往复荷载作用下带洞口加强肋复合墙体的抗震性能

陈国新，陈叶顺，吕信敏

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

带纵向加强肋复合墙结构是在密肋复合墙结构[1]基础上延伸而来的，具有节能、抗震、环保、施工方便等显著优点的新型结构体系[1-3]。带纵向加强肋复墙体结构主要由轻质保温块材和隐型框架组成，并在砌体内沿墙体高度方向每隔一定间距砌入一道与墙体相同厚度、高度较小且配筋率较小的钢筋混凝土肋梁。肋梁作为纵向加强肋与外框形成框格，框格约束着内部轻质保温砌块，其与轻质保温砌块共同受力形成复合砌体剪力墙结构，如图1所示。

图1 带纵向加强肋复合墙结构

由于建筑使用功能和设备安装的需要，墙体需要开设门窗洞口，研究[4-6]表明洞口处是整个墙体的薄弱部位，开洞不仅会破坏墙体的整体性，且会极大地削弱墙体的抗剪承载力和抗侧刚度等受力性能。本文对二榀1/2比例的带洞口(带门洞、带窗洞)加强肋复合墙体进行伪静力试验，分析带洞口墙体典型部位钢筋应变变化规律，研究带洞口墙体的破坏模式，并与不开洞墙体进行对比，探讨带洞口墙体抗剪承载力、抗侧刚度、变形及延性等抗震性能。

1 带纵向加强肋复合墙体抗震机理

依据加强肋复合墙体结构(图1)、构造原理及前期试验现象，加强肋复合墙体的抗震机理如下：

(1)加强肋复合墙体肋梁作用与配筋砌体中水平钢筋作用相似，不仅通过直接受拉来抵抗水平剪力，同时还可提高墙体的变形能力。肋梁与外框组成的框格与砌体相互支撑、相互约束、共同受力，一方面，肋梁与外框组成的框格对砌块的约束可延长砌块的开裂时间，另一方面，开裂后的砌块在约束状态下受到水平荷载和竖向荷载的共同作用，增强了框格内砌块的耗能能力。墙体各承力部件在不同受力阶段按照各自刚度承担相应荷载，并不断进行内力重分配。

(2)竖向荷载和水平荷载共同作用下，加强肋复合墙体具有多道抗震防线，砌块作为第1道抗震防线，当水平荷载较小时，荷载由砌体、加强肋和外框柱共同承担；随着水平荷载的增大，砌块裂缝延伸至肋梁，此时肋梁纵筋通过直接受拉来抵抗水平剪力，肋梁可作为第2道抗震防线；当裂缝延伸至外框柱时，大部分砌块不承担作用，此时水平荷载主要由外框柱和肋梁承担，外框柱可作为第3道抗震防线。

建筑结构中门洞口通常设计的高度较高，其洞口率也较大，且门洞的存在不能使中间加强肋梁贯通墙体，因此，在门洞边设置加强肋柱，且肋柱与底梁相连，以增强门洞引起的刚度和承载力。与门洞口相比，窗洞口的高度较小，且窗洞底部有贯通墙体的加强肋梁，对复合墙体抗震性能的削弱程度相对较低，因此，窗洞跨度不大时，洞边可不设置加强肋柱。

2 试验设计

2.1 墙体设计

本文试验设计了二榀带洞口墙体，分别为带窗洞墙体(窗洞边无肋柱)和带门洞墙体(门洞边有肋柱)，对比墙体为同规格同配筋的不开洞墙体，编号分别为XSCW1、XSCW2和XSCW3。各墙体厚度均为100 mm，模型比例为1∶2，高宽比为1∶1；外框梁和外框柱纵筋采用HPB300钢筋，表示为4ф6，箍筋采用冷拔丝，表示为фb4@100；肋梁和肋柱配纵筋4фb4，箍筋采用14号铁丝，表示为14#@100。各墙体的尺寸见图2。

图2 墙体尺寸详图

2.2 材料力学性能

二榀带洞口墙体的外框和肋梁都采用C30混凝土，轻质保温砌块材质为蒸压加气混凝土砌块；墙体各材料的力学性能见表1和表2。

表1 混凝土与砌块基本物理、力学性能

表2 钢筋材性

2.3 加载方案

本文试验采用水平低周往复加载[7-8]，试验装置图见图3。

图3 试验装置图

二榀带洞口试验墙体与不开洞墙体竖向荷载大小均为60 kN，按二级施加，竖向荷载从0逐渐加压至30 kN，保持2 min待墙体稳定后逐渐增大至60 kN；竖向加载稳压后，由液压作动器通过反力墙对墙体施加水平荷载，加载全程都采用位移控制。加载速率如下：水平位移达到6 mm之前，加载速率为0.2 mm/s；当水平位移为6～16 mm时，加载速率为0.4 mm/s；水平位移超过16 mm时，加载速率增大为0.8 mm/s。

3 结果与分析

3.1 破坏过程分析

二榀带洞口墙体3个阶段的裂缝及最终破坏情况如图4和图5所示。

图4 XSCW1墙体3个阶段裂缝图及最终破坏图

图5 XSCW2墙体3个阶段裂缝图及最终破坏图

由图4和图5可知：

(1)二榀带洞口墙体均经历了弹性、弹塑性、破坏3个阶段，这与文献[8]研究结果一致。

(2)XSCW1墙体在竖向荷载作用下无明显现象。在水平荷载加载至8 kN时，墙体砌块表面出现较多微小裂缝；随着荷载增大，裂缝继续展开，窗洞左边砌块与窗洞上部肋梁脱开，此时窗洞下部肋梁开始出现裂缝;当加载到26.1 kN时，随着“咔”的一声窗洞左右两边砌块与墙体脱离，墙体最终破坏，这时外框柱底部裂缝较少，但肋梁与外框柱相交节点处混凝土破坏较严重，局部裂缝达 5 mm宽。

(3) XSCW2墙体在竖向荷载作用下无明显现象。在水平荷载加载至9 kN时，墙体砌块表面出现微小裂缝；加载至20 kN时，肋梁开始出现竖向裂缝；加载至29.5 kN时，门洞边缘的右边框柱中部及沿墙体高度方向第2道肋梁裂缝相对较少，破损不严重，沿墙体高度方向第1道肋梁出现多道竖向贯通裂缝；大位移循环阶段，砌块开裂剥落程度加剧，未见砌块大块脱开现象，各框格内砌块的裂缝分布较均匀，外框柱底部混凝土出现多道斜裂缝。

(4)XSCW1墙体最终破坏时明显的特征是窗洞两侧砌块都与墙体脱开、墙体外框柱底部裂缝很少。其原因是墙体窗洞边砌块一侧未被约束，故加载之后砌块快速开裂，墙体第1道抗震防线[9]局部失效，且由于墙体中部设有窗洞，结构的整体性较差，墙体中部承担的剪力较大，洞口角部产生应力集中，导致墙体窗洞四角肋梁与外框柱相交节点处混凝土出现多道贯通的斜裂缝，而外框柱底部裂缝很少。

墙体最终破坏时，XSCW2与XSCW墙体破坏特征明显的不同点是门洞边砌体裂缝宽度较小，裂缝分布较均匀，砌块耗能作用发挥较充分。究其原因是门洞两侧都设置加强肋柱后，肋柱对砌块有较强的约束作用，增强了砌块的耗能能力和墙体内各部件间协同受力性能，致使墙体的整体耗能能力发挥较充分。

3.2 钢筋应变分析

3.2.1 钢筋测点位置

钢筋表面张贴的应变片尺寸均为2 mm×3 mm，外框柱钢筋应变片分别位于外框柱顶部、中部和底部，肋梁和暗梁钢筋应变片位于肋梁纵筋中点处及距肋梁两侧250 mm处。由实测钢筋屈服强度及弹性模量计算出钢筋的屈服应变约为1 500με，因此，将应变值是1 500με时所对应的荷载确定为纵筋屈服荷载。

二榀带洞口墙体钢筋测点布置图见图6。

图6 墙体钢筋测点布置

3.2.2 外框柱钢筋应变分析

分析外框柱纵筋应变规律是为了探究带洞口墙体外框柱钢筋屈服情况及墙体的屈服荷载值。二榀带洞口墙体外框柱钢筋荷载应变图如图7所示。

图7 墙体外框柱钢筋应变

由图7可知：

(1)XSCW1墙体钢筋测点c7、c8、c10、c11屈服，即外框柱中、上部钢筋屈服，底部钢筋未屈服；从屈服的先后顺序看，测点c10、c11先屈服，紧接着c5、c7、c8屈服，即墙体外框柱上部钢筋先于中部钢筋屈服。究其原因，一方面是由于墙体中部开洞较大，且未设置肋柱，砌块、肋梁与外框未能形成一个良好的受力整体，使得墙体中上部变得较为薄弱；另一方面是由于水平力对墙体产生剪力和弯矩的共同作用，洞口使墙体中部砌块破坏，墙体内力发生重分布，致使墙体中部和上部分担的剪力较大，且洞口角部还产生应力集中。

(2)XSCW2墙体钢筋测点c1、c5和c11屈服，即外框柱底部、顶部和左外框柱中部的钢筋屈服，右外框柱中部的钢筋未屈服。究其原因是，XSCW2墙体洞边设有加强肋柱，肋柱对砌体的约束使砌体与框格形成的复合结构的整体性较好，且刚度较大，导致砌块对左外框柱的水平反力也较大，另外，洞口右边边框柱和砌块的分离导致右边框柱中部受力很小，因此其钢筋应变很小，这与试验中该区段没有裂缝的情况相符。

(3)总体上XSCW1、XSCW2墙体外框柱的钢筋大部分屈服，外框柱直接承担水平荷载引起的墙体整体弯矩，还具有约束砌块和间接提高墙体水平承载力、水平刚度的作用。

3.2.3 肋梁钢筋应变

肋梁贴应变片是为了确定肋梁纵筋达到屈服应变时墙体所对应的水平荷载大小，通过与外框柱纵筋应变达到屈服时墙体的荷载大小进行比较，从而确定墙体的破坏模式。

二榀带洞口墙体肋梁钢筋荷载应变如图8所示。

图8 肋梁钢筋荷载应变

由图8可知:试验初始阶段，肋梁钢筋应变随水平荷载的增大变化很小，表现出线性变化的规律。随着水平荷载的不断增大，肋梁出现裂缝，肋梁钢筋开始承担水平剪力，此时肋梁纵筋应变增长速率开始大于荷载增长速率。在试验全过程中，二榀带洞口墙体肋梁钢筋的应变全部为正，说明肋梁钢筋主要通过直接受拉来增强墙体的受力性能，且肋梁还起到约束砌块、与外框形成一个良好受力整体的作用。综上可知肋梁对带洞口加强肋复合墙体的受力性能贡献较大。

由图8a可知:XSCW1墙体只有第1道肋梁钢筋b4测点屈服，其它钢筋测点都未屈服，肋梁钢筋屈服程度较低。究其原因如下：墙体中部开洞口较大，洞口削弱了加强肋复合墙体各部件间的协同受力性能，使得砌块通过相互挤压传递给肋梁的荷载很小，肋梁钢筋所受到的拉力也很小。对比图7a、8a可知:当墙体肋梁钢筋应变达到屈服应变时，各测点对应的荷载约为22 kN，而墙体外框柱钢筋应变达到屈服应变时，外框柱上部测点c10、c11对应荷载约为20、15 kN，中部测点c7对应荷载约为18 kN。由此可知XSCW1墙体外框柱钢筋先于肋梁屈服，这是一种弯剪型破坏模式[10]，不利于墙体的抗震耗能。

由图8b可知:b4、b5测点屈服，b7、b8测点未屈服，即沿墙体高度方向第1道肋梁钢筋屈服，而第2道肋梁钢筋未屈服。究其原因如下：第1道肋梁与砌体紧密接触，砌体通过与肋梁相互作用传递给肋梁的水平荷载较大，所以，第1道肋梁钢筋发生屈服，第2道肋梁只有一部分与砌体接触，其与砌体协同受力性能较差，而且第2道肋梁右侧处于门洞口上边缘，门洞使墙体内力发生重分布，应力向洞口角部处集中，第2道肋梁分担的荷载较小，因此，第2道肋梁钢筋应变很小，这与墙体第1道肋梁出现多道贯通裂缝、第2道肋梁裂缝很少的试验现象相符。对比图7b、8b可知：当肋梁钢筋应变达到屈服应变时，各测点对应的荷载约为25 kN，而墙体外框柱钢筋达到屈服应变对应的荷载约为27 kN。综上所述，XSCW2墙体肋梁钢筋率先于外框柱钢筋屈服，这是一种典型的剪切型破坏模式[11]，有利于墙体的抗震耗能。

二榀带洞口墙体外框梁钢筋荷载应变图见图9。

图9 墙体外框梁钢筋荷载应变图

由图9可知:在试验整个阶段，二榀带洞口墙体外框梁钢筋应变值一直较低，远未达到屈服应变值，此外，各钢筋测点在试验的各个阶段大部分为负应变，仅有少部分钢筋测点在后期大位移循环阶段产生正应变，因此，外框梁主要承受压力。就整体结构而言，框梁连接左右框柱，使结构成为一个完整的受力整体，将水平荷载从一端框柱传递到另一端框柱；另外，框梁与肋梁相同，具有约束砌块、限制砌块裂缝发展的作用。总之，外框梁对带洞口加强肋复合墙体的受力性能贡献较小，主要具有传递水平荷载和限制砌块裂缝发展的作用。

4 抗震性能分析

4.1 特征荷载及特征位移

为探究带洞口加强肋复合墙体在往复荷载作用下的抗震性能，将二榀带洞口加强肋复合墙体的特征荷载、特征位移与不开洞墙体进行对比，结果见表3。

表3 墙体特征荷载及特征位移

由表3可知：

(1)洞口不仅直接削弱砌体的承载能力，还削弱了复合墙体内各部件间的协同性能，因此，XSCW1、XSCW2墙体的开裂荷载、屈服荷载、最大荷载均明显低于XSCW3墙体。

(2)本文中延性按照水平极限抗剪承载力降至0.85Fmax时对应的位移Δu除以屈服位移Δy计算，结构位移延性系数表达式为λ=Δu/Δy。XSCW1、XSCW2墙体的延性分别为3.49和3.63，明显大于不开洞墙体的延性，说明带洞口墙体延性优于不开洞墙体。

(3)XSCW1、XSCW2及XSCW3加载的全过程中均未发现倒塌现象。在墙体破坏阶段，砌体己基本不承担竖向荷载，而由肋梁、肋柱及外框组成的框架仍能承担全部的竖向荷载，表明带洞口墙体和不开洞墙体都有着良好的抗倒塌能力；墙体的极限屈服位移角分别为1/41、1/44和1/42，满足文献[12]规范中弹塑性层间位移角的要求，说明带洞口墙体与不开洞墙体均有着良好的变形能力。

4.2 骨架曲线

骨架曲线是滞回曲线各加载等级第一循环峰值点所连成的包络线[13]。本文研究二榀墙体骨架曲线，结果见图10。

图10 墙体骨架曲线

由图10可知：

(1)在水平和竖向荷载共同作用下，XSCW1和XSCW2墙体的水平极限抗剪承载力明显低于XSCW3，说明洞口对加强肋复合墙体的抗剪承载力削弱作用显著。

(2)XSCW2墙体洞口率大于XSCW1墙体，XSCW1、XSCW2墙体受正向水平推力时的抗剪承载力相差很小，而受反向水平拉力时，XSCW2墙体的水平承载力明显高于XSCW1。究其原因是，XSCW2墙体洞边设有加强肋柱，XSCW1墙体洞边未设肋柱，洞边肋柱对砌体的约束提高了墙体的抗震性能。

4.3 刚度及其退化

刚度是产生单位位移所需荷载的大小，它反映结构抵抗变形的能力[14]。本文研究二榀带洞口墙体及不开洞墙体的刚度退化曲线如图11所示。

图11 墙体刚度退化曲线

由图11可知：

(1)XSCW1和XSCW2墙体的初始抗侧刚度明显低于XSCW3墙体，而在试验后期抗侧刚度差值逐渐缩小，说明洞口对加强肋复合墙体的初始抗侧刚度削弱显著，对墙体破坏时的刚度影响很小。究其原因如下：加强肋复合墙体的抗侧刚度是由墙体内各个部件协同受力产生的，XSCW1和XSCW2墙体洞口不仅直接削弱了砌体提供的抗侧刚度，且洞口还降低了墙体的整体性，削弱了墙体内各部件间的协同性能，所以，带洞口加强肋复合墙体的初始抗侧刚度明显低于不开洞墙体。随着墙体进入弹塑性阶段，墙体内砌块在反复荷载作用下不断损伤，墙体内各部件间协同受力性能被削弱，墙体刚度不断降低，破坏阶段时砌块不承担荷载，加强肋复合墙体退化为由外框、肋梁及肋柱组成的框架结构体系，此时墙体内各部件协同受力性能较差，刚度主要由框架提供，因此，破坏阶段带洞口墙体与不开洞墙体的抗侧刚度差值很小。

(2)二榀带洞口加强肋复合墙体中，XSCW2墙体开洞较大，但XSCW2墙体的初始水平刚度明显大于XSCW1墙体。究其原因是，XSCW2墙体洞边设有加强肋柱，肋柱增强了对砌块的约束，提高了砌体的刚度，增强了墙体的整体性，从而提高了墙体内各部件间的协同性能，因此，XSCW2墙体初始水平刚度较大。

5 结论

本文对二榀1/2比例的带洞口(带门洞、带窗洞)加强肋复合墙体进行低周往复荷载作用下的抗震性能试验，并与不开洞墙体进行对比，得到以下结论：

(1)带门洞墙体的肋梁先于外框柱发生屈服的剪切型破坏，带窗洞墙体的外框柱先于肋梁发生屈服的弯剪型破坏。

(2)外框柱、肋梁对带洞口加强肋复合墙体的受力性能贡献较大，其中外框柱直接承担水平荷载引起的墙体整体弯矩，肋梁通过受拉增强墙体的受力性能；外框梁对墙体受力性能贡献较小，主要作用是传递水平荷载和限制砌块裂缝发展。

(3)带洞口加强肋复合墙体的延性优于不开洞墙体，但其抗剪承载力和抗侧刚度劣于不开洞墙体。