系数、骨架曲线和刚度退化曲线相近。故可采用吊装墙体后，在墙体上放置叠合梁的施工方法，可简化支模工序，提升施工效率。