不同连接方式下新型砌体填充墙框架结构的抗震性能

1、不同连接方式下新型砌体填充墙框架结构的抗震性能0 引 言砌体填充墙框架结构在中国建筑结构中应用广泛。 为了保护 土地资源和生态环境，过去大量应用的粘土实心砖已逐渐被取 缔，取而代之的是新型墙体材料 1 ，如混凝土空心砌块等。世 界上几次大地震调查数据表明，填充墙与框架之间相互作用复 杂。在中国以往对框架填充墙抗震性能方面的研究中， 墙体大都 采用传统粘土砖墙或混凝土墙 26 ，本文中的新型混凝土横孔空 心砌块相较于其他砌块具有施工方便以及保温、隔热、防火、防 渗性能好等优点， 但其与框架结构不同连接方式下的抗震性能一 直鲜有研究。填充墙通常被当作非结构构件来设计， 不考虑其对结构整体 刚度的影

2、响 7 。为了减小填充墙对框架结构的不利影响，建 筑抗震设计规范(GB 500112010)和砌体结构设计规范(GB 500032011)均建议填充墙与框架应脱开或采用柔性连 接。为此，本文对新型横孔空心砌块填充墙与框架结构采用不同 连接形式进行抗震性能试验研究， 针对此种横孔连锁砌体提出填 充墙与框架柱、 梁采用拉结筋连接， 其中框架梁的拉结筋锚固在 顶皮砌块的现浇钢筋混凝土带中，增强框架与填充墙的协同工 作，减小填充墙对框架的不利影响，改善整体结构的抗震性能。1 试验概况1.1 试件设计与制作 为了研究新型砌体填充墙与框架不同连接形式下的抗震性 能，本文采用刚性连接和柔性连接 2 种不同连

3、接方式。 试验设计 试件采用足尺模型以剔除尺寸效应， 制作了 1 榀空框架和 3 榀带 填充墙框架，其中 1 榀为刚性连接， 2 榀为柔性连接。试件设计 情况如表 1 所示。 填充墙墙体材料采用新型横孔空心砌块， 主砌 块尺寸为290 mnK 190 mnX 200 mm 辅砌块尺寸为 145 mnX 190 mm 200 mm砌块块型如图1所示。框架柱设计轴压比为0.23 ,实际施加的轴压力为300 kN。试件KK尺寸及配筋情况如图2所 示，各试件示意如图 3 所示。柔性连接构造方式如图 4 所示。1.2 材料力学性能框架梁、柱混凝土强度等级为 C30,水泥、砂、石子、水的 配合比为1 :

4、1.56 : 3.16 : 0.52，采用425号水泥；填充墙中设 置水平钢筋混凝土带，采用 C20细石混凝土现浇，水泥、砂、石 子、水的配合比为 1: 2.01 : 3.27: 0.54，采用 425号水泥，并 配置26通长拉结筋；砌块强度等级为MU3.5,砌筑砂浆强度等级为M5梁、柱箍筋采用 HPB300级钢筋，纵筋采用 HRB400级 钢筋。 按有关试验标准在浇筑试件的同时制作试块， 养护条件同 墙体试件，并对试件所用材料进行材性试验，实测结果见表 2。1.3 试验加载与量测方案1.3.1 加载装置试验采用MTS加载系统，通过推拉力为 1 000 kN的电液伺 服作动器端部钢板与 4 根

5、钢杆对框架施加水平低周反复荷载， 作 动器荷载的作用线通过框架梁的形心， 其中水平作动器一端固定 于反力墙，另一端通过钢杆、螺栓及钢板与框架梁连接。2 台液压千斤顶通过反力梁对框架柱施加竖向荷载至预定轴力， 并在试 验过程中保持不变， 反力梁固定于可允许千斤顶和框架共同沿水 平方向作微小移动的柔性钢拉杆上。试验加载装置如图 5 所示。1.3.2 加载制度按照建筑抗震试验方法规程(JGJ 101 96)有关规定 设计加载方案， 采用力位移混合加载， 试验加载制度如图 6 所示。 加载方案具体程序为：(1) 试验进行前，在2个框架柱上施加竖向荷载 300 kN (图 5)，然后施以 1/4 预估开

6、裂位移进行预加载，反复 2次，检查 试件安装是否精准， 竖向荷载加载装置是否可靠， 应变和位移测 量仪器是否正常工作，固定仪器装置是否稳固等。(2) 试件屈服前，采用力控制并分级加载，每级荷载循环1 次直至试件屈服，随后改用位移控制，以试件屈服位移的倍数 为级差进行加载，每级位移加载循环 3 次。随着变形的增加，试 件的水平荷载下降至极限荷载的 85%，加载停止。1.3.3 量测方案位移计 1#， 2#， 3#分别对框架梁中心轴高度、框架柱一半高度处及柱根部的水平位移进行测量(图7)，为观测地梁可能发生的水平位移，在地梁水平方向安装4#位移计。应变片布置在梁、柱端部关键受力区域的纵筋和箍筋上。

7、 通过控制器和数据 采集仪自动收集试验过程中所有的荷载、 位移和应变信号。 在试 件开裂后，每加载或卸载 1 次，都采用裂缝放大镜仔细观察墙体 的裂缝发展情况，并记录下来，以了解试件的损伤情况。2 试验现象及分析2.1 试件主要破坏过程2.1.1 试件 KK当水平荷载为20 kN时，在柱根部出现第1条弯曲裂缝，梁 端部也相继出现弯曲裂缝。 梁、柱端部随着水平荷载的增大不断 产生新的裂缝，且逐渐向梁、柱中部过渡。旧裂缝随着荷载增大 不断发展， 在梁、柱端部侧面逐渐形成贯通。 当水平荷载为 80 kN 时，梁端纵筋和柱根部纵筋相继进入屈服状态。 此后进入位移加 载，每级位移加载循环 3次。在位移幅

8、值为60 mm寸，柱根部混 凝土保护层剥落，纵筋外露，混凝土压碎，形成塑性铰。在位移 幅值为90 mm时，梁、柱端部混凝土压碎剥落严重，纵筋裸露， 此时试件的水平承载力小于极限荷载的85%，加载停止。试件最终破坏情况如图8 (a)所示。2.1.2试件GQK当水平荷载为 30 kN 时，填充墙灰缝处出现裂缝，柱根部出 现 1 条弯曲裂缝， 随后在梁端部出现弯曲裂缝。 随着水平荷载的 增大，填充墙裂缝不断发展，梁、柱端出现多条新裂缝。当水平 荷载为70 kN时，墙体形成阶梯形裂缝，填充墙顶部出现水平荷 载，梁、柱不断产生新的裂缝。当水平荷载为 80 kN 时，填充墙 裂缝不断发展、变宽，顶部砌块发

9、生脱落，梁、柱端部裂缝逐渐 在侧面形成贯通裂缝，梁端纵筋和柱根部纵筋相继进入屈服状 态。此后进入位移加载，每级位移加载循环 3 次。在位移幅值为 40 mm时，填充墙破坏严重，柱根部混凝土压碎，保护层剥落， 形成塑性铰，填充墙顶端一皮砌块剥落严重。 在位移幅值为 60 mm 时，梁、柱端部混凝土压碎剥落严重，纵筋裸露，此时试件的水 平承载力小于极限荷载的 85%，加载停止。试件最终破坏情况如 图8( b)所示。2.1.3 试件 RQK1当水平荷载为 20 kN 时，填充墙出现裂缝，柱根部出现弯曲 裂缝。当水平荷载为 40 kN 时，填充墙出现阶梯形裂缝。填充墙 裂缝随着水平荷载的增大而不断发展

10、，同时在柱端侧面出现裂 缝。当水平荷载为 80 kN 时，柱纵筋进入屈服状态。此后进入位 移加载，每级位移加载循环 3次。在位移幅值为60 mm寸，填充 墙局部发生破碎。在位移幅值为 80 mm时，梁、柱端部混凝土剥 落，此时试件的水平承载力小于极限荷载的 85%，加载停止。试 件最终破坏情况如图8 (c)所示。2.1.4 试件 RQK2当水平荷载为 20 kN 时，填充墙出现裂缝，柱根部出现弯曲 裂缝。当水平荷载为 40 kN 时，填充墙出现阶梯形裂缝。填充墙裂缝随着水平荷载的增大而不断发展， 同时在柱端侧面也出现裂 缝。当水平荷载为 100 kN 时，柱纵筋进入屈服状态。此后进入 位移加载

11、，每级位移加载循环 3次。在位移幅值为60 mnfl寸，填 充墙局部发生破碎。在位移幅值为 90 mm寸，梁、柱端部混凝土 剥落，填充墙下部砌块出现梯形破坏， 此寸试件的水平承载力小 于极限荷载的85%加载停止。试件最终破坏情况如图 8 (d)所 示。2.2 滞回曲线各试件的荷载位移(PS)滞回曲线如图9所示。由各试件 的滞回曲线可以得出：2.2.1 试件 KK试件KK开裂前滞回环面积极小，卸载后变形可恢复，试件 处于弹性工作阶段； 随着荷载的增加， 试件开裂后滞回环呈梭形， 耗能能力增大；试件屈服后曲线呈现弓形，耗能能力增大，滞回 环表现出少许的“捏缩”现象， 试件处于弹塑性工作阶段； 达到

12、 峰值荷载前滞回环出现明显的“捏缩”现象， 曲线呈现梭形， 耗 能能力进一步增大；达到峰值荷载后滞回环呈现倒 S形，卸载的 残余变形较大， 耗能能力降低， 峰值荷载后承载力下降较为平缓。2.2.2 试件 GQK试件GQK开裂前的现象同试件 KK位移较小，试件处于弹 性工作阶段；试件开裂后滞回环呈梭形，耗能能力增大；随着荷 载的增大，填充墙开裂严重，位移快速增大，滞回环出现明显的“捏缩”现象，曲线呈现倒 S 形，卸载的残余变形很大，耗能能 力下降较快，峰值荷载后承载力下降较为迅速。223 试件RQK1和试件RQK2试件RQK1和试件RQK2屈服之前滞回曲线与耗能能力类似于 试件KK;试件屈服后，

13、进行位移循环加载，此时的滞回环出现 少许的“捏缩”现象，曲线呈现倒 S形，试件耗能能力变大，试 件处于弹塑性阶段； 试件的承载力逐渐增至极限荷载， 滞回环出 现明显的“捏缩”现象，卸载的残余变形较大，耗能能力降低， 曲线呈现倒S形，峰值荷载下降较试件 GQI平缓。2.3 骨架曲线 根据建筑抗震试验方法规程中的规定，试件的骨架曲线 取各加载级第 1循环的峰点所连成的包络线，如图 10所示。试 件GQ姓位移幅值为60 mm勺第3次循环时，荷载下降到极限荷 载的 85%以下，加载停止。 骨架曲线上各主要加载阶段的特征荷载和 特征位移如表 3 所示。由图 10 和表 3 得出以下结论：别为试件极限荷载

14、和极限位移， 极限荷载定义为峰值荷载的 85%卩为位移延性系数。(1)相对于空框架KK刚性连接试件的开裂荷载有了提高，开裂位移较小，在填充墙开裂后，位移 迅速增大，柔性连接试件的开裂荷载提高幅度较小。(2) 相对于空框架KK填充墙的存在提高了结构的峰值荷 载，其中刚性连接试件 GQK提高幅度最大，是试件KK的1.40倍， 柔性连接试件RQK1和试件RQK2之，均是试件 KK的1.24倍。(3) 相对于空框架KK刚性连接试件GQK破坏时的位移明 显减小，柔性连接试件 RQK1破坏时的位移较刚性连接大，是因 为框架与填充墙预留缝减小了相互之间的顶推作用，试件RQK2破坏时的位移与空框架 KK接近，

15、但由于框架梁和填充墙之间有 拉结筋的作用，极限荷载有所提高，极限位移相对于试件RQK1增大，接近于试件 KK。2.4 位移延性位移延性系数 卩为试件的极限位移 5 u与屈服位移5 y之 比。实际位移延性系数考虑试件的滞回曲线并非完全对称后按式( 1 )计算，即卩=|+ 5 u|+|- 5 u|+ 5 y|+|-5 y|(1)根据表 3 可知：(1) 试件KK的位移延性系数 卩为3.81 ,刚性连接试件GQK 的位移延性系数为 3.25 ，刚性连接整体结构的位移延性系数较 空框架有所降低，但幅度较小，因为填充墙严重开裂后，位移迅 速增大，变形趋于空框架。(2) 柔性连接试件的位移延性系数在 3.

16、763.99之间，其 中试件RQK1由于框架梁与填充墙之间设置预留缝，延性有所改善，而试件RQK2在框架梁和填充墙之间设置拉结筋，延性较空框架略低。柔性连接试件延性均高于刚性连接试件。2.5 刚度退化 试件刚度采用滞回环峰值点的割线刚 度 K 来表示， 并取正反向平均值。 各试件的割线刚度随位移的退 化曲线如图 11 所示。由图 11 可知：(1) 随着位移的增加，刚性连接试件 GQK刚度在经历加载 初期的波动后退化速率较柔性连接快，空框架 KK刚度退化速率 最慢，且各试件刚度退化速率逐渐减小。 各试件之间的刚度差异 随着位移的增大逐渐减小， 最终趋于接近， 表明此时主要由框架 对刚度做出贡献

17、，填充墙基本退出工作。(2) 带填充墙试件较空框架试件刚度有明显改善，刚性连接试件GQK勺初始刚度是空框架 KK的2.82倍，柔性连接试件 RQK1和试件RQK2的初始刚度较试件GQKt所减弱，是空框架KK 初始刚度的2.62倍2.74倍，其中由于试件 RQK2框架梁与填 充墙之间采用拉结筋连接，初始刚度较试件RQK1略高。2.6 强度退化在反复加载过程中， 随着循环次数的增加， 填充墙框架在某 一级位移幅值下峰值荷载出现降低的现象称为强度退化 3 。根 据建筑抗震试验方法规程，试件强度退化系数 入n应按式(2) 计算，即入 n=PnPn-1( 2)式中：Pn为某一级位移幅值下第n次循环的峰值

18、荷载；Pn-1 为某一级位移幅值下第 n-1 次循环的峰值荷载。 各试件在某一级位移幅值下的强度退化系数如图 12 所示。在位移幅值为90 mm勺第1次循环中，承载力下降至极限荷载的85%以下，加载停止。由图12可知：刚性连接试件 GQK在一定的 位移幅值下第 2， 3 次循环衰减幅度大于其他试件，空框架试件 KK的衰减幅度最小，其次是柔性连接试件，试件RQK和试件RQK2 第 3 次循环衰减幅度远小于第 2 次循环衰减幅度。 这表明填充墙 逐渐退出工作后， 由于柔性连接框架与填充墙之间设置了预留缝 并采用拉结筋进行有效拉结， 减小了填充墙对框架结构的不利影 响。2.7 耗能能力各试件累积耗能曲线如图13所示，累积耗能E为试件在不 同位移幅值时3次循环的耗能之和，其中柔性连接试件RQK2在位移幅值为90 mm时第1次循环承载力下降至极限荷载的 85%以 下，加载停止，因此这里未计入。由图 13可知：（1）随着位移的增加，试件的累积耗能不断增大，且增