砌体抗震性能试验报告内容(NXPowerLite).doc

1.前言进入2l世纪，绿色产业已成为世界各国共同的目标，传统工业的发展为人类的现代生活创造了丰富的财富，提高了人们的生活水平，但是它也带来了资源短缺、水源危机、生态破坏和环境污染等一系列问题，迫使人们转变当前的产业模式，用可持续发展的产业替代传统产业。墙体材料是我国建筑材料工业的重要组成部分，其用量约占所有建筑材料的1/2，价值约占建筑总成本的30，其产值接近建材工业总产值的1/3，耗能占建材工业总能耗的1/2左右。因此，绿色墙材是新型墙体材料的发展目标。为了进一步研究烧结页岩多孔砖、混凝土多孔砖和蒸压灰砂多孔砖墙体的抗震性能，为该新型墙体材料的应用规范制定提供依据。并通过上述三种多孔砖墙片的拟静力试验，对比素墙片与加构造柱墙片在低周反复水平荷载作用下的力学性能以及墙片的各项抗震指标，分析构造柱对砌体墙片的抗震性能的影响。根据浙江省村镇房屋重大震害、风灾预防技术及应用研究重大科技专项社会发展重点课题的需要，浙江工业大学承担新型墙体材料砌体结构性能对比分析子课题的墙体结构试验研究工作。1.1试验内容试验内容为烧结页岩多孔砖、灰砂砖多孔砖、混凝土多孔砖墙体材料的轴心抗压试验、双面抗剪试验、墙片低周反复水平荷载试验。墙片类型与数量：见表1-1。表1-1 墙片类型和数量 墙体形式编号材料数量纯墙体Q1烧结页岩多孔砖1带构造柱边框墙体Q2烧结页岩多孔砖1纯墙体Q3蒸压灰砂多孔砖1带构造柱边框墙体Q4蒸压灰砂多孔砖1纯墙体Q5混凝土多孔砖1带构造柱边框墙体Q6混凝土多孔砖11.2试验过程试验自2009年6月15日开始执行。期间由于新型材料性能不同于常规材料，在试验的加载的力度和方式上有一定的区别。因此，本试验前3个月为试验准备（包括加工支架，夹具，受力承台等）阶段与加载试验调试阶段。正式试验自9月15日开始：试验的项目、日期与结果可见表1-2本报告主要含：烧结页岩多孔砖墙片低周反复水平荷载试验；灰砂砖低周反复水平荷载试验；混凝土多孔砖墙片低周反复水平荷载试验报告以及这一些新型墙体材料墙片的材料试验与抗震性能分析。2.砌体抗震试验的调研2.1砌体抗震性能的试验研究分类1978年唐山大地震后，我国开始重视建筑结构特别是砌体结构的抗震性能的试验研究，其中最多的是砖砌体的抗震性能试验研究。砖砌体的抗震性能是指砖砌体抵抗地震作用的能力，而砖砌体抗震性能所要研究的问题应包括：砖砌体强度、抗裂度、抗变形能力、耗能能力、刚度退化以及破坏机制等问题的研究。这一切也就是：砖砌体的基本力学性能；砌体墙片及房屋在伪静力荷载作用下抗震性能；砌体墙片及房屋在动力荷载作用下的抗震性能；这三个主要方面的研究1）. 基本力学性能研究。基本力学性能试验主要包括:砖墙体的抗压强度及变形性能试验、沿水平通缝的抗剪强度试验及其抗拉、抗弯强度试验。一般来说，砖砌体的抗压强度的测定是至关重要的，它不仅在研究墙体抗震性能中不可缺少，也是研究其他一切墙体性能的基础。影响砖砌体的力学性能的因素较多，主要影响因素有:块体强度、砂浆强度、砂浆灰缝的饱满度、保水性、块体砌筑时的含水率、砌体的养护条件以及施工质量和试验方法等。2）. 在伪静力荷载（低周反复水平荷载）作用下的抗震性能研究。伪静力荷载下的抗震性能研究主要包括墙片的抗侧承载力试验和墙片的弹塑性有限元分析等。抗侧承载力试验是对砌体墙片进行有竖向荷载作用下的水平低周反复荷载试验。墙片的厚度一般和实际墙片相同，高宽比为1:2或2:3，也可以做足尺墙片试验。加载时先一次性加满竖向荷载，然后分级施加水平荷载。通过墙片在试验中所表现出的破坏形态、受力性能、耗能能力、滞回特性、极限强度等来评价墙片的抗震性能。在伪静力荷载作用下，砌体墙片在试验中主要呈现三种破坏：（1）. 剪摩破坏，墙片破坏时，在墙片底部水平灰缝因剪切滑移而出现裂通的水平裂缝；（2）. 剪压破坏，墙片破坏时，墙片沿斜对角方向因砌体抗主拉应力强度不足而产生斜裂缝，裂缝大多数成阶梯形，水平段主要位于墙体中部；（3）. 斜压破坏，墙片破坏时，墙片沿主压应力线产生多条裂缝，裂缝通过砖和砂浆，带有明显的受压破坏特征。墙片发生哪种破坏与墙片在试验时的边界条件、竖向荷载大小、砂浆的强度、墙片的高宽比等因素密切相关。在试验时，虽然可以通过足尺砌体房屋抗震试验来研究墙体的破坏形态。但足尺试验规模大，对加载设备要求高，水平地震作用在整个试验过程中沿竖向和沿水平向各抗侧力构件之间的分布难以确定，因此很少进行足尺砌体房屋的抗侧承载力试验。由于伪静力试验的简便、成本低等诸多优点，国内外多采用它来研究砌体房屋在地震或风荷载作用下墙体的破坏形态。因此本文中的墙片试验即为伪静力荷载作用下的抗震性能研究。3）. 砖砌体墙片及房屋在动力荷载作用下的抗震性能研究。动力荷载作用下的试验研究主要有三种：（1）. 计算机试验机联机试验，它是根据反复加载试验得到的滞回曲线形式，作出刚度变化的简化模型，通过计算机进行弹塑性动力分析，求出结构在地震过程中各时刻的水平位移或水平荷载。然后在试件上按计算的位移或荷载逐步加载，实现计算得到的动力反应结果（伪动力试验）；（2）. 非线性地震反应分析，它是利用墙片试验所得到的滞回曲线并将其简化得出各种受力状态下位移和结构刚度的关系，再将地震波数值化，输入程序进行弹塑性时程分析的一种计算机运算模拟结构地震反应的方法（动力模拟）；（3）. 地震模拟振动台试验，它是至今为止最为直观，最接近实际情况的研究砌体结构和房屋抗震性能的试验手段。它可以很好地研究该房屋的抗震性能，但由于根据房屋模型的试验结果来推算原型房屋的抗震能力也只能是一种估算方法，且试验成本很高，目前国内外对此也有不少争议（动力试验）。2.2烧结多孔砖砌体抗震性能研究现状随着我国环保节能政策的实施力度的加强，很多环保节能的新型墙体材料逐步取代粘土实心砖。二十世纪八十年代以来，烧结多孔砖发展较快，关系民生的烧结多孔砖砌体抗震性能的研究不断提到议事日程。文献1研究了盲孔粘土多孔砖墙片在低周反复荷载作用下的承载能力，其目的是为了模拟盲孔多孔砖墙片在水平地震荷载作用下的承载能力。试验表明，盲孔多孔砖墙片在低周反复荷载作用下抗剪承载力与其他多孔砖墙片基本相当，可按规范方法计算其抗震抗剪承载力；带构造柱及圈梁的盲孔多孔砖墙片有较好的吸能和变形能力，可以满足抗震结构的要求。 文献2对KP1型粘土多孔砖无筋和配筋墙的抗震性能进行了试验研究。通过粘土实心砖墙和KP1型粘土多孔砖墙的对比试验表明，KP1型粘土多孔砖墙比实心砖墙具有更好的抗震性能，配筋多孔砖墙的抗震性能比不配筋的好。文献3对KP1型承重粘土多孔砖墙片抗震性能进行了试验研究，研究表明KP1型砖墙无论配筋与否，其平均极限抗剪强度均要高于粘土实心砖墙片，总地震作用小于粘土实心砖墙片，极限位移比大，耗能和变形能力强，故KP1型粘土多孔砖墙片抗震性能优于粘土实心砖墙片；配纵筋带和混凝土芯柱的墙片，可以与圈梁连在一起，形成较好的柔性骨架结构，增强了墙体的延性和整体性，有利于抵抗地震所产生的倾覆力和剪力，是提高结构抗震能力的一种行之有效的结构措施。另外，水平配筋的KP1型粘土多孔砖墙片提高了墙体的抗剪能力，对后期的裂缝有抑止作用。文献4通过KP1型粘土多孔砖和粘土实心砖砌体主要力学性能和墙体抗震性能的对比试验，以及两种砖砌体房屋的动力特性对比测试，并与国内有关试验数据验证，对KP1型粘土多孔砖房屋的抗震性能作出评定，认为: (1)KP1型粘土多孔砖砌体抗压强度和粘土实心砖砌体相当或稍高，通缝抗剪强度因孔洞砂浆的销键作用，比粘土实心砖砌体高出10%20%，有利于抗震。(2)多孔砖墙的反复侧向承载力同粘土实心砖墙相当，设置构造柱后，一般能提高墙体抗剪能力10%25%，变形能力也显著提高，墙体即使进入破坏阶段，构造柱还起着使墙体“裂而不倒”的作用。设置构造柱是地震区多孔砖房屋的有效抗震构造措施。文献5对模数多孔砖(指主规格为190mm109mm90mm的M型粘土多孔砖)墙体强度和变形进行了试验研究，结果表明，在往复水平力作用下模数多孔砖与普通砖墙具有相同的主拉破坏机制，其抗震抗剪承载力高于粘土实心砖墙体，但墙体在达到极限荷载后，承载力有突然下降的现象，墙体在往复剪压过程中有劈裂、剥落现象。文献6研究了模数多孔砖砌体力学性能与墙片抗震性能。研究表明，多孔砖墙片的侧向承载力和变形能力与实心砖墙片相当，但达到极限荷载后，砖的劈裂剥落现象略为严重；砌筑砂浆强度对于砖墙的抗震性能影响较大，且砌筑的质量对砖墙的承载能力也有明显的影响。文献7对DS型多孔砖砌体墙片进行了低周反复水平荷载作用下的试验，分析了墙片的破坏特征，得到了墙片的骨架曲线、延性系数、变形能力及刚度衰减规律等，提出了墙片抗剪承载力及变形计算公式，根据墙片的等效弹性反应，分析了墙片的抗倒塌能力，表明带构造柱、圈梁墙片具有足够的抗倒塌能力。文献8进行了模数多孔砖模型房屋抗震性能试验，试验结果表明，在静力和动力交替加载条件下，模数多孔砖砌体模型房屋具有较好的整体性和相应的动力特性。在静力加载中，初裂荷载前表现为线性变形， 开裂后的不同阶段，大体符合一般粘土实心砖砌体房屋的变形规律；在动力加载阶段，通过不同的手段测得得动力特性，也符合一般粘土实心砖砌体房屋的特点。从整体上看，模数多孔砖可作为一般粘土实心砖砌体同样看待，但模数多孔砖在整体结构中有脆性较大，局部砌体易破坏等弱点。文献9通过9片不同间距拉接筋的粘土多孔砖保温夹心墙体及3片多孔砖实体墙体的低周期反复荷载下的拟静力试验，分析研究了不同构造墙体的破坏形态、变形性能、拉接件的作用，建议了该种墙体的开裂荷载与极限荷载的计算公式。文献10进行了六层构造柱圈梁体系外墙用粘土多孔砖、内墙用混凝土小型空心砌块足尺房屋抗震试验，并对试验结果进行了分析，评价了此类房屋的抗震能力。文献11开展了KP1型烧结页岩粉煤灰多孔砖墙体抗震性能试验研究，结果表明：(1) 试验墙体主要呈现沿通缝剪切和剪压两种破坏。前者具有较好的变形性能，后者极限荷载与开裂荷载很接近，墙片破坏具有脆性破坏的特征。(2) 页岩粉煤灰多孔砖墙体的抗震性能主要受砂浆强度、竖向压应力等因素的影响。砂浆强度越高，墙片的开裂、极限荷载越高，延性越小；竖向压应力越大，墙体承载力越大，延性越小。(3) 竖向压应力对墙片的刚度退化有影响，随着竖向压应力的增大，墙体刚度退化趋于平缓。(4) 墙体在开裂后，能量损耗比和等效粘滞阻尼比均增大。由上面文献中的试验研究可知，盲孔粘土多孔砖、KP1型及DS型粘土多孔砖及KP1型页岩粉煤灰多孔砖等烧结多孔砖砌体墙在反复荷载作用下，破坏形态基本与粘土实心砖墙体的破坏形态一致，其中KP1型粘土多孔砖及页岩粉煤灰多孔砖砌体抗震性能相对较好。普遍存在的不足是，破坏时烧结多孔砖有时出现劈裂、剥落现象；通过设置构造柱、芯柱或水平拉接钢筋可以改善多孔砖砌体局部破坏等弱点。上述各类烧结多孔砖砌体房屋试验及地震响应非线性分析也表明，采取相应构造措施的多孔砖砌体房屋地震作用下具有足够的承载力，特别是构造柱的设置对墙片的抗剪强度和延性提高很明显。本次试验正是根据上述已有试验的成果，针对上述已有试验的不足，结合我省的具体情况，优化试验项目选择而开展的。通过对竖向荷载作用下的一组烧结页岩多孔砖墙体（其中1片设置构造柱），一组蒸压灰砂多孔砖墙体（其中1片设置构造柱）和一组混凝土多孔砖墙体（其中1片设置构造柱）进行的水平低周反复荷载对比试验，研究了墙体的抗剪强度、变形及耗能能力等，为烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖和混凝土多孔砖砌体结构的工程应用提供试验依据。3. 墙体抗震性能试验研究3.1试验目的这次墙体抗震性能试验研究的主要目的是：1）. 对比素墙片与加构造柱墙片在低周反复水平荷载作用下的力学性能以及墙片的各项抗震指标，包括墙片的强度与相应的位移、骨架曲线、滞回曲线、变形能力等特性，分析附属结构，如构造柱对砌体墙片的抗震性能的影响，2）. 通过烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖和混凝土多孔砖墙片的拟静力试验，观察墙片的裂缝开展过程和破坏形态，分析破坏原因，为该新型墙体材料的应用制定新规章提供试验依据；3）. 进一步了解烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖和混凝土多孔砖墙体的抗震性能，动力作用下的力学机制，为该新型墙体材料的抗震设计提供技术依据。3.2 试件制作3.2.1. 试件尺寸墙片尺寸为1500mm（高）1800mm（宽）240mm（厚），高宽比为0.83。每做一个试件就做一次试验，编号为Q1、Q2、Q3、Q4 、Q5、Q6。其中Q1、Q3分别为烧结页岩砖和蒸压灰砂多孔砖素墙片，Q2、Q4分别为烧结页岩砖和蒸压灰砂多孔砖加构造柱墙片。Q5为混凝土多孔砖素墙片、Q6为混凝土多孔砖加构造柱墙片。三种砖的尺寸均为240mm（长）115mm（宽）90mm（厚）。墙顶设置1800mm（长）200mm（高）240mm（宽）的圈梁，墙底设置2000mm（长）400mm（高）300mm（宽）的底梁，图3-1是墙片的尺寸图。（a） Q1、Q3、Q5试件尺寸 (b) Q2、Q4、Q6试件尺寸 图3-1 墙体试件尺寸 （单位：mm）3.2.2.材料强度构造柱、圈梁和底梁采用C20混凝土，墙体采用M10混合砂浆砌筑，第一个试件的制作过程见图3-2。配筋情况如下：构造柱配筋:纵筋为4根直径12mm的HRB335钢筋；箍筋为直径6mm的HPB235钢筋，间距200mm，构造柱上下两端500mm内加密，间距100mm。顶梁和底梁配筋: 纵筋采用4根直径12mm的HRB335钢筋，箍筋采用直径6mm的HPB235钢筋，间距200mm。材料性能试验如下：钢筋的力学性能见表3-1。表3-1 钢筋力学性能钢筋级别屈服强度（MPa）极限强度（MPa）弹性模量（MPa）二级3605502.0105一级2854202.11053.2.3. 试件制作1）.Q1试件制作过程如下：第一步:砌筑墙体，先清理基座顶面，在底座上准确地确定中轴线，并画出底梁的位置尺寸；然后支护底梁的模板，把底梁钢筋笼放入模板用混凝土浇注；按照规范养护28天之后，在底梁顶面画出墙体的位置尺寸，在所要砌筑墙体的位置上，浇捣一层水泥砂浆，高约30mm；然后由一名砌筑技术中等的瓦工砌筑墙体，直至试件高度。试件砌筑符合砌体工程施工质量验收规范有关规定。同时制作1组砂浆标准立方体试件，每组3块，与墙体试件同条件养护28天，进行抗压试验。第二步:4天后，当砂浆达到一定强度，进行顶梁的模板支护，浇筑混凝土，并振捣密实。同时制作1组混凝土标准立方体抗压试件，每组3块，与墙体试件同条件养护，28天后进行抗压试验。试件Q1的制作过程见图3-2。 （a）底梁模板制作 （b） 底梁混凝土搅拌 （c）底梁混凝土搅拌完成 （d）底梁浇注 （e）砂浆搅拌（f）墙体砌筑 （g）墙体砌筑完成 （h）养护完成图3-2 Q1试件的制作过程2）. Q2试件制作过程如下：第一步:砌筑墙体，先清理基座顶面，在底座上准确地确定中轴线，并画出底梁的位置尺寸；然后支护底梁的模板，把底梁钢筋笼放入模板用混凝土浇注；按照规范养护28天之后，在底梁顶面画出墙体和构造柱的位置尺寸，在所要砌筑墙体的位置上，浇捣一层水泥砂浆，高约30mm；然后由一名砌筑技术中等的瓦工砌筑墙体，直至试件高度；然后采用植筋技术，在底梁顶面画出的构造柱尺寸位置上用钻子钻孔，孔深300mm，每边钻4个孔用于植筋，把纵筋插入孔中，采用环氧树脂将钢筋固定在混凝土中，绑扎箍筋。试件砌筑符合砌体工程施工质量验收规范有关规定。同时制作1组砂浆标准立方体试件，每组3块，与墙体试件同条件养护28天，进行抗压试验。第二步:4天后，当砂浆达到一定强度后，进行构造柱和顶梁的模板支护，浇筑混凝土，振捣密实。同时制作1组混凝土标准立方体抗压试件，每组3块，与墙体试件同条件养护，28天后进行抗压试验。试件Q2的制作过程见图3-3。（a） 底梁模板支护 （b）底梁浇注完成（c）墙体砌筑(d) 墙体砌筑完成 (e) 构造柱植筋(f) 养护完成图3-3 Q2试件的制作过程其中Q3、Q5试件制作过程与Q1试件类似，Q4、Q6试件制作过程与Q2试件类似。砂浆和混凝土实测强度见表3-2。表3-2 砂浆和混凝土抗压强度实测平均值编号混合砂浆强度（MPa）混凝土强度（MPa）Q111.125.6Q211.524.8Q311.324.9Q411.525.2Q511.124.5Q611.824.93.3试验装置本次试验在浙江工业大学结构实验室进行，试验装置如图3-4所示。(a) Q1的加载装置（b）Q2的加载装置（c）液压伺服加载控制系统（d）加载控制界面图3-4 加载装置与加载控制系统 在水平地震荷载作用下，砌体结构的墙体将受到很大的水平荷载，为模拟实际墙体的受力条件和破坏形态，我们把这种墙体简化为底端固定而上端自由的矩形块体。为此，采用图3-4（a）、（b）所示的加载装置进行室内模型墙体的低周反复荷载试验。试件底梁与底座固定，竖向压力由一个千斤顶施加于两根分配梁上，下面那根分配梁和顶梁之间设有滚轴，以尽可能减少分配梁与顶梁之间的水平向摩擦力。水平力由另一个千斤顶施加于组合钢架边板上（组合钢架的作用是将顶梁和最上皮砖连起来，便于施加水平推拉力），施力点高度与墙片的高度基本相同。垂直千斤顶与水平千斤顶分别由液压伺服控制系统中的2号作动器和3号作动器控制，见图3-4（c）、（d）。3.4 加载制度试验时，先施加竖向荷载200kN，竖向荷载一次加足并保持恒定，然后逐级施加水平反复荷载。一组两个试件的竖向应力采用相同的强度，大小为0.46MPa。水平荷载由电液伺服加载系统3号作动器施加。正式加载前，先施加30kN水平力，检查试件、试验装置、测量仪器是否正常工作，然后卸载至零，准备正式加载。墙体开裂前按荷载控制，以10kN为增量向上递增，每级循环1次，加载速度为20kN/min，加载至墙体产生裂缝后采用位移控制加载继续试验，控制位移取试件屈服时的位移，并以此为倍数向上递增，每级位移循环2次，每3分钟循环1次，直到试件破坏。破坏标志为水平荷载下降到极限承载力的85%以下，水平荷载加载制度如图3-5所示。（a）按水平力控制(b) 按开裂位移控制图3-5 试验加载制度由于砌体墙体在水平荷载作用下一般为剪切破坏，没有明显的屈服台阶，要准确地确定屈服位移一般是不可能的。因此，试验过程中要根据具体情况暂取一值作为加载时的控制值，试验结束后，再由试验结果分析确定每个试件的屈服位移值。4.墙体抗震性能试验状况4.1 裂缝观察墙体在水平和竖向荷载的共同作用下，处于剪压复合应力状态。由于构造柱的作用，墙体的破坏过程有着明显的不同，各试件的开裂过程、开裂位置和破坏形态如下所述。4.1.1 Q1墙片的破坏过程试验时，先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力为0.46MPa。开始加载阶段，墙体位移很小，水平位移与水平荷载基本上呈线性关系，荷载位移曲线沿直线上升。在墙体开裂之前，墙体基本上处于弹性状态。当水平荷载向左加至105kN左右时，听到“啪”一声，在墙体右下角第二条水平砂浆灰缝出（a）第一条裂缝正面（b）第一条裂缝侧面（c）第二条裂缝出现(d) 裂缝贯通底面图4-1 Q1试件试验过程现第一条裂缝，此时墙顶水平位移为5.02mm，见图4-1（a）、(b)。当水平荷载向右加至110kN时，裂缝沿着竖向灰缝往下延伸，墙体左下角和底梁开裂脱离，见图4-1(c)。当水平荷载加至120kN时，墙体和底梁完全脱开，荷载位移曲线发生明显的弯曲,见图4-1（d）。再继续加载时，发现水平位移在增大，水平荷载值变小了，为保证安全停止加载。4.1.2 Q2墙片的破坏过程与Q1试件试验过程类似，试验开始，先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力也是0.46MPa。开始加载阶段，墙体位移很小，水平位移与水平荷载基本上呈线性关系，荷载位移曲线沿直线上升。在墙体开裂之前，墙体基本上处于弹性状态。直到水平荷载向左加至160kN左右时，听到“唦唦唦”的响声，看到千分表的指针快速旋转，在墙体中部出现阶梯形的第一条斜裂缝，几乎贯通整个墙面，裂缝最大宽度为34个毫米，同时右边构造柱的侧面距墙顶18cm左右处出现一条水平裂缝，裂缝最大宽度为2mm左右，此时墙顶水平位移为6mm左右，见图4-2（a）、（b）。当水平荷载向右加至155kN左右时，墙体中出现5条阶梯形斜裂缝，裂缝最大宽度为4mm左右，同时左边构造柱的侧面距底梁30cm左右处出现一条水平裂缝，裂缝最大宽度为3mm左右，此时墙顶水平位移为15mm左右，见图4-2（c）、（d）、（e）。当水平荷载继续向左加至130kN左右时，墙体中的第一条斜裂缝继续扩大，并且贯通整片墙，裂缝最大宽度为20mm左右，右边构造柱的水平裂缝也变宽，最大宽度为6mm左右，构造柱距墙顶20cm左右出现3、4条斜裂缝，此时墙顶水平位移为18mm左右。但是由于构造柱的约束作用，墙体还有一定的承载能力，墙体“裂而不倒”，见图4-2（f）、（g）、（h）。由于墙体已经产生很大变形，加载过程中，发现水平位移在增大，水平荷载值反而变小了，为保证设备安全，停止加载。最终墙体中出现“X”形裂缝，用粉笔描出的裂缝形状见图4-2（i）。（a）墙体第一条裂缝（b）右边构造柱第一条裂缝（c）墙体第二次出现的裂缝（d）第二次裂缝细部（e）左边构造柱第一条裂缝（f）墙体第三次出现裂缝（g）第三次裂缝细部（h）右边构造柱第二次裂缝（i）墙体最终的“X”形裂缝（j）构造柱变形图4-2 Q2试件试验过程4.1.3 Q3墙片的破坏过程先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力也为0.46MPa。开始墙体位移很小，水平位移与水平荷载基本上呈线性关系，荷载位移曲线沿直线上升。在墙体开裂之前，墙体基本上处于弹性状态。当水平荷载向右加至109kN左右时，听到“啪”一声，在墙体左下角第二条水平砂浆灰缝出现第一条裂缝，此时墙顶水平位移为5.13mm，见图4-3（a）。当水平荷载向左加至122kN时，墙体右下角出现斜裂缝，见图4-3(b)。当水平荷载加至112kN时，荷载位移曲线发生明显的弯曲。当继续加载时，发现水平位移在增大，水平荷载值变小了，为保证安全停止加载。 （a） 墙体左侧第一条裂缝（b）墙体右侧第一条裂缝图4-3 Q3试件试验过程4.1.4 Q4墙片的破坏过程与前面试验过程类似，试验开始，先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力也是0.46MPa。开始加载阶段，墙体位移很小。在墙体开裂之前，墙体基本上处于弹性状态。直到水平荷载向右加至149kN左右时，出现“唦唦”的响声，在墙体左下角出现阶梯形的第一条斜裂缝，裂缝最大宽度为23毫米，此时墙顶水平位移为6mm左右，见图4-4（a）。当水平荷载向左加至158kN左右时，墙体右下角中出现一条阶梯形斜裂缝，裂缝最大宽度为4mm左右，此时墙顶水平位移为15mm左右，见图4-4（b）。当水平荷载继续向右加至140kN左右时，墙体中的第一条斜裂缝继续扩大，几乎贯通整片墙，裂缝最大宽度为20mm左右，此时墙顶水平位移为18mm左右。但是由于构造柱的约束作用，墙体还有一定的承载能力，墙体不倒，见图4-4（c）。最终墙体也出现“X”形裂缝，形状见图4-4（d）。（a）墙体左侧第一条裂缝（b） 墙体右侧第一条裂缝 （c）墙体左侧第二条裂缝 （d）墙体最终的裂缝图4-4 Q4 试件试验过程4.1.5 Q5墙片的破坏过程先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力为0.46MPa。开始加载阶段，墙体位移很小，水平位移与水平荷载基本上呈线性关系，荷载位移曲线沿直线上升。在墙体开裂之前，墙体基本上应处于弹性状态。当水平荷载向右加至131kN左右时，也有“啪”声，同时在墙体左下角第二条水平砂浆灰缝出现第一条裂缝，此时墙顶水平位移为7.31mm，见图4-5（a）。当水平荷载向左加至133kN时，墙体右下角出现第二条裂缝，见图4-5(b)。当水平荷载加至139kN时，墙体底部裂缝贯通,见图4-5（c）。当继续加载时，水平位移在增大，水平荷载值变小，为保证安全停止加载。（a） 左下角第一条裂缝（b） 右下角第二条裂缝（C） 裂缝贯通墙体底部图4-5 Q5 试件试验过程4.1.6 Q6墙片的破坏过程与Q5试件试验过程类似，先在墙体顶部施加200kN的竖向荷载，平均压应力也是0.46MPa。开始加载阶段，墙体位移很小，水平位移与水平荷载基本上呈（a） 底梁破坏 （b） 墙体整体倾覆图4-6 Q6 试件试验过程线性关系，荷载位移曲线沿直线上升。在墙体开裂之前，墙体基本上处于弹性状态。直到水平荷载向右加至181kN左右时，听到“啪”的一声响，看到千分表的指针快速旋转，左下角底梁拉裂破坏，此时墙顶水平位移为9.8mm左右，见图4-6（a）。继续加载，墙体发生整体倾覆，见图4-6（b），停止试验。5.墙体抗震性能试验结果分析5.1 受力全过程分析由于砌体墙片在竖向荷载和水平荷载的共同作用下一般为剪切破坏，没有明显的屈服台阶，要准确确定屈服位移是十分困难。因此，在试验中要根据具体情况暂取一值作为加载时的控制值，试验结束后，再由试验结果分析确定每个试件的屈服位移值。根据国内外进行的砌体试验、并且结构相关的文献资料，在试验过程中，采用以下的方法确定初裂荷载、初裂位移、极限荷载、极限位移。5.1.1初裂荷载和初裂位移的确定国内外砌体试验文献资料一般认为，若在试验过程中出现下列3种情况之一时的水平荷载即为初裂荷载：1） 墙体上出现第一条明显的裂缝；2） 荷载位移曲线出现了明显拐点；3） 水平位移有显著的增大，此时的水平荷载即为开裂荷载。处理数据时，试件的开裂荷载取为加载方向开裂时的荷载与前一级荷载的平均值，开裂位移取为开裂荷载对应的位移及前一级荷载的对应位移的平均值。取荷载为极限荷载的85%时对应的荷载为破坏荷载。5.1.2极限荷载和极限位移墙体的极限荷载取为骨架曲线中的最大荷载，两个加载方向的极限荷载的平均值为墙体的极限荷载。两个方向极限荷载的对应位移的平均值即为试件的极限位移，极限位移是最大位移值，取破坏荷载对应的位移值为破坏位移。三组墙片在水平低周反复荷载试验中墙体强度的主要结果见表5-1。表5-1 墙体抗震试验墙体强度主要结果序号试件编号开裂荷载（kN）开裂位移（mm）极限荷载（kN）极限位移（mm）破坏荷载（kN）破坏位移（mm）1Q1102.54.8011910.71101.210.962Q2158.26.02161.714.62128.315.123Q3112.15.23123.59.70110.215.204Q4150.36.39160.812.58143.717.935Q5131.27.32139.311.30120.411.506Q6181.29.81185.410.31172.310.725.2 滞回曲线墙体在反复动力荷载作用下所体现的往复变形的性质称为墙体的滞回特性，它的的力-变形特性曲线称为滞回曲线。滞回曲线是根据荷载位移关系绘制的连续曲线，滞回曲线的面积可用来衡量墙体的耗能能力的大小，由滞回曲线的面积变化可以计算墙体吸收能量的效应，阻尼系数及能力耗散的积累情况。一般来说，滞回曲线的面积越大，墙体的能量耗散能力越好，抗震性能越好；滞回曲线的面积越小，墙体的能量耗散能力越弱，抗震性能越差。在烧结页岩多孔砖、混凝土多孔砖和蒸压灰砂多孔砖墙体的抗震性能的试验初始阶段，它们的滞回曲线包围的面积都极小，荷载和位移之间基本呈直线变化，在荷载往复作用过程中，刚度退化不明显，残余变形很小，墙体处于弹性工作状态。墙体开裂后，滞回曲线开始呈现曲线形，随着荷载的逐级增加，滞回曲线开始逐渐明显向位移轴倾斜，滞回曲线所包围的面积逐渐增大，表明墙体进入非线性工作阶段。无论烧结页岩多孔砖、混凝土多孔砖和蒸压灰砂多孔砖墙墙体，都存在着刚度退化，而且墙体的耗能能力也随之退化，该退化性质反映了墙体累积损伤的影响。随着位移的继续增大，荷载增加速度没有减慢。对于墙体无论是正向加载还是反向加载循环，其加载的 P 曲线基本上都是一直线，滞回环的形状基本是一梭形，这反映了墙体具有脆性。影响墙体在地震荷载下的脆性性能的因素很多，主要有以下几类：一是材料的脆性；二是结构的几何突变性，包括轴力二次矩效应的突变等。试验的烧结页岩多孔砖、混凝土多孔砖和蒸压灰砂多孔砖墙体的滞回曲线如图5-1中（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）所示(a) Q1 试件滞回曲线(b) Q2 试件滞回曲线(c) Q3试件滞回曲线(d) Q4 试件滞回曲线(e) Q5试件滞回曲线(f) Q6 试件滞回曲线 图5-1墙体试验的滞回曲线5.3 骨架曲线墙体的荷载位移骨架曲线是指墙体第一次加载与其后的滞回曲线各滞回环峰值点的连线构成的外包线。一般情况下，骨架曲线与单调加载下的力位移关系接近。它能够较为直观的反映出墙体在水平荷载作用下的开裂荷载，极限荷载和延性的主要特征。从图5-1、图5-2和图5-3中可以看出，各墙体的骨架曲线具有一些共同特征:墙体开裂前，骨架曲线基本为直线。图5-2 Q1、Q2墙体骨架曲线对比图 图5-3 Q3、Q4墙体骨架曲线对比图图5-4 Q5、Q6墙体骨架曲线对比图无论烧结页岩多孔砖、混凝土多孔砖和蒸压灰砂多孔砖墙墙体在开裂后，墙体的骨架曲线都开始向位移轴弯曲，但荷载还在增大；达到极限荷载后，骨架曲线开始下降，承载力开始下降，刚度明显退化；但各片墙体在达到极限荷载后，荷载并未急剧下降，骨架曲线的下降段较长，特别是Q2、Q4墙体荷载下降到极限荷载的78%左右时，试件仍具有一定的承载能力和变形能力。5.4 延性系数及变形能力延性是指结构或者构件屈服后的后期变形能力。延性是衡量结构抗震性能的重要指标之一。衡量构件或者结构延性的指标是位移延性系数，通常用极限位移与开裂位移比来表示: 式中: 位移延性系数； 墙体开裂位移； 极限位移，墙体的最大水平位移。 各片墙体的位移延性系数见表5-2，说明Q2的变形能力比Q1大，Q4的变形能力比Q3大，加了构造柱之后墙体的延性明显提高，Q6由于底梁拉裂破坏的原因，构造柱的作用体现不明显。表5-2 墙体的延性系数墙体编号开裂位移/mm极限位移/mm延性系数Q14.8010.712.23Q26.0214.622.43Q35.239.701.85Q46.3912.581.96Q57.3211.301.54Q69.8110.311.055.5 试验总结通过室内试验对新型墙体材料烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖和混凝土多孔砖砌成的墙片抗震抗剪性能进行了分析和讨论，主要的研究成果如下：1). 竖向压应力对墙体的抗剪强度有很大影响，抗剪强度随着竖向压应力的增大而增大，但是它们之间不是线性关系。2). 当墙顶有竖向位移约束、竖向压应力较大时，墙体截面一直处于受压状态，竖向位移约束的存在使得墙体的抗剪强度增大，这有利于发挥墙体材料的性能，也有利于提高墙体的水平承载力。当竖向压应力较大时，竖向位移约束的存在对墙体的约束作用不大，对墙体的抗剪强度影响不大。3). 通过试验得出：当水平荷载较小时，所有试件的荷载位移曲线均基本为直线，处于弹性阶段。当水平荷载较大时，Q1、Q3、Q5表现出明显的脆性破坏，水平位移变化很小，水平荷载变化很大；而Q2、Q4表现出一定的延性特征（Q6虽底梁破坏，但也表现一定的延性特征），水平位移变化很大，水平荷载变化不大，表现出“裂而不倒”的现象，符合抗震要求。 4). 通过试验研究表明：烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖与混凝土多孔砖是代替粘土砖的新型墙体材料，除有较好的承载力学性能外，也有较好的抗震力学性能；推广使用它们可以极大地提高我国的社会效益和环境效益。5). 试验记录表格如下： 表5-3 试验记录表格试验编号砌筑日期砌筑形式墙体大小砂浆强度养护日期试验日期试验配置加载等级破坏形态结果评价Q12009.9.15不加构造m11.1MPa2009.9.16-2009.10.162009.10.17液压伺服20kN剪摩破坏合格Q22009.11.3加构造m11.5MPa2009.11.3-2009.12.32009.12.4液压伺服20kN斜拉破坏合格Q32010.5.1不加构造m11.3MPa2010.5.1-2010.6.12010.6.2液压伺服20kN剪摩破坏合格Q42010.6.2加构造m11.5MPa2010.6.2-2010.7.22010.7.3液压伺服20kN斜拉破坏合格Q52010.8.10不加构造m11.1MPa2010.7.15-2010.8.152010.8.16液压伺服20kN剪摩破坏合格Q62010.9.3加构造m11.8MPa2010.8.16-2010.9.162010.9.17液压伺服20kN底梁破坏不合格5.6 不足与展望这里虽然对烧结页岩多孔砖，蒸压灰砂多孔砖与混凝土多孔砖墙片在剪压作用下的抗震抗剪强度及延性进行了初步的分析与探讨，但仍存在一些不足，它们有待进一步深入研究与完善，主要表现在：试验主要探讨了墙体抗剪强度和变形的特性，对于多孔砖和砂浆之间的相互作用机理探讨不够，如“销栓”作用的影响等需进一步完善。6. 试验的数值模拟对比分析随着科学技术和计算方法的发展，数值求解和计算机模拟技术与应用获得了较大的突破，已成功应用于很多复杂工程中，取得了良好的效果。数值模拟作为“数值试验”在一定程度上可取代昂贵的模型试验，把它同试验结果结合起来可以取得更好的技术和经济效益，该法已逐渐成为实际工程问题的重要研究手段。有鉴于数值方法的这些优势及实施的可行性，我们采用了三维有限元来模拟砌体墙片在竖向恒载和水平荷载作用下的工作性状。6.1 有限元及ANSYS采用有限元方法进行计算，能够对少量试验结果进行模拟分析，然后通过改变参数，达到弥补试验数据少的缺点，得到更多的有价值的数据。本试验分析所采用的ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析(FEA)软件。主要应用了ANSYS结构分析中的静态非线性弹塑性分析，用以模拟砌体材料的非线性问题。下面我们将对试验分析中所用到的单元类型和非线性分析方法及它们的部分原理进行阐述。图6-1 有限元分析流程6.2 墙体建模方法墙体是由块体和砂浆组成的二元复合材料，对其进行有限元分析常有两类模型：分离模型和整体连续体模型。分离模型即是将块体和砂浆分别建模，可采用两种处理方式：一种是不考虑块体与砂浆之间的粘结滑移，将块体与砂浆接触面的所有节点自由度耦合在一起；另一种是考虑块体与砂浆之间的粘结滑移，将块体与砂浆通过接触单元或非线性弹簧单元联系在一起。由于块体与砂浆之间的粘结滑移关系曲线目前研究尚不成熟，接触面的水平粘附强度常常难以得到，目前使用前一种方式的较多且较易实现，本文也采用前一种方法。整体连续体模型即是将砂浆和块体作为一个整体来考虑，连续体单元的材料参数可通过以下三种方式获得：一是试验实测；二是按规范取值，规范无规定时则根据现有的砌体本构关系和材料性质的有关研究选用；三是根据由复合材料力学发展起来的均质化理论，将所有组成材料的几何和本构信息融入到一个代表性体积单元(RVE) 中，按计算确定RVE的等效材料属性。前两种均以试验为基础，较符合实际，且容易获得，应用方便；第三种计算RVE等效材料参数的过程相当繁琐，且需已知块体和砂浆的力学参数，其推广应用受到了限制。 总体来说，分离模型可以模拟砌块与砂浆之间的作用和砌体破坏机理，可以观察裂缝的开展过程，适用于模拟小型试验砌体的破坏行为，但计算量大，建模繁琐；整体连续体模型适于分析大规模的墙体，但对于详细的应力分析和理解砌体多样的失效机理却显得不足。由于本文需分析墙体的破坏形态，观察墙体在加载过程中的裂缝开展过程，故建立分离式模型。6.3 单元类型和破坏准则6.3.1块体和砂浆单元的选择砌体墙片的材料组成比较复杂，由块体和砂浆砌筑而成，需建立砌体在单向、多向应力状态下的应力应变关系，确定砌体在二维及三维应力空间中的破坏包络线，并考虑砌体拉裂和压碎后性能的处理。虽然墙体存在水平和竖向灰缝，各向异性显著，但是在开裂、压碎等很多材性方面同混凝土有相似之处。本文在ANSYS程序暂时不能提供砌体材料本构模型的情况下，在材料处理上块体和砂浆均近似选择了三维八节点的混凝土单元SOLID65，见图6-2，该单元有如下主要特点：1）. 假定材料初始为各向同性材料；2）. 在积分点处的三个正交方向具有开裂和压碎能力；3）. 采用弥散式裂缝处理方式，开裂后的力学性能是通过调整单元刚度矩阵来实现的；4）. 钢筋仅具有轴向刚度。图6-2 SOLID65的几何模型SOLID65单元可用于带有或不带有钢筋的三维实体建模，有模拟受拉开裂和受压压碎的功能，该单元由8个结点组成，每个结点拥有三个自由度:即X、 Y 、Z方向的平移。本文假定钢筋以弥散形式均匀分布在顶梁中，并可定义最多三个方向上的钢筋材料的特性。混凝土单元除了具有开裂和压碎的功能外，该单元最重要的特征是它的非线性材料性质，开裂(在三个相互垂直的方向)、压碎、塑性变形及徐变。钢筋可以受拉和受压，但不能受剪，而且也可以考虑钢筋的塑性变形和徐变。混凝土顶梁为钢筋混凝土材料，单元类型也选用SOLID65。在有限元分析过程中，块体、砂浆与顶梁虽然采用同种单元，但分别按各自的参数取值。在弹性工作阶段，认为墙体符合弹性理论，单元的弹性性能矩阵表示如下: 式中，混凝土、块体或砂浆的弹性模量； 混凝土、块体或砂浆的泊松比。6.3.2 破坏及收敛准则的选择材料的破坏准则是判断材料是否破坏的依据，在单轴情况下的破坏，可以用块体、砂浆或混凝土的轴心抗压强度或轴心抗拉强度来判断。但在复杂应力情况下，目前仍未建立起比较完善的能解释不同破坏物理现象的强度理论，所以一般都只能在依赖强度试验结果的基础上，提出相应的破坏准则。材料力学中的古典强度理论主要有:最大正应力理论、最大剪应力理论(Tresca理论)、第四强度理论(Von Mises)、摩尔强度理论、Drucker-Prager破坏准则等。ANSYS软件中含有各种破坏准则，可以根据性质选用不同的破坏准则，它对混凝土材料的处理是采用国际上比较认同的Willam-Warnker的五参数破坏准则:0 式中，主应力状态函数； 主应力条件下的破坏面函数； 单轴抗压强度。如果上式未满足，将不会出现开裂或压碎。否则，若任何一个主应力为拉应力，则材料将开裂；若所有主应力均为压应力，材料将被压碎。非线性问题的求解实际上是把一个复杂的非线性加载过程分割为若干个加载增量，在每一个加载增量中进行线性处理，也就是说分段线性化，由此带来的误差在求解时靠平衡迭代加以修正。ANSYS程序使用Newton-Raphson平衡迭代法（NR法）使每一个载荷增量的末端达到平衡收敛(在某个容许范围内)。在每次求解前，NR法估算出残差矢量，这个矢量是回复力(对应于单元应力的荷载)和所加荷载的差值，程序然后使用非平衡载荷进行线性求解，且核查收敛性。如果不满足收敛准则，重新估算非平衡载荷，修改刚度矩阵，获得新解，持续这种迭代过程直到问题收敛。为了判断迭代是否收敛，必须确定一个适当的收敛准则。通常的收敛准则的量度变量有:力、位移、增量内能三种。ANSYS程序可以任意组合，但是以力为基础的收