组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构抗震性能研究

唐丽娜，章一萍，周练，相敏，王础

（1.四川省建筑设计研究院有限公司，四川 成都 610065；2.四川省建筑工业化工程技术研究中心，四川 成都 610065；3.成都建工第八建筑工程有限公司，四川 成都 610037）

0 引 言

轻质隔墙板具有轻质高强、保温隔声、工业化生产、装配式施工等优点，随着装配式建筑的发展及墙材革新政策的落实，传统烧结砖企业为了转型升级，研发了一种新型的轻质隔墙板——组合式烧结隔墙板，其以页岩、工程弃土等为原料，经破碎、陈化、挤出、干燥、焙烧等工序制成的宽度>500 mm、高度>300 mm 的砌块，并在工厂经拼块、粘接和钢筋增强等工艺制成长宽比不小于2.5 的建筑内隔墙用的空心板材，如图1所示。烧结隔墙板具有材料性能稳定、干燥收缩小、防水性能好、不返潮等突出优势，可有效解决传统轻质隔墙板开裂、防水防潮性能差等问题。

图1 组合式烧结隔墙板

多次震害表明，填充墙的破坏和倒塌是造成人民生命财产损失的重要原因之一[1]，因此轻质隔墙板在地震作用下的安全性十分重要。王巧云等[2]对陶粒混凝土板进行了足尺模型振动台试验，研究了墙板结构的动力反应特性。封叶等[3]研发了一种EPS 颗粒与EPS 板相结合的复合保温墙板,并对其力学性能和破坏形态进行了研究。孙剑等[4]、廖桥等[5]对比分析了页岩砖和复合夹芯墙板-RC 框架抗震性能，以及墙板与框架的连接形式对框架抗震性能的影响。秦士洪等[6]对13 块钩头螺栓连接的ALC 墙板节点试件进行了平面外荷载试验和有限元模拟，以分析节点的受力性能。虽然国内外学者开展了部分轻质隔墙板-框架抗震性能试验研究，但由于烧结隔墙板的材性与现有轻质隔墙板差别甚大，且组合成型拼缝较多，因此，有必要对烧结隔墙板-框架的抗震性能进行研究，为其推广提供依据。本文以一榀足尺组合式烧结隔墙板-钢筋混凝土框架为研究对象，开展低周往复循环加载试验，研究烧结隔板-钢筋混凝土框架结构的抗震性能，分析烧结隔墙板在地震作用下的损伤模式和破坏机理，以期为烧结隔墙板的推广应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件框架梁、柱截面尺寸分别为250 mm×400 mm、400 mm×400 mm，层高3000 mm，柱距2240 mm；框架梁柱的纵向钢筋、箍筋采用HRB400 级钢筋，混凝土设计强度等级为C30，试件尺寸如图2 所示。烧结隔墙板尺寸为：高度2560 mm、宽度600 mm、厚度100 mm。墙板间采用企口和砂浆连接，墙板与主体结构之间采用U 型连接件进行柔性连接，连接构造方式如图3 所示。

图2 模型尺寸示意

图3 墙板连接构造示意

1.2 材料性能

按照GB 50152—2012《混凝土结构试验方法标准》，对预留的4 个150 mm×150 mm×150 mm 的标准立方体试块进行轴压试验，测得混凝土试块轴心抗压强度为29.6 MPa。HRB400级钢筋的力学性能见表1。

表1 钢筋的力学性能

1.3 加载装置及加载方案

1.3.1 加载装置及应变片布置

试验加载装置如图4 所示。用2 根地锚螺杆将试件底部锚固在地上。竖向荷载通过横梁和2 个框架柱顶的千斤顶施加，作用线与柱形心线重合。通过左右2 侧作动器在梁的端部施加水平荷载，作用线与梁形心线重合。用2 块端板将梁2 端套住，减小加载时梁端的局部变形造成试验误差，将力传感器焊接在端板中心凹槽处，力传感器中心与左右千斤顶作用在同一轴线上。

图4 试验加载装置

应变片主要布置在梁端、柱端、柱中部和节点区域的纵筋与箍筋上，1#位移计用于监测地梁的水平位移，2#和3#位移计对梁水平位移进行测量，具体布置如图5 所示。

图5 应变片和位移计布置示意

1.3.2 加载方案

竖向荷载采用荷载控制的加载方式，按照设计轴压比0.3确定加载目标值，分10 级缓慢、均匀施加，达到预定加载目标值后保持恒定。

水平荷载采用位移控制加载的方法。正式加载过程中，以5 mm 为级差循环加载，且每级位移加载均循环2 次，直至试件水平承载力下降到极限承载能力的85%以下停止试验。

2 试验现象及破坏形态

当水平位移加载至5 mm（θ=1/600）时，墙板与墙板拼缝处出现细小裂缝，试件本身无明显变化，水平承载力与位移曲线呈线性变化。

当水平位移加载至10 mm（θ=1/300）时，左、右梁柱节点处各出现1 条横向微裂缝，梁左端上部、右端下部分别出现4条、2 条竖向微裂缝，最大裂缝宽度0.2 mm（见图6），墙板上部接缝处粘结剂脱落，墙板无明显破坏。

图6 加载至10 mm 时试件破坏现象

当水平位移加载至15 mm（θ=1/200）时，梁柱裂缝继续发展；墙板左下角、右上角各出现1 条斜向微裂缝（见图7）。当水平位移加载至20~30 mm 阶段，梁柱裂缝不断增加和变宽，墙板左下角裂缝微裂缝逐渐延伸，中间墙板板顶裂缝扩展，最大宽度为5 mm。

图7 加载至15 mm 时试件破坏现象

当水平位移加载至35 mm（θ=1/85.7）时，框架裂缝数量增加和扩展，最大宽度达到5 mm，中间墙板顶部部分碎裂掉落（见图8）。

图8 加载至35 mm 时试件破坏现象

当水平位移加载至50 mm（θ=1/60）时，梁柱节点处出现多条贯穿裂缝，梁端部出现竖向贯穿裂缝，左柱底混凝土裂开，并出现局部剥落（见图9）。当水平位移加载值达到弹塑性层间位移角限值1/50（Δ=56 mm）时，试件承载力仍在上升，框架基本无新裂缝产生，原有裂缝继续扩展。

对于报告内容的分析，参考已有文献中的框架[5-6]，采用自下而上的内容分析法逐级编码，50场报告可归为以下几个主题：教育取向的数学史、数学教育史、HPM基础理论探讨、教学实践与课例开发、HPM与教师专业发展、HPM与学生学习、HPM与教科书、HPM与跨学科视角．对50场报告进行编码的过程中每个报告都对应一个序号，下面打乱序号顺序按主题分类，对50场口头报告与上述研究主题的关系进行详细说明．

图9 加载至50 mm 时试件破坏现象

当水平加载位移增加至60～100 mm 时，节点处出现多条横向贯穿裂缝，梁的2 端出现竖向贯穿裂缝，左、右柱出现横向贯穿裂缝，同时伴有混凝土块剥落；中部墙板（1/4 墙高和1/2 墙高）处出现破裂脱落，左边墙板顶部碎裂，右边墙板1/4墙高与柱接缝处粘结剂开裂，同时出现1 条斜向贯穿裂缝（见图10）。加载承载力降到峰值承载力的85%以下，试件破坏。

图10 试件破坏现象

综上，加载初期，框架的位移较小，虽然框架局部出现裂缝，但由于墙板与框架间采用U 型连接件连接，且墙板与框架间设置有允许变位的缝隙，墙板未受到框架明显挤压，未出现明显裂缝。随着变形增加，墙板开始受到框架挤压，出现裂缝，并不断发展。加载后期，随着框架变形增加，墙板裂缝不断延伸、加宽，局部墙板表层破碎掉落，中间墙板轻微外翻，但最终墙板之间未有明显错动和倒塌。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线及骨架曲线（见图11）

图11 荷载-位移曲线

由图11（a）可见，在加载初期，试件的水平承载力与位移曲线基本呈线性变化，此时基本不存在残余变形，滞回环面积也较小，表明试件耗能很小，试件处于弹性工作阶段。随着加载位移的逐渐增大，曲线呈梭形，滞回环包围面积渐渐增大，并向位移轴倾斜靠近，说明试件的耗能增加并进入弹塑性工作阶段，此时，试件已不能恢复到原始状态，已产生明显的残余变形。试件的滞回曲线饱满，无明显的捏拢，说明试件具有较好的耗能能力。

连接滞回环上各级加载的峰值点，得到骨架曲线如图11（b）所示，采用Park 法确定的试件特征值，见表2。试件的骨架曲线呈S 形分布，说明试件经历了弹性、弹塑性和塑性破坏过程。曲线正负向比较相似，各加载级正负向承载力大小较接近。当弹塑性层间位移角限值为1/50（Δ=56 mm）时，试件承载力仍在上升，没有下降趋势，墙板的刚度较大，给框架提供了斜撑作用。在试件屈服后，正负向承载力上升缓慢，达到峰值承载力后，正向承载力下降与负向接近。试验结束时，正向承载力下降至峰值承载力的80.8%，负向承载力下降至峰值承载力的83.1%。

表2 试件特征点参数及位移延性系数

3.2 刚度退化

采用割线刚度来表征试件刚度，分析试件的刚度退化情况。根据JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》，割线刚度根据式（1）计算：

式中：Ki——第i 级荷载下试件的刚度，kN/mm；

±Fi——第i 次正反向峰值点荷载，kN；

试件刚度退化曲线如图12 所示。

图12 刚度退化曲线

由图12 可见，加载过程中试件刚度持续、均匀、明显退化。当水平加载位移为10 mm 时，试件刚度退化最快，此时框架有一定数量裂缝，因此试件刚度迅速降低。在试件屈服之前，刚度退化曲线较为陡峭，退化速度较快。随着裂缝的出现和发展，墙板和框架的损伤累积。在试件屈服后，已有裂缝宽度增加，新裂缝产生较少，此时，试件进入塑性工作状态，刚度退化的速度减缓。

3.3 延性系数和耗能能力

根据JGJ/T 101—2015，按式（2）计算试件的延性系数μ：

式中：△y——屈服位移，mm；

△u——极限位移，mm。

经计算，试件的延性系数为6.67，说明试件延性良好，在破坏之前可以承受较大的非线性变形，耗散较多能量。试件的能量耗散能力可以通过能量耗散系数E、等效粘滞阻尼系数ζeq表征，等效粘滞阻尼系数越大，试件的能量耗散能力越强。能量耗散系数E 和等效粘滞阻尼系数ζeq按式（3）、式（4）计算：

式中：S（ABC+CDA）——图13 中滞回环包围的面积，mm2；

图13 等效粘滞阻尼系数计算

S（OBE+ODF）——图13 中三角形OBE 与ODF 的面积之和，mm2。

由式（3）计算可得，试件的能量耗散系数E 在0.3139~1.2172，由式（4）计算可得，等效粘滞阻尼系数ζeq在0.0500~0.1938，说明试件整体耗能能力较好。

试件耗能曲线如图14 所示。

图14 试件的耗能曲线

由图14 可见，试件的2 次循环耗能曲线变化趋势基本相同，呈抛物线式增长。当加载位移至25 mm 时，试件的能量耗散逐渐增大，此时墙板开始参与耗能，使整体结构的耗能能力增强。因此，烧结隔墙板有助于钢筋混凝土框架耗能，减缓框架强度退化。

4 结论与建议

（1）烧结隔墙板与框架柔性连接可有效减轻墙板在小震作用下的破坏；墙板内部设置连续钢筋，有效提升墙板的整体性，避免墙板在地震作用下的平面外倒塌。

（2）烧结隔墙板-钢筋混凝土框架结构在试验过程中，经历了弹性、弹塑性以及破坏3 个阶段。墙板给框架提供了支撑作用，参与耗能，使得整体结构耗能能力增强。

（3）U 型连接件可防止墙板发生平面外翻转，建议适当增大U 型连接件厚度，增加U 型连接件长度。