新型砌体填充墙RC框架结构抗震性能研究

张永兵，郭新华，朱腾飞，郝西见

(1.广西大学 土木建筑工程学院, 广西 南宁 530004;2.工程防灾与结构安全教育部重点实验室, 广西 南宁 530004;3.广西防灾减灾与工程安全重点实验室， 广西 南宁 530004)

0 引言

钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)结构被认为是一种抗震性能较强且设计理论较成熟的结构体系，20世纪80年代以来，国内吴绮芸等[1]、童岳生等[2]、史庆轩等[3]以实心黏土砖填充墙RC框架结构为研究对象,对该体系开展了相关的研究，并认为填充墙能够提高结构的刚度和承载力。郭子雄等[4]研究了填充墙布置形式对RC框架结构的影响，指出填充墙的布置形式对结构的破坏形态有明显的影响。近年来随着墙体改革政策的实施，新型砌体材料逐渐被应用到RC框架结构中，一些学者[5-8]以混凝土空心砌块、加气混凝土砌块、页岩空心砖和轻质墙板作为新型砌体材料展开了RC框架结构的低周往复试验研究，表明结构的抗震性能与填充墙和框架强度的强弱程度有很大关系，即结构的抗震性能与砌块类型有密切的联系。白国梁等[9-10]进行了以烧结页岩砖为砌体材料的填充墙RC框架结构平面外振动台试验，指出墙与框架之间应采取合理的连接方式，以降低结构平面外的地震反应。由上述文献可知，烧结页岩空心砖具有空洞率高、轻质高强、保温性能好、造价低等特点，当前对烧结页岩空心砖砌体填充墙框架结构抗震性能的相关研究较少，且广西具有丰富的页岩矿产资源。实际结构中，填充墙往往存在门窗等情况，因此对开洞的填充墙框架结构开展抗震性能试验研究[11-16]具有很大的现实意义。本文通过3榀1/2缩尺单层单跨RC框架试件的低周反复荷载试验，对比各试件的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度退化、刚度退化和耗能能力等指标，研究烧结页岩空心砖填充墙对RC框架结构抗震性能的影响，为烧结页岩空心砖作为填充墙的RC框架结构的抗震设计提供依据。

1 试验设计

1.1 试件设计与制作

试验设计并制作了3榀1/2缩尺的单层单跨RC框架试件，按照“强柱弱梁”的原则进行截面配筋。试件框架几何尺寸及配筋情况、各试件示意图分别如图1、图2所示。砌体填充墙材料为烧结页岩空心砖，其尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，开洞率40%，强度等级MU5.0，烧结页岩空心砖形状如图3所示。砂浆的强度等级为Mb5.0。箍筋采用HPB300级钢筋，梁柱受力钢筋采用HRB335级钢筋。混凝土强度等级为C30，保护层厚度为20 mm，实测混凝土抗压强度平均值为30.6 MPa。根据《砌体基本力学性能试验方法标准》(GB/T 50129—2011)[17]测得烧结页岩空心砖砌体的抗压强度平均值为5.10 MPa。设计轴压比取0.2，实际施加轴力为180 kN。试件结构参数见表1，钢筋力学性能见表2。

图1 框架几何尺寸及配筋图

(a) 试件BF

图3 烧结页岩空心砖

表1 试件结构参数

表2 钢筋力学性能

1.2 加载装置和加载制度

1.2.1 加载装置

采用FCS电液伺服加载系统进行低周往复加载试验。柱顶的液压千斤顶、上部钢板、4根竖向拉杆及高强螺栓、底梁外侧T型钢板共同组成竖向加载系统，每根柱单独设置一套竖向加载系统，两台竖向千斤顶同步加载，分别对柱顶施加竖向荷载至预定轴力，试验过程中保持轴力恒定不变，竖向千斤顶与上部钢板间设置低摩阻滚轴以减小摩擦力。水平荷载由液压伺服作动器提供，作用于梁端，通过两端端板、4根螺杆及螺栓与加载端相连，实现水平往复荷载的施加。加载过程中采用位移控制加载，当荷载小于峰值荷载的85%时，停止加载。在框架两侧设置侧向支撑，以防止框架的侧向位移。试验加载装置如图4所示。

(a) 加载装置效果图

1.2.2 加载制度

参考《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[18]的相关要求，本试验采用位移控制加载。位移幅值采用12个等级,分别为± 1/1 000、±1/700、±1/500、±1/300、±1/200、±1/150、±1/100、±1/75、±1/50、±1/35、±1/25和±1/20，其中前4个位移幅值只循环1次，之后各个位移幅值循环3次，加载制度如图5所示。

图5 加载制度

1.2.3 测点布置

位移计1#、2#分别对试验过程中填充墙发生的斜向变形进行监测；位移计3#、4#分别对试验过程中框架发生的变形进行监测；位移计5#至11#分别对柱和梁中心线高度处的水平位移进行测量；在地梁竖直方向和水平方向分别布置位移计12#、13#用于监测地梁可能发生的竖向翘曲和水平位移。塑性铰一般出现在梁、柱端部，填充墙的存在可能会对柱子中部或节点域附近造成剪切破坏，为记录这些区域钢筋的应变，将应变片布置在梁端、沿柱高1/3、1/2、2/3高度处的纵筋和箍筋上，测点布置如图6所示。

(a) 位移计布置

2 试验现象及分析

各试件破坏形态如图7所示。

① 纯框架试件BF试验现象

在位移幅值Δ=h/700(2 mm)时，左柱的底部外侧出现了第一条长约4 cm的水平裂缝。Δ=h/500(2.8 mm)时，右柱底端外侧出现相似的长约4 cm的水平裂缝，位置与左柱基本对称，此过程框架基本处于弹性阶段。Δ=h/300(4.7 mm)时，正向加载时，在左柱底部出现长约5 cm水平裂缝，右柱水平裂缝在原基础上向左下方开裂发展。反向加载时，左柱、右柱底部均出现新裂缝，同时梁柱交界面处出现竖向裂缝。Δ=h/200(7 mm)时，在梁柱理论塑性铰区域出现多条裂缝，原有裂缝继续发展延伸形成贯穿裂缝。Δ=h/150(9.3 mm)时，钢筋屈服，原有裂缝进一步延伸发展，梁端开始形成了塑性铰。Δ=h/100(14 mm)时，左柱内侧出现较长的剪切斜裂缝，同时梁柱端部由于挤压有部分混凝土开始剥落。Δ=h/75(18.7 mm)时，梁右端混凝土开始破裂掉落，裂缝继续延伸发展。Δ=h/50(28 mm)、Δ=h/35(40 mm)时，右梁塑性铰区域混凝土大量剥离掉落，柱脚混凝土也出现压裂掉落。Δ=h/25(56 mm)时，右梁塑性铰区混凝土大量破裂掉落，试验终止，BF试件最终破坏形态见图7(a)。

② 完全填充墙框架试件IF试验现象

Δ=h/700时，左柱底部出现第一条水平裂缝。Δ=h/500时，右柱底部出现长约18 cm的水平裂缝，卸载后无残余变形。Δ=h/300时，数条弯曲裂缝出现在柱底部和节点区，墙体左上角处由于受压而出现裂缝，此时梁柱与墙体间出现缝隙。Δ=h/200时，梁端出现竖向弯曲裂缝，柱底部出现贯通裂缝，墙左上角裂缝大致沿45°方向阶梯状向下发展。Δ=h/150时，梁右端塑性铰区混凝土出现破裂剥离，梁柱裂缝进一步延伸发展，墙体出现较大水平滑移现象。Δ=h/100时，墙右上角出现斜向下45°的阶梯状裂缝，整个墙体呈现X形的交叉斜裂缝，在墙底部出现数条水平滑移裂缝，梁柱端塑性铰进一步发展，出现数条贯通裂缝。Δ=h/75时，左梁出现受拉弯曲裂缝，墙右上角砌体被压碎掉落。Δ=h/50时，左梁塑性铰区混凝土开始压碎掉落，墙体砌块大量压碎脱落。Δ=h/35时，墙体大量剥离脱落完全破坏。梁右端塑性铰区域混凝土出现大块掉落，纵筋裸露，承载力快速下降，试验终止，IF试件最终破坏形态见图7(b)。

(a) 试件BF

③ 开洞填充墙框架试件IFW试验现象

Δ=h/700时，左柱、右柱中部首先出现对称水平裂缝。Δ=h/300时，沿着窗口的左上、左下角点、右下角点出现45°方向的斜裂缝，填充墙与框架之间产生轻微的水平滑移。此时右柱中部裂缝发展形成贯穿裂缝。Δ=h/200时，窗口右上角出现大约沿45°方向发展的斜裂缝，此时沿着窗口4个角点形成4条贯穿墙体的斜裂缝。梁柱塑性铰区域出现多条裂缝，此时右柱上端部出现了水平裂缝。Δ=h/150时，墙体与梁产生相对滑移，墙体角部受压区出现数条斜裂缝。右梁柱节点下侧出现沿45°方向的斜向贯穿裂缝，左梁柱交界处产生数条斜向裂缝。梁柱塑性铰区裂缝进一步延伸发展。Δ=h/100时，窗口右下角的砌体大量破裂脱落，左柱上端出现较大的斜向贯穿裂缝，梁柱塑性铰区域延伸发展出数条裂缝，原有裂缝继续延伸发展。Δ=h/75时，窗口左侧出现数条斜裂缝，之后左侧砌体大量剥离掉落。Δ=h/50时，砌体大量破裂掉落，墙体完全损坏，左柱柱底混凝土保护层受压破裂。Δ=h/35时，主要表现为砌体的进一步大量破碎掉落，墙体有发生平面外倒塌的趋势，且右梁塑性铰区域混凝土大量掉落，承载力快速下降，试验终止，IFW试件最终破坏形态见图7(c)。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

滞回曲线是试件承受的荷载和相应位移之间的关系曲线，由滞回曲线可以进一步计算得出试件强度退化系数、延性系数、耗能等抗震性能指标，更全面、客观地评价试件的抗震能力。各试件的滞回曲线如图8所示。

(a) 试件BF

① 纯框架试件BF滞回曲线

在位移幅值较小时框架处于弹性阶段，此时滞回曲线近似直线，滞回环包围的面积非常小，此阶段结构耗能不大。随着位移幅值的增大，结构出现裂缝逐渐由弹性进入到弹塑性阶段。此阶段的滞回环呈现梭形，滞回环包围的面积越来越大，说明耗能性能良好。当结构进入屈服阶段后，纵筋发生一定的粘结滑移，此阶段的滞回环类似弓形，滞回曲线逐渐出现捏缩现象，卸载后存在较大的残余位移。在位移幅值Δ=h/50(28 mm)时，结构达到峰值荷载，随后由于纵筋的滑移量增大以及混凝土裂缝的张开、闭合等因素，滞回曲线的捏缩现象更加明显，耗能能力逐渐降低。

② 完全填充墙框架试件IF滞回曲线

由于填充墙参与工作，滞回曲线加载段初始刚度比试件BF大。同时由于纵筋粘结滑移和填充墙水平滑移，滞回曲线表现出一定的捏缩现象，由于填充墙的耗能作用，滞回环包围的面积较大，整体耗能增大。Δ=h/100(14 mm)时，结构达到峰值荷载，随后由于填充墙的快速开裂破坏逐渐退出工作，整个滞回曲线强度、刚度退化剧烈。滞回环介于弓形和反S形之间，捏缩现象更加明显，滞回环包围的面积逐渐减小，耗能能力降低较快。

③ 开洞填充墙框架试件IFW滞回曲线

在试件IFW屈服前滞回曲线与IF十分接近，由于填充墙开洞导致试件IFW初始加载刚度略小于试件IF。试件屈服后，纵筋发生粘结滑移以及填充墙的剪切变形，导致滞回曲线开始出现捏缩现象，滞回环类似弓形。Δ=h/100(14 mm)时，结构达到最大荷载，并随着位移幅值的继续增大，滞回曲线强度、刚度出现较大退化，但退化程度小于完全填充墙框架试件IF，这是由于开洞之后填充墙对框架的抗侧刚度影响减弱，同时填充墙可以在洞口处产生一定的剪切变形延缓了填充墙的快速破坏。此阶段的滞回环介于弓形和反S形之间，并且出现较明显的捏缩现象，滞回环包围的面积减少，耗能能力开始降低。同位移幅值下的耗能介于纯框架和完全填充墙框架之间。

综上所述，各试件位移幅值较小时框架处于弹性阶段，此时滞回曲线近似直线，进入屈服阶段后，由于试件开裂、纵筋与混凝土的粘结滑移、以及填充墙的开裂和水平滑移等因素，使结构的耗能提高，滞回环面积增大，在达到峰值荷载后，各位移幅值下的结构承载力逐渐下降。由于填充墙的加入，使得结构的峰值承载力相较于纯框架BF大大提高;但达到峰值后侧向荷载的下降速度同样远大于纯框架试件BF。

3.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线如图9所示。各试件骨架曲线特征点实测数据见表3。其中屈服点根据能量法等效原则来确定，极限点为峰值荷载下降85%时所对应的点。

图9 骨架曲线

由图9和表3可知：

表3 骨架曲线特征点试验结果

① 完填充墙试件IF和开洞填充墙试件IFW的初始刚度基本相同，且均大于纯框架试件BF。从而表明，完全填充墙与开洞填充墙在较小的水平荷载作用下能够协同工作，提高结构的侧向刚度，有利于控制结构在小震作用下的变形。

② 填充墙试件IF和IFW的峰值荷载相较于纯框架试件BF分别提高了158.5%、107.8%，表明填充墙的存在能够显著提高结构的侧向承载力。

③ 填充墙试件IF和IFW在达到峰值荷载后，由于墙体的破坏并逐步退出工作，使得结构承载力下降速度大于纯框架试件BF。

④ 纯框架试件BF的延性系数为4.9，相较于试件BF，完全填充墙试件IF和开洞填充墙试件IFW的延性系数的分别是试件BF的64.0%、96.0%，表明填充墙的加入减小了结构的延性，适当的开洞能够提高结构的延性。

3.3 强度退化

强度退化是指结构在同一位移幅值下，随着循环次数的增加，承载力下降的现象。根据《建筑抗震试验规程》(JGJ/T 101—2015)[18]强度退化系数λi计算式为

(1)

式中，Pi为某个位移幅值下，第i次循环的最大荷载。Pi-1为同一位移幅值下，第i-1次循环的最大荷载。

图10 强度退化曲线

强度退化系数直观地反应了结构受损后的强度降低程度，由于同一位移幅值循环3次，因此同一位移幅值下计算了2个强度退化系数。试件的强度退化曲线如图10所示。由图10可以得到如下结论：

① 填充墙试件IF、IFW的强度退化程度大于纯框架试件BF，表明填充墙的加入虽然能够提高结构初始侧向承载力，但随着位移幅值的增大，填充墙试件的强度退化速度要高于纯框架试件BF，并且相较于完全填充墙试件，开洞填充墙试件有利于减缓结构强度退化程度。

② 在同一位移幅值下，随着循环次数的增加，各试件的强度退化系数λ3均大于λ2，表明结构在相同位移滞回过程中损伤程度逐渐减小，结构强度变化减缓。

③ 各试件在达到框架结构弹塑性层间位移角限值1/50时(Δ=28 mm)，仍具有较大的强度退化系数，证实结构具有良好抗震能力，但超过位移角1/50后，试件IF和IFW的强度退化系数快速下降，表明此阶段填充墙快速破坏退出工作。

3.4 刚度退化

图11 刚度退化曲线

刚度退化是指结构随着位移的增大，刚度逐渐减小的现象。本文使用割线刚度来衡量结构的刚度退化。各试件的刚度退化曲线如图11所示，割线刚度公式如下：

(2)

式中，Pi为某个位移幅值下，第i次加载时的最大荷载；Δi为某个位移幅值下，第i次加载时对应的位移。

由图11可知：

① 填充墙的加入提高了结构的初始侧向刚度，试件IF、IFW的初始刚度比纯框架试件BF分别提高了约331.5%、294.5%，表明填充墙的存在提高了结构的初始刚度，有利于结构在小震作用下变形的控制。

图12 累积耗能曲线

② 随着位移幅值的增大，填充墙试件IF、IFW刚度退化速度远大于纯框架试件BF，直到位移幅值Δ=h/50(28 mm)时，刚度退化曲线趋于试件BF，表明填充墙基本退出工作，主要由框架提供侧向刚度。

③ 开洞后框架IFW的初始刚度与完全填充墙框架IF接近，随着位移的增大，试件IFW的刚度退化介于试件BF和试件IF之间，表明开洞有利于减缓结构的刚度退化速度。

3.5 耗能能力

耗能能力是指滞回曲线所包围的面积，它是评价结构抗震性能的重要参数。试件在各位移幅值下的累积耗能(E)曲线如图12所示。从图12可以看出：

① 在位移幅值Δ=h/200(7 mm)之前，各试件处于弹性阶段，耗能较小，且各试件的耗能能力相差不大。

② 随着位移幅值的增加，各试件的耗能能力明显增强，在位移达到Δ=h/35(40 mm)之前，相同位移幅值下，试件IF的耗能能力最好，试件BF耗能能力最差；在Δ=h/35(40 mm)时，完全填充墙试件IF、开洞填充墙试件IFW的累积耗能相较于纯框架试件BF分别提高了82.7%、67.5%，表明烧结页岩空心砖砌体填充墙参与了结构的滞回耗能，且表现出较好的耗能能力。

4 结论

① 填充墙的加入提高了框架结构的侧向承载力，其中试件IF、IFW相较于纯框架试件BF提高了约158.5%、107.8%，但会在一定程度上减小结构的延性。

② 填充墙的加入提高了框架结构的初始刚度，试件IF、IFW的初始刚度相较于纯框架试件BF分别提高了约331.5%、294.5%，有利于结构在小震作用下变形的控制；但随着位移的增加，刚度退化速度高于试件BF。

③ 相较于完全填充墙，开洞有利于减缓结构强度和刚度的退化速度。

④ 烧结页岩空心砖砌体填充墙参与了结构的滞回耗能，且表现出较好的耗能能力，使得在位移幅值Δ=h/35(40 mm)前，各级循环中，填充墙试件的耗能能力均大于纯框架试件BF。