賀立杰，楊德健

(天津城市建設(shè)學(xué)院 土木工程系，天津 300384)

節(jié)能減排和應(yīng)對氣候變化是我國必須長期應(yīng)對的艱巨任務(wù).目前在建筑節(jié)能方面，采用的多種外墻外保溫技術(shù)雖然有其自身的優(yōu)點，但近年來作為傳統(tǒng)的外墻外保溫技術(shù)使建筑外檐出現(xiàn)的一些安全問題，越來越引起人們的重視.比如由于風(fēng)荷載或者保溫材料與基層材料兩者性能的不相容而引起保溫材料的脫落；保溫材料采用的易燃性聚苯板，存在建筑防火的隱患；在長期變形循環(huán)中，由于太陽輻射及環(huán)境溫度變化的影響，存在嚴(yán)重的墻面裂縫的質(zhì)量通病，從而使外飾面磚產(chǎn)生一定的變形；外墻外保溫體系工程壽命(約25年)與主體建筑壽命(50年)不能同步等[1].

為解決傳統(tǒng)外墻外保溫技術(shù)產(chǎn)生的上述問題，本文擬采用混凝土剪力墻外砌頁巖保溫空心磚的新方式替代傳統(tǒng)的方式，有關(guān)資料已證實此方法在防止火災(zāi)和對外裝飾方面效果比較顯著，在與主體結(jié)構(gòu)壽命同步方面也有明顯的改善.但由于目前國內(nèi)外對此種砌法實施少之又少，故對其進(jìn)行水平低周反復(fù)荷載試驗，在滿足建筑保溫節(jié)能條件下研究外砌保溫空心磚作為外墻外保溫圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以利于頁巖保溫空心磚的安全使用推廣和頁巖保溫空心磚有關(guān)規(guī)程的編寫.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本次試驗共2片墻體，墻體是由受力性能不同的混凝土和頁巖保溫空心磚兩種材料組成，中間由混合砂漿和水平拉結(jié)筋形成一整體共同協(xié)調(diào)工作.剪力墻尺寸為1800 mm×1800 mm×100 mm，采用C30商品混凝土澆筑，W-1剪力墻開設(shè)兩條長1800 mm，寬10 mm，厚15 mm的豎直通縫，W-2墻體在W-1基礎(chǔ)上留有兩條400 mm的連接鍵，縫中填充材料為氯丁橡膠.剪力墻模板如圖1所示.

圖1 剪力墻模板

外砌磚為240 mm×115 mm×90 mm的燒結(jié)頁巖保溫空心磚，強(qiáng)度等級為 MU3，單排三孔，采用 M5水泥混合砂漿砌筑，砌筑方法符合有關(guān)規(guī)范[2-3]的要求.另外，空心磚孔洞中均填充聚苯乙烯泡沫塑料保溫板，以實現(xiàn)墻體保溫節(jié)能的目標(biāo).加載梁尺寸2000 mm×350 mm×350 mm，托梁為 2600 mm×400 mm×500 mm.外砌磚砌筑實圖及試件配筋圖如圖2所示.

圖2 外砌磚砌筑實圖及試件配筋圖

1.2 試驗方案及加載程序

試件加載裝置圖見圖3所示，采用千斤頂加載試件的豎向荷載，并保持250 kN不變，加載中心取剪力墻上表面的形心，水平低周反復(fù)荷載通過電液伺服加載裝置施加，試驗裝置符合《建筑抗震試驗方法規(guī)程》JGJ101—2010[4]的要求，并采用“荷載-位移”加載方案，在正式加載前先預(yù)加載，保證試件、試驗裝置及測量儀器正常工作.正式試驗中水平荷載加載分為兩個階段：剪力墻開裂前，按荷載控制加載，每級水平荷載循環(huán)兩次，30 kN為一級直至開裂；剪力墻開裂后，按位移控制加載，取開裂剪力墻的最大位移為控制位移△，并以該位移值的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載，直至試驗結(jié)束.

1.3 測試內(nèi)容

本次試驗主要測量內(nèi)容包括墻體施加的水平荷載，剪力墻頂部位移(距剪力墻頂部下方100 mm)，同時觀測記錄墻體兩側(cè)初裂的位置、裂縫分布形態(tài)及發(fā)展過程，記錄墻體開裂荷載、極限荷載和破壞荷載.

圖3 試件加載裝置圖

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 試件加載破壞狀況

2.1.1 試件W-1加載破壞狀況

豎向荷載加到預(yù)定值后，開始施加水平荷載.當(dāng)水平荷載較小，在試件頂端施加30，60，90，120 kN荷載時，試件沒有出現(xiàn)裂縫，墻體基本處于彈性狀態(tài).當(dāng)水平荷載加至拉力為150 kN時，保溫磚墻左下角第一塊磚中部出現(xiàn)裂縫，水平位移僅為 0.03 mm；當(dāng)水平荷載推力加至180 kN時，保溫磚開始出現(xiàn)斜裂縫，當(dāng)水平荷載拉力加至330 kN時，保溫磚墻與地梁之間的灰縫貫通.此時以剪力墻頂端位移為基準(zhǔn)，采取位移控制加載，水平控制位移△取1.50 mm.當(dāng)水平位移為5.68 mm時，荷載達(dá)到極限507.93 kN，保溫磚墻體裂縫仍未貫通，直至荷載下降到 301.97 kN時裂縫才貫通，此時荷載已降到極限荷載的 85%以下，剪力墻視為破壞.繼續(xù)加載試件直至剪力墻位移角為1/120，左下角第三塊保溫磚面脫落，試驗宣布結(jié)束.W-1墻面的破壞形式見圖4所示.

圖4 W-1試件破壞形式

2.1.2 試件W-2加載破壞狀況

當(dāng)水平荷載較小，試件頂端施加反復(fù)水平荷載30，60，90 kN 時，試件沒有出現(xiàn)裂縫，墻體處于彈性狀態(tài).當(dāng)水平荷載加至拉力為120 kN時，左下角第一皮第二塊保溫磚出現(xiàn)裂縫并橫向貫通，水平位移為0.49 mm，之后直至推力加至 210 kN時，右側(cè)底部灰縫處才出現(xiàn)第一條裂縫；當(dāng)推力加至240 kN時，右側(cè)第二塊磚開裂，裂縫沿灰縫發(fā)展到墻的正中央；當(dāng)拉力為270 kN時，裂縫沿左側(cè)灰縫與推力240 kN時產(chǎn)生的裂縫連接在一起；當(dāng)水平荷載加至300 kN時，保溫磚墻面沒有產(chǎn)生新裂縫，只是裂縫在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)加寬，保溫磚沒有脫落的跡象，此時加載方式改為位移控制.水平控制位移△為1.50 mm，但直至達(dá)到極限荷載548 kN乃至荷載下降到極限荷載的85%，即水平位移為7.62 mm時，保溫磚墻片均未出現(xiàn)明顯的“X”型交叉裂縫，只是在此階段左下角第一塊保溫磚部分脫落，此時墻板暗柱根部混凝土嚴(yán)重壓碎，視剪力墻破壞.繼續(xù)加載試件，直至位移角為 1/180，伴隨右下角保溫磚一角脫落，試驗宣布結(jié)束.W-2墻體破壞形式見圖5所示.

圖5 W-2試件破壞形式

2.2 試件加載破壞結(jié)果分析

由試驗可知：

(1) 彈性階段：保溫磚墻側(cè)最初的可見宏觀裂縫均出現(xiàn)在保溫空心磚面而非灰縫上，這是由于本試驗所采用的保溫空心磚的強(qiáng)度相對混合砂漿較低.當(dāng)荷載小于極限荷載約 25%時，保溫磚墻面均未產(chǎn)生裂縫，此為彈性階段.該階段墻體剛度很大，側(cè)移微小，能夠整體協(xié)同變形，其“荷載-位移”曲線幾乎呈線性變化；

(2) 彈塑性階段：荷載繼續(xù)加大，當(dāng)達(dá)到極限荷載的 25%～60%時，裂縫主要出現(xiàn)在保溫磚墻面中下部.當(dāng)荷載繼續(xù)增大，裂縫沿墻體對角線方向呈階梯狀延伸，有形成“X”型的趨勢，而剪力墻體的裂縫出現(xiàn)時間相對較晚，裂縫發(fā)展速度較慢，裂縫貫通時間較早，該階段“荷載-位移”曲線呈現(xiàn)曲線型上升；

(3) 破壞階段：當(dāng)荷載加至墻體極限荷載時，剪力墻面裂縫發(fā)展成多道交叉斜裂縫，并且裂縫寬度、密度不斷加大.但達(dá)到極限荷載后繼續(xù)加載直至剪力墻墻體破壞，兩試件保溫磚面“X”型交叉裂縫均未形成.W-1墻體、W-2墻體最大層間相對位移達(dá)到約為1/100與1/180時，保溫磚只發(fā)生輕微的磚體剝落，說明保溫磚能夠與剪力墻墻體保持較好的整體穩(wěn)定性.

2.3 保溫磚墻面隨位移角的破壞狀況

為了更直觀的描述試件加載特征點隨位移的影響趨勢，取位移角為控制變量，試件承載力隨剪力墻位移角(△/h)變化的特征如表 1所示，試件水平承載力取推拉兩方向的荷載平均值，兩保溫磚墻面隨位移角的破壞狀況如圖6-7所示.

表1 試件水平承載力隨位移角的變化 kN

從表1及圖6-7可以得出：

(1) 當(dāng)△/h為 1/400，1/300和 1/200時，兩試件的水平荷載相差不大，但 W-2墻體的水平荷載在位移角一定時均較W-1墻體稍大；

(2) W-2墻體水平荷載較W-1墻體下降稍快，即剛度退化稍快，同時 W-2保溫磚墻面最大破壞處也比W-1保溫磚墻面最大破壞處稍嚴(yán)重；

(3) 當(dāng)△/h加至1/120時，W-1保溫磚墻面最大破壞處的兩塊保溫磚面雖已和磚肋分離約有50%，但沒有脫落，滿足鋼筋混凝土抗震墻在彈塑性階段最大層間相對位移小于1/120時不脫落的要求.由于W-2墻板暗柱根部混凝土嚴(yán)重壓碎，試件水平位移△加載至約為10 mm時試驗宣告結(jié)束，此時，僅左下角第一塊保溫磚及右下角保溫磚一小角脫落，其余完好.

圖6 W-1保溫磚墻面試驗加載破壞狀況

圖7 W-2保溫磚墻面試驗加載破壞狀況

2.4 試件滯回曲線特征

滯回曲線即試件的“荷載-位移”曲線，滯回曲線可以反映墻體的抗震性能，是進(jìn)行各種抗震性能指標(biāo)計算的依據(jù)，用來描述結(jié)構(gòu)的彈性、彈塑性、耗能能力等抗震性能[5]，兩試件的滯回曲線見圖8所示.

圖8 兩試件滯回曲線

2.4.1 W-1試件的滯回特性

開通縫的 W-1墻體在加載初期，滯回曲線近似為直線，表明該階段試件處于彈性階段.在保溫磚墻面、剪力墻出現(xiàn)裂縫后，試件的滯回曲線的斜率減小，但減小的程度很小，滯回曲線發(fā)生彎曲，滯回曲線面積略有增加，表明該構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段.隨著裂縫的反復(fù)張開閉合，新裂縫的不斷出現(xiàn)以及原有裂縫的不斷發(fā)展，試件滯回曲線的面積不斷增大，表明試件的耗能能力在加強(qiáng).當(dāng)構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)后，試件滯回曲線的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，試件的耗能能力進(jìn)一步加強(qiáng).同時，試件的滯回曲線出現(xiàn)了捏攏，滯回曲線的形狀由梭形向弓形發(fā)展.隨著施加荷載的不斷增加與循環(huán)反復(fù)，試件的承載力在逐步下降，滯回曲線面積變得更大，表明試件能量耗散的能力更強(qiáng).在試驗過程中，斜筋與混凝土在加載過程中產(chǎn)生較大的滑移，導(dǎo)致試件的滯回曲線捏攏程度加大，更加接近弓形.

2.4.2 W-2試件的滯回特性

留有連接鍵的W-2試件在加載初期滯回曲線呈梭形，此時結(jié)構(gòu)并未發(fā)生剪切破壞.當(dāng)荷載卸載為零時，變形基本恢復(fù)，可見此時結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài).滯回曲線的斜率也在逐漸減小，說明結(jié)構(gòu)的剛度在退化，但趨勢不明顯.在剪力墻出現(xiàn)裂縫后，試件發(fā)生一定的塑性變形，結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入彈塑性階段，此階段的滯回曲線已呈弓字形，有明顯的捏縮效應(yīng).此時結(jié)構(gòu)裂縫主要是連接鍵、墻板邊暗柱的彎曲裂縫和墻板的剪切斜裂縫等.滯回曲線的斜率也在逐漸減小，主要是因為此時結(jié)構(gòu)裂縫已有了較充分的發(fā)展，結(jié)構(gòu)變形增大剛度減小.滯回曲線達(dá)到最大位移值較前階段結(jié)構(gòu)變形有了較大的增大，這是因為墻板兩側(cè)的暗柱及上下圈梁對剪力墻形成了一個邊框，當(dāng)暗柱開裂且裂縫不斷擴(kuò)大時，邊框?qū)Π宓募s束作用減小，因此結(jié)構(gòu)的位移會增長較快.滯回環(huán)的面積較前幾個階段也有了較大的增加，可見結(jié)構(gòu)的耗能能力也在提高.結(jié)構(gòu)進(jìn)入了屈服階段后，裂縫的發(fā)展及剪切滑移量的增加決定了滯回環(huán)形狀的改變，此時滯回環(huán)的形狀呈明顯弓形.結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)，捏縮效應(yīng)更加明顯，即剪切和粘結(jié)滑移量在不斷增大，隨著各循環(huán)加載的進(jìn)行，位移有了明顯的增加，但承載力的退化不是很嚴(yán)重，滯回環(huán)較為飽滿，可見結(jié)構(gòu)在此階段仍具有一定的強(qiáng)度儲備，抗倒塌能力強(qiáng)，并具有良好的延性和耗能能力.

2.5 結(jié)構(gòu)的骨架曲線

將低周反復(fù)加載每次循環(huán)的峰值點(開始卸載點)相連接，可得到一條包絡(luò)線，它是每次循環(huán)的“荷載-位移”曲線達(dá)到最大峰點的軌跡，稱為骨架曲線.試驗墻體的“荷載-位移”骨架曲線，描述了墻體“開裂—極限—破壞”過程的剛度變化特征.根據(jù)骨架曲線的特點，采用“三折線型”恢復(fù)力骨架曲線的替代模型骨架曲線，繪制出W-1墻體和W-2墻體的恢復(fù)力骨架曲線.折線的拐點是墻體開裂、極限和破壞折點，三段分別表示彈性階段、彈塑性階段和下降階段[6]，外砌保溫磚墻體的恢復(fù)力骨架曲線見圖9所示.

圖9 兩保溫磚墻的恢復(fù)力骨架曲線

保溫磚墻面的開裂荷載及對應(yīng)的位移、整片墻體的極限荷載及對應(yīng)的位移、破壞荷載及對應(yīng)的位移等主要試驗結(jié)果見表 2所示.荷載與相應(yīng)的位移，取推拉兩個方向的平均值，破壞荷載為整個墻片極限荷載的 85%[4].

表2 保溫磚墻面承載力及位移特征

從表2及圖9可以分析出：

(1)W-1試件的保溫磚的開裂荷載比 W-2試件的開裂荷載較高，說明剪力墻連接鍵的開設(shè)影響了整片墻體的剛度；

(2)W-1試件的極限承載力較W-2試件的極限承載力低8%；

(3)開豎直通縫的試件的破壞位移高于留有連接鍵的試件，說明開設(shè)通縫較大程度地提高了剪力墻的變形性能.

3 結(jié) 論

通過混凝土剪力墻外砌頁巖保溫空心磚墻在水平低周反復(fù)荷載作用下的試驗，研究了外砌頁巖保溫空心磚的抗震穩(wěn)定性和混凝土剪力墻的抗震性能，得到如下結(jié)論：

(1) 通過兩試件的滯回曲線及剪力墻面裂縫的分布情況可知，留有連接鍵的剪力墻結(jié)構(gòu)較僅留有豎直通縫的剪力墻結(jié)構(gòu)有更良好的耗能能力，耗能形式也較為合理；

(2) 分析兩試件的滯回曲線、頁巖保溫空心磚墻體骨架曲線和其磚面的破壞狀態(tài)等，可知混凝土剪力墻在采取本試驗中兩類形式的開縫下，外砌頁巖保溫空心磚墻具有較好的抗震穩(wěn)定性；

(3) 在具有較好的保溫性能的前提下，頁巖保溫空心磚砌體墻作為外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的外墻保溫飾面磚相比，未出現(xiàn)大面積的脫落，說明采用M5混合砂漿和拉結(jié)筋的方式進(jìn)行外砌頁巖空心磚是合適的.

［1］仇俊成. 燒結(jié)頁巖磚外墻夾心保溫技術(shù)亟待推廣[J].磚瓦，2009(12)：5-8.

［2］JGJ 137—2001，多孔磚砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范[S].

［3］JGJ 98—2010，砌筑砂漿配合比設(shè)計規(guī)程[S].

［4］JGJ101—2010，建筑抗震試驗方法規(guī)程[S].

［5］孫偉民，戴薇原，郭樟根，等. 新型節(jié)能復(fù)合混凝土空心砌塊砌體抗震性能的試驗研究[J].地震工程與工程振動，2006(5)：136-143.

［6］周宏宇. 帶構(gòu)造柱混凝土小型空心砌塊承重墻抗震性能的試驗研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)，2004.