黃 靚 滕瀚思 施楚賢 呂博東

（1.湖南大學(xué)綠色先進(jìn)土木工程材料及應(yīng)用技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082；2.貴州省建筑廢棄物裝配式墻體工程技術(shù)中心，安順561000）

0 引 言

砌塊填充墻有造價(jià)低、可就地取材、隔火隔熱和隔音性能好等優(yōu)點(diǎn)，在全世界廣泛使用。填充墻能提高RC 框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、滯回耗能能力以及水平承載力［1］。

RC 框架填充墻抗震性能受到構(gòu)造措施［2］、砌塊類(lèi)型［1］、墻體規(guī)則程度［3-4］等因素影響。而不同墻-框架連接方式對(duì)抗震性能影響極大，墻柱剛性連接比柔性連接更能提高結(jié)構(gòu)抗震承載力［5］。但填充墻與框架梁共同作用，可能使得框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生薄弱層、扭轉(zhuǎn)破壞，以及強(qiáng)梁弱柱［6］。此外，采用柔性連接時(shí)，砌體填充墻對(duì)混凝土框架的承載力、變形性能、剛度、耗能等的影響明顯降低［7］。故設(shè)計(jì)填充墻時(shí)應(yīng)著重考慮連接方式。

以上針對(duì)傳統(tǒng)砌塊墻抗震性能已被廣泛研究，但傳統(tǒng)人工砌筑的方式不符合建筑工業(yè)化要求。為發(fā)揮利用砌塊墻的優(yōu)勢(shì)，歐洲研發(fā)了用砌墻機(jī)砌筑的裝配式砌塊墻［8-10］（圖 1）。Rogatzki Paul［9］總結(jié)了歐洲自 21 世紀(jì)初以來(lái)對(duì)裝配式砌塊墻運(yùn)輸、設(shè)計(jì)、施工、吊裝等一系列試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用。

圖1 砌墻機(jī)Fig.1 Building Machine

不同于傳統(tǒng)砌塊墻，裝配式砌塊填充墻施工流程為：①設(shè)置框架柱（剪力墻）鋼筋籠；②裝配式墻體吊裝；③設(shè)置梁鋼筋籠；④澆筑框架。由于裝配式砌塊墻是整墻吊裝，為方便施工，設(shè)計(jì)成無(wú)馬牙槎，研究表明，不論是否有馬牙槎，約束填充墻均相比普通墻均有所改善［11］。

歐洲的規(guī)范與中國(guó)不一樣，特別是德國(guó)等地區(qū)是非抗震區(qū)，故其裝配式砌塊墻體系不適合我國(guó)，主要體現(xiàn)在連接方式為緊貼、無(wú)鋼筋拉結(jié)等構(gòu)造措施，難以滿(mǎn)足中國(guó)抗震要求。

在國(guó)內(nèi)，哈工大研究團(tuán)隊(duì)研究了預(yù)制配筋砌塊墻建房子，探索該類(lèi)墻體的預(yù)制、裝配等施工工藝［12-13］。但是該項(xiàng)目研究空心砌塊剪力墻，并且采用現(xiàn)場(chǎng)砌筑。對(duì)于裝配式砌塊填充墻，國(guó)內(nèi)鮮有研究。

為此，課題組研發(fā)了裝配式混凝土砌塊墻填充（圖2），并采用自研發(fā)的高精互鎖砌塊（圖3），砌塊墻無(wú)豎向灰縫，砌墻機(jī)可實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)砌筑并自動(dòng)鋪設(shè)水平灰縫（圖4）。

圖2 裝配式混凝土砌塊填充墻Fig.2 Prefabricated concrete block filling wall

圖3 高精互鎖砌塊示意圖Fig.3 Diagram of high-precision interlocking block

圖4 自動(dòng)鋪漿裝置Fig.4 Automatic masonry mortar device

本文對(duì)6 榀裝配式混凝土砌塊填充墻框架、空框架和普通混凝土空心砌塊填充墻框架進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究不同連接方式及梁類(lèi)型對(duì)裝配式混凝土砌塊填充墻的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試件設(shè)計(jì)參考《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）［14］的要求，設(shè)計(jì)并制作 6 榀 1：2 比例縮尺試件。砌塊采用高精互鎖砌塊和普通小型空心砌塊，砌塊強(qiáng)度為MU5，砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度Mb5。施工過(guò)程為：①預(yù)埋柱鋼筋籠并澆筑底梁；②吊裝墻體至底梁上；③設(shè)置梁鋼筋籠（吊裝疊合梁）；④澆筑梁柱；⑤養(yǎng)護(hù)后拆模。

框架混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，實(shí)測(cè)值為30.6 MPa。柱配筋率2%，設(shè)計(jì)軸壓比0.30，實(shí)際施加的軸壓力為200 kN。梁縱筋配筋率1.16%。梁、柱混凝土保護(hù)層厚度30 mm，底板高300 mm，保護(hù)層厚度20 mm。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，詳圖見(jiàn)圖5-圖9。材料實(shí)測(cè)力學(xué)性能見(jiàn)表2。

圖5 試件幾何尺寸及配筋（單位：mm）Fig.5 Dimensions and steel detailing of specimens（Unit：mm）

表1 試驗(yàn)墻體基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of specimens

圖6 墻片與框架柱連接方式Fig.6 Connection of frame column and walls

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 加載設(shè)備

試驗(yàn)采用三通道加載裝置加載，水平加載力的作用線位于試件柱的1/2 處。為保證頂端不產(chǎn)生滑移，試件頂端與L 型鋼梁通過(guò)鋼帽連接。詳見(jiàn)圖10。

1.2.2 加載方案

參考《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》（JGJ/T 101—2015）［15］的要求，采用用力-位移加載制度，具體加載方案如下：

圖7 疊合梁尺寸（單位：mm）Fig.7 Dimensions of laminated beam（Unit：mm）

圖8 墻梁連接（單位：mm）Fig.8 Wall beam connection（Unit：mm）

試件屈服前采用力加載，屈服后采用位移加載，位移增量為開(kāi)裂位移的整數(shù)倍，每級(jí)荷載循環(huán)三次。當(dāng)結(jié)構(gòu)承載力下降到極限承載力的85%時(shí)，認(rèn)定試件破壞。

試驗(yàn)過(guò)程中最大水平位移為24 mm，加載裝置L 型鋼梁高2 180 mm，裝置設(shè)置軸向恒力為200 kN，故豎向作動(dòng)器最大水平分力為24 mm/2 180 mm×200 kN=2.2 kN，可忽略不計(jì)。

1.2.3 測(cè)量方案

為測(cè)量水平方向應(yīng)變，分別在試件1/2高度處放置位移計(jì)LVDT2，梁兩端中心放置位移計(jì)LVDT3 和LVDT4；為了測(cè)底梁的水平位移和豎向翹曲，分別放置LVDT1、LVDT5 和 LVDT6；為監(jiān)測(cè)試件平面外位移，在垂直于試件平面處設(shè)置LVDT7。同時(shí)，在測(cè)量梁柱結(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵位置設(shè)置了應(yīng)變片，測(cè)量其應(yīng)變。位移計(jì)和應(yīng)變片布置見(jiàn)圖11。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 空框架試件K1

60 kN 時(shí)，柱子下端出現(xiàn)橫向裂縫，梁出現(xiàn)斜裂縫，此時(shí)位移為4 mm（層間位移角1/365＞1/550），達(dá)到彈塑性階段。8 mm 時(shí)右柱下端靠近中部位置出現(xiàn)多條微小水平裂縫；達(dá)到16 mm 過(guò)程中，當(dāng)位移增大時(shí)，力幾乎不增加，左柱底部出現(xiàn)保護(hù)層脫離現(xiàn)象；20 mm 時(shí)，右柱上端與梁連接的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)微小裂縫；24 mm 時(shí)，右柱外側(cè)下端水平裂縫增多，保護(hù)層脫離，梁兩端原有裂縫貫穿，承載力低于極限承載力的85%。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖 12（a）。

2.2 普通空心砌塊填充墻試件K2

120 kN 時(shí)，墻背面右上角出現(xiàn)第一條斜裂縫，位移為2 mm（層間位移角1/630）左右，回到0時(shí)殘余變形-0.2 mm。160 kN 時(shí)，側(cè)向位移達(dá)到3.7 mm，曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，采用位移加載。10 mm（層間位移角1/125）時(shí)，填充墻形成十字形裂縫，此時(shí)達(dá)到峰值應(yīng)力260 kN。18 mm 時(shí)，墻體兩面砌塊大片脫落，柱底出現(xiàn)2道水平裂縫。20 mm（層間位移角1/73）時(shí)，兩個(gè)柱角出現(xiàn)斜裂縫，兩端梁柱節(jié)點(diǎn)混凝土鼓起，右側(cè)柱子斜裂縫貫通，柱子剪壓破壞。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖12（b）。

2.3 墻柱鋼筋連接裝配式砌塊填充墻試件K3

140 kN 時(shí)，墻體中間出現(xiàn)第一道左上角至右下角的斜裂縫，且左柱的梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土出現(xiàn)裂縫，裂縫延伸至墻體，此時(shí)鋼筋應(yīng)變數(shù)據(jù)顯示，梁左端下部縱向鋼筋應(yīng)變最大。位移計(jì)顯示墻體位移3.8 mm（層間位移角1/384＞1/550），認(rèn)為達(dá)到開(kāi)裂荷載。8 mm 時(shí)，墻上2 道局部裂縫壓碎脫落并形成小孔，梁柱節(jié)點(diǎn)處混凝土出現(xiàn)斜裂縫，墻體斜裂縫延伸并接近右下柱腳。12 mm 時(shí)梁下端墻體有大量橫向裂縫，將梁與墻體脫開(kāi)；16 mm時(shí)，柱底出現(xiàn)3道橫向裂縫，墻中間裂縫繼續(xù)延伸，20 mm 時(shí)，墻左上部大量砌塊脫落，形成倒三角空隙；24 mm 時(shí)墻片X 型裂縫的砌塊脫落，柱下端出現(xiàn)多道橫向裂縫。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖12（c）。

2.4 墻柱鋼絲繩連接裝配式砌塊填充墻試件K4

120 kN（3 mm）時(shí)，梁上端出現(xiàn)2條豎向裂縫，梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)斜裂縫；140 kN（4.2 mm，層間位移角1/348）時(shí)，曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，墻片出現(xiàn)斜裂縫；8 mm 時(shí)，已有斜裂縫延伸，并出現(xiàn)多條斜裂縫，墻片頂部砂漿有脫離現(xiàn)象；12 mm 時(shí)，斜裂縫延伸至柱腳，柱子下段出現(xiàn)4 條水平裂縫，此時(shí)，墻右上角脫落并出現(xiàn)空間；16 mm 時(shí)，柱下端出現(xiàn)水平裂縫，此時(shí)柱下端和梁端應(yīng)變均很大；24 mm 時(shí)承載力達(dá)到極限承載力85%以下。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖12（d）。

圖9 試件尺寸和細(xì)節(jié)（單位：mm）Fig.9 Dimensions and details of specimens（Unit：mm）

圖10加載裝置示意圖Fig.10 Test setup

表2 鋼筋力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel bars

表3 混凝土及砂漿力學(xué)性能Table 3 Concrete and mortar mechanical properties

圖11 應(yīng)變片和位移計(jì)布置Fig.11 Arrangement of strain gauges and displacement transducers

2.5 墻柱鋼筋連接疊合梁試件K5

160 kN 時(shí)填充墻出現(xiàn)多道左上至右下的斜裂縫，梁右側(cè)出現(xiàn)5 道貫穿正反面的豎向裂縫，此時(shí)位移3.8 mm（層間位移角1/384＞1/550），滯回曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)；8～12 mm 期間，填充墻多個(gè)部位出現(xiàn)局部孔洞，孔洞多出現(xiàn)在中部區(qū)域，12 mm時(shí)砌塊沿著左柱脫落，柱子與墻體呈分離趨勢(shì)；16 mm 時(shí)正面大片砌塊脫落；20 mm 時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)砌塊受壓明顯，此時(shí)梁有較明顯的鼓起。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖12（e）。

圖12 試件最終破壞情況Fig.12 Final damage of the specimens

2.6 墻柱鋼絲繩連接疊合梁試件K6

140 kN 時(shí)墻背面左上角梁柱節(jié)點(diǎn)，有斜裂縫，并延伸至墻體。160 kN（3.4 mm，層間位移角1/430）時(shí)，墻體出現(xiàn)多道斜裂縫，梁一端出現(xiàn)5 道豎向貫通裂縫，左端節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)長(zhǎng)條斜裂縫。8 mm時(shí)，斜裂縫增多，并往柱腳延伸；12 mm 時(shí)，柱與墻體間出現(xiàn)脫離趨勢(shì)；16 mm 時(shí)，斜裂縫連成一條線，柱下段出現(xiàn)橫向裂縫；20 mm 時(shí)，柱下端出現(xiàn)多道橫向裂縫，墻體正面大片脫落；24 mm 時(shí)，左柱柱腳受壓局部壓碎。最終破壞形態(tài)見(jiàn)圖12（f）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 滯回曲線

試驗(yàn)滯回曲線見(jiàn)圖13，由圖可得：

（1）圖中可以看出，試驗(yàn)剛開(kāi)始，滯回環(huán)呈狹長(zhǎng)狀，接近一條直線，試件基本呈彈性狀態(tài)。達(dá)到彈塑性階段后，滯回環(huán)呈梭形，包圍面積明顯增大，說(shuō)明耗能明顯。

（2）對(duì)比空框架試件K1 和帶墻體框架試件，空框架的初始剛度和最大承載力更小，這是因?yàn)闆](méi)有墻體提供側(cè)向剛度和受力。同時(shí)，帶墻體試件的滯回曲線比空框架試件K1 的滯回曲線更飽滿(mǎn)，說(shuō)明墻體參與了耗能。

（3）普通砌塊填充墻試件K2比裝配式砌塊填充墻試件初始斜率和最大承載力更大，因?yàn)閴χB接處剛度更大。但承載力下降迅速，這是由于裂縫展開(kāi)更快，導(dǎo)致墻體退出工作也更快。

（4）彈性層間位移角為開(kāi)始出現(xiàn)初始裂縫時(shí)的位移角?？湛蚣茉嚰⑵胀ㄆ鰤K填充墻和裝配式砌塊填充墻彈性層間位移角為1/365、1/630、1/430-1/348，按 GB 50011—2010［14］規(guī)定，鋼筋混凝土框架彈性層間位移角為1/550，可以看出裝配式混凝土砌塊填充墻滿(mǎn)足規(guī)范要求，接近空框架K1，而普通砌塊填充墻有超過(guò)規(guī)范規(guī)定限值的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 骨架曲線

試驗(yàn)骨架曲線見(jiàn)圖14，可見(jiàn)：

（1）從骨架曲線初始斜率和極限峰值相比，帶墻體試件峰值荷載是空框架試件峰值荷載的180%。說(shuō)明砌塊填充墻明顯增大了框架結(jié)構(gòu)的承載力。

（2）填充墻框架試件更早達(dá)到極限強(qiáng)度，墻體一旦開(kāi)裂破碎，結(jié)構(gòu)整體承載力迅速下降，而后框架結(jié)構(gòu)開(kāi)始承擔(dān)主要荷載，其承載能力仍略高于空框架結(jié)構(gòu)承載能力。

圖13 滯回曲線Fig.13 Hysteresis curves of specimens

（3）普通空心砌塊填充墻試件K2峰值荷載是其他試件峰值荷載的140%，但墻體開(kāi)裂退出工作后，結(jié)構(gòu)承載力迅速下降，表明墻體很快退出工作，同時(shí)說(shuō)明了試件延性較差。

（4）試件 K3 和試件 K4、試件 K5 和試件K6 對(duì)比，鋼筋連接構(gòu)件最大承載力是鋼絲繩連接構(gòu)件最大承載力的115%，這是因?yàn)樵趬χB接上，鋼筋連接采用混凝土填充，比采用砂漿填充的鋼絲繩連接方式剛度更大，提高了試件承載力。

圖14 骨架曲線Fig.14 Skeleton curves of specimens

（5）試件 K3 和試件 K5 對(duì)比、K4 和 K6 對(duì)比，兩者骨架曲線相近，說(shuō)明是否有疊合梁對(duì)試件骨架曲線的影響不大，因此配合疊合梁的施工方式，可免去使用梁底模，僅用少量側(cè)模。

3.3 延性系數(shù)

對(duì)非承重構(gòu)件，延性系數(shù)是衡量構(gòu)件結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下可以承受大的塑性變形而不破壞倒塌的重要指標(biāo)，定義為其中Δd為墻體的破壞位移，即為承載下降到峰值荷載的85%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移值；Δy為墻體的開(kāi)裂位移。試件的位移延性系數(shù)μ見(jiàn)表4，可見(jiàn)：

（1）空框架試件K1 延性系數(shù)是帶墻體試件的延性系數(shù)的1.24 倍，這是因?yàn)槠鰤K墻是脆性材料，會(huì)降低試件延性。

（2）裝配式混凝土砌塊填充墻試件延性系數(shù)是普通空心砌塊填充墻試件延性系數(shù)的1.21 倍，說(shuō)明裝配式砌塊填充墻試件延性更好，在地震中能保持更大的變形而不倒塌。因?yàn)閷?duì)比傳統(tǒng)砌塊填充墻和裝配式砌塊填充墻，由于傳統(tǒng)有豎向灰縫的砌塊連接形式受力破壞時(shí)，灰縫斷開(kāi)，使得砌塊分離，傳力受影響；而互鎖砌塊在受力時(shí)，會(huì)越來(lái)越緊，故能長(zhǎng)時(shí)間承力，故其延性會(huì)提高。

（3）試件K3 與試件K5、試件K4 與試件K6 延性系數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋼絲繩連接的構(gòu)件延性系數(shù)是鋼筋連接的構(gòu)件延性系數(shù)的1.05～1.12 倍，這是由于砂漿填充的墻柱界面在震動(dòng)過(guò)程中脫開(kāi)，從而使墻體對(duì)框架結(jié)構(gòu)的約束減弱，提高了延性。

表4 試件各階段延性系數(shù)Table 4 Ductility coefficients of each stage of specimens

3.4 剛度退化

剛度退化曲線見(jiàn)圖15，由曲線可得：

（1）普通砌塊填充墻框架試件K2的初始剛度最大，但其剛度退化速率最快，在6 mm 左右達(dá)到與其他填充墻試件一樣的剛度；空框架試件K1初始剛度比有填充墻的試件初始剛度小。在加載終止時(shí)，帶墻體試件和空框架試件K1的側(cè)向剛度基本接近，表明此時(shí)填充墻已破壞，基本退出工作。

（2）填充墻試件側(cè)向剛度是空框架試件初始剛度的2.25 倍以上。普通空心砌塊填充墻試件K2 的初始側(cè)向剛度比裝配式混凝土砌塊填充墻試件K3、試件K4 初始剛度稍大，但隨著位移增加，K2 剛度退化曲線下降更迅速，并且后期側(cè)向剛度低于K5，與K4和K6相近。

圖15 剛度退化曲線Fig.15 Curves of stiffness degradation

（3）試件 K3 與試件 K5、試件 K4 與試件K6 相比，兩者初始剛度相近，而鋼筋連接試件的剛度曲線下降速度稍快于鋼絲繩連接試件。

（4）曲線中，后期疊合梁試件K5、試件K6 的側(cè)向剛度維持最好，但與試件K3、試件K4 相近，表明是否采用疊合梁對(duì)裝配式混凝土砌塊填充墻剛度影響不大。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)6 個(gè)單層單跨試件抗震性能試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）裝配式混凝土砌塊填充墻抗震性能較傳統(tǒng)空心砌塊填充墻更優(yōu)，前者延性是后者1.24倍，前者墻體裂縫均呈現(xiàn)X 型，產(chǎn)生剪切破壞和局部受壓破壞；后者為局部X 裂縫，產(chǎn)生明顯斜桿效應(yīng)，容易產(chǎn)生強(qiáng)梁弱柱破壞。表明裝配式混凝土砌塊填充墻受力更均勻，并且對(duì)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更有利。

（2）傳統(tǒng)有豎向灰縫的砌塊連接形式受力破壞時(shí)，灰縫開(kāi)裂，使得砌塊分離，傳力受影響。無(wú)豎向灰縫的砌塊連接改變了墻體的傳力模式，使墻體的破壞過(guò)程經(jīng)歷了從整墻受力到墻柱組合體受力，降低了墻體脆性發(fā)生破壞程度，提高延性和耗能能力。

（3）采用疊合梁對(duì)裝配式混凝土砌塊填充墻抗震性能無(wú)影響，對(duì)比現(xiàn)澆梁，兩者延性系數(shù)、骨架曲線和剛度退化曲線相近。故可采用吊裝墻體后，在墻體上放置疊合梁的施工方法，可簡(jiǎn)化支模工序，提升施工效率。