外葉墻為非承重墻夾芯墻的抗震性能研究

摘 要：對4片高度相同、高寬比和豎向壓應(yīng)力不同的夾芯墻進(jìn)行了水平低周反復(fù)加載試驗(yàn)，研究了這種墻體構(gòu)件的抗震性能.根據(jù)實(shí)際受力特點(diǎn)，試驗(yàn)中水平荷載與豎向荷載都加載于試件內(nèi)葉墻的形心.觀測了該墻體受力

變形

損傷

裂縫

屈服

破壞的全過程；分析了該墻體的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、位移延性、承載力、拉接筋受力性能和內(nèi)、外葉墻協(xié)同工作能力等.研究結(jié)果表明：由于拉接筋的作用，內(nèi)、外葉墻協(xié)同工作性能良好，外葉墻在試驗(yàn)過程中破壞輕微；試驗(yàn)過程中出現(xiàn)剪切滑移和“捏縮效應(yīng)”；內(nèi)葉墻在高寬比較小時(shí)，呈現(xiàn)明顯的剪切破壞，在高寬比較大時(shí)，呈現(xiàn)出彎剪破壞；試件的承載力隨著軸壓比的提高而增加.采用規(guī)范(GB 50003-2001)中配筋砌體抗剪承載力平均值計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果較試驗(yàn)值小.

關(guān)鍵詞： 低周反復(fù)加載試驗(yàn);砌體結(jié)構(gòu);夾芯墻; 配筋砌體; 抗震性能

中圖分類號：TU365 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ASeismic Behavior of Sandwich Walls Subjected to Cyclic Loading

on the Center of the Interior Walls

HUANG Liang1， YI Chujun1，2，WU Zhiwei1，GAO Xiang3，CHEN Shengyun4

(1 College of Civil Engineering ，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China;

2.Jizhun Fangzhong Architectural Design Associates，Chengdu，Sichuan 610017，China;

3. Shenzhen China Overseas Construction Ltd， Shenzhen 518001，China;

4.Shenzhen Gemdale Corp， Shenzhen 518048，China)Abstract:Experimental studies of four sandwich walls with the same height but different heightwidth ratio and different vertical compressive stress， which were subjected to inplane cyclic loading， were presented and tests results were discussed. Based on actual mechanical characteristics， the vertical and horizontal loads were loaded on the center of the interior walls. The whole process of loadingdeformingdamagingcrackingyieldingfailure was observed during the test. The failure characteristics， hysteretic curves， skeleton curves， displacement ductility， bearing capacity， behavior of the tie bar and coordination between two cavity walls were analyzed. The result showed that the interior walls and the outer walls worked together well， and the outer walls were slightly damaged; shear slipping and pinching occurred in the test; shear failure occurred when the ratio of height to width was small and bendingshear failure occurred when the ratio increased and the ultimate bearing capacity of the walls increased with the increase of the axial compressive ratio. The shear capacity of the walls in the test is greater compared with the GB 50003-2001 Code.

Key words:cyclic loads;masonry structure; sandwich wall; reinforced masonry; seismic performance

夾芯墻起源于北美、北歐等地區(qū).這些地區(qū)的建筑外墻由兩片墻體構(gòu)成，并在墻體之間設(shè)置保溫隔熱材料和拉接件，即為復(fù)合節(jié)能墻體，在我國叫空腔墻或者夾芯墻.這種墻體可采用不同材料的墻片相結(jié)合，如內(nèi)、外葉墻都可采用混凝土砌塊、實(shí)心磚、空心磚等材料，根據(jù)需要可自由搭配形成各種夾芯墻.該墻體兼有受力、保溫和圍護(hù)功能，近年來在我國北方地區(qū)也得到了較廣泛的應(yīng)用，并正逐步向我國中部、南部地區(qū)推廣使用.

由于夾芯墻由內(nèi)、外葉墻通過拉接構(gòu)成，并且內(nèi)、外葉墻的材料不同，故其性能不同于單片配筋砌體剪力墻［1-3］.已有學(xué)者對夾芯墻在較低的豎向壓應(yīng)力下的抗震性能、承載力及內(nèi)、外葉墻協(xié)同工作情況等進(jìn)行了深入研究［4-8］，結(jié)果顯示，內(nèi)、外葉墻之間的拉接筋使得墻體具有較好的整體性、穩(wěn)定性，能防止已開裂墻體散落、倒塌，但對提高墻體的強(qiáng)度作用不大；設(shè)置了芯柱或構(gòu)造柱的墻體在平面內(nèi)具有較好的延性和耗能性能；在荷載作用下內(nèi)、外葉墻之間存在協(xié)同工作，外葉墻對墻體的水平開裂荷載和極限荷載有一定程度的提高［3］.但值得指出的是，以上研究者的試驗(yàn)研究中荷載作用點(diǎn)均為夾芯墻墻體截面形心（見圖1(a)）.

(a)荷載作用于截面形心(b)荷載作用于內(nèi)葉墻形心

本試驗(yàn)主要是研究夾芯墻應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)的性能.在實(shí)際建筑工程中，外葉墻若承受豎向荷載，因其墻厚較薄，受力性能和穩(wěn)定性將難以保證.故實(shí)際建筑工程中考慮內(nèi)葉墻承受全部豎向荷載，采用承載力較大的配筋砌體剪力墻；而外葉墻砌筑于各層圈梁挑耳之上［9］.因此本試驗(yàn)研究將豎向荷載及水平荷載都作用于內(nèi)葉墻截面的形心（見圖1(b)），進(jìn)行了4片墻體的水平低周反復(fù)加載試驗(yàn).1 試驗(yàn)概況

1.1 試件的設(shè)計(jì)與制作

試件的內(nèi)葉墻所用砌塊為標(biāo)準(zhǔn)混凝土小型空心砌塊，尺寸為390 mm×190 mm×190 mm.外葉墻采用燒結(jié)頁巖磚，尺寸為240 mm×90 mm×90 mm.墻體所用塊體如圖2所示.為探索不同延性的墻體的性能，在綜合考慮工程情況和實(shí)驗(yàn)室設(shè)備規(guī)模后，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，采用的鋼筋強(qiáng)度見表2.

內(nèi)、外葉墻間距40 mm.內(nèi)葉墻孔洞灌滿混凝土，并設(shè)置6根豎向鋼筋，底部與地梁伸出的錨固鋼筋綁在一起，頂部伸入頂梁并彎成直角以加強(qiáng)錨固.每兩皮砌塊設(shè)置兩根并排的水平鋼筋，分布在豎向鋼筋的兩側(cè)，水平鋼筋兩端向下彎起插入砌塊孔洞之中，并伸到其所在砌塊的下一皮砌塊孔洞中.內(nèi)葉墻鋼筋布置見圖3.試件W2，W3拉接筋為分離式，隔皮布置與內(nèi)葉墻水平受力鋼筋錯開，并且沿豎向梅花狀分布.試件W1，W4拉接筋為整體的鋼筋網(wǎng)片式，每隔一皮砌塊設(shè)置.其中W1拉接筋與內(nèi)葉墻水平受力鋼筋連成整體，W4拉接筋與內(nèi)葉墻水平受力筋錯皮布置.試件拉接筋形式見圖4.

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 加載裝置

試驗(yàn)在湖南大學(xué)教育部安全與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.試件地梁兩端用兩根鋼梁壓住，鋼梁通過4根地腳螺栓固定在試驗(yàn)室的地槽里；為了防止在試驗(yàn)過程中試件發(fā)生整體相對于地面的滑移，在地梁兩端各用一個螺旋千斤頂頂?shù)戒摷艿撞?墻體的頂梁上放置鋼板，鋼板上放置多根鋼滾軸，再在鋼滾軸上、內(nèi)葉墻上方疊放兩根鋼梁，鋼梁上放置兩個同步液壓千斤頂，以墻體上部的剛架橫梁為反力支座對墻體施加軸力，液壓千斤頂與鋼梁之間還放置了力傳感器以測量、控制施加的軸力.墻體的水平荷載采用作動器施加，荷載作用在頂梁上，作用中心與內(nèi)葉墻中心重合.該作動器最大量程為1 500 kN，可信量程為1 200 kN，架設(shè)在承載力為1 000 kN的鋼架上.試驗(yàn)裝置見圖5.

1.作動器 2.力傳感器 3.穿心液壓千斤頂4.分配梁

5.滾軸 6.拉桿 7.地腳螺栓 8.螺旋千斤頂 9.鋼梁 10.剛架

1.2.2 測點(diǎn)布置

在內(nèi)、外葉墻頂部各采用一個量程為10 cm的位移傳感器測量試件頂部的位移，在內(nèi)、外葉墻底部各采用一個量程為5 cm的位移傳感器測量試件底部的滑動位移，一個5 cm的位移傳感器測量地梁的位移，從而得出在試驗(yàn)過程中試件的準(zhǔn)確位移.另外，在試件豎向加載試驗(yàn)過程中，分別在內(nèi)、外葉墻對稱的位置上各設(shè)置了兩個百分表以測量內(nèi)、外葉墻的豎向應(yīng)變，測量標(biāo)距為270 mm.

1.2.3 加載方案

在進(jìn)行水平加載之前，對試件進(jìn)行豎向加載并測量內(nèi)、外葉墻的應(yīng)變.加載分十級.

水平加載制度如下：試件開裂前采用控制位移的變幅加載制度，試件開裂后采用控制位移的變幅等幅混合加載制度，即當(dāng)內(nèi)葉墻開裂后，以開裂位移的倍數(shù)為增值循環(huán)加載，每級位移循環(huán)兩次，直至墻體破壞.墻體破壞以荷載降至極限荷載的85%定義.水平荷載加載制度見圖6.

1.3 試驗(yàn)過程及現(xiàn)象描述

1.3.1 豎向加載試驗(yàn)

對試件進(jìn)行分級豎向加載，測量內(nèi)、外葉墻的應(yīng)變，結(jié)果見圖7，圖中內(nèi)、外葉墻的應(yīng)變是通過對墻面上兩個測點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)∑骄档玫降?由于液壓千斤頂是放置在內(nèi)葉墻的頂端，豎向荷載主要由內(nèi)葉墻承擔(dān).從圖中可以看出，由于試件頂梁的整體作用，外葉墻在豎向荷載較小的情況下，處于受拉的狀態(tài)（經(jīng)計(jì)算分析，由于整個構(gòu)件處于偏心受壓，外葉墻所在一側(cè)的軸力產(chǎn)生壓應(yīng)力小于由等效彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力）；并且隨著豎向荷載的增加，內(nèi)葉墻的應(yīng)變增長速度大于外葉墻的應(yīng)變增長速度.

1.3.2 低周反復(fù)加載試驗(yàn)

試驗(yàn)開始時(shí)先對試件施加豎向壓力至預(yù)定值，然后開始水平加載.水平加載時(shí)試件的破壞情況見圖8~圖11.內(nèi)葉墻開裂、達(dá)到極限荷載和破壞時(shí)的水平荷載及內(nèi)葉墻墻頂位移見表3.

試驗(yàn)中試件破壞的特點(diǎn)是：內(nèi)葉墻先在墻底部附近灰縫開裂；繼續(xù)加載，內(nèi)葉墻墻身出現(xiàn)斜裂縫，受壓區(qū)混凝土截面逐漸減小，最終墻趾混凝土被壓碎；高寬比較大的試件中，內(nèi)葉墻墻身裂縫較密；外葉墻在試驗(yàn)中出現(xiàn)的裂縫較少，破壞較輕.可見大部分水平荷載由內(nèi)葉墻自身承擔(dān).

與文獻(xiàn)［10］中的單片配筋混凝土小砌塊剪力墻的試驗(yàn)現(xiàn)象對比可知，夾芯墻中的配筋砌體剪力墻在水平荷載作用下，其裂縫開展形態(tài)及破壞模式與單片的配筋砌體剪力墻的試驗(yàn)結(jié)果一致.這也說明外葉墻通過連接件與內(nèi)葉墻相連，對內(nèi)葉墻本身的受力性能影響較小.2 抗震性能分析2.1 滯回曲線、骨架曲線

試件的滯回曲線見圖12~圖15.從圖中可以看出，當(dāng)試驗(yàn)荷載較小時(shí)，滯回環(huán)狹長，接近于直線，說明此時(shí)試件基本呈彈性；開裂之后，滯回環(huán)呈梭形，其包圍面積也明顯增大.極限荷載之后，滯回環(huán)的斜率減小.可見，由于試驗(yàn)裝置的缺陷，滯回曲線并不對稱.從滯回曲線整體上來看，配筋混凝土砌塊砌體夾芯墻有較好的抗震性能.

圖12 試件W1內(nèi)葉

墻滯回曲線

Fig.12 Hysteretic curves

of interior wall of W1圖13 試件W2 內(nèi)葉

墻滯回曲線

Fig.13 Hysteretic curves

of interior wall of W2 圖14 試件W3 內(nèi)葉

墻滯回曲線

將試件在推、拉兩個方向的力與位移進(jìn)行平均后得到的骨架曲線，其典型形態(tài)見圖16.由該曲線可以看出，配筋砌體夾芯墻的內(nèi)葉墻恢復(fù)力特性可采用三折線模型模擬.

圖16 典型的骨架曲線

Fig.16 Representative skeleton curves

2.2 變形性能

采用位移延性系數(shù)和墻體位移角來評價(jià)試件的延性性能，其計(jì)算式如式：

μ=Δd/Δy，

(1)

γy=Δy/Hw.

(2)

式中：Δd為墻體的破壞位移；Δy為墻體的屈服位移，取墻體的開裂位移；Hw為墻體的高度.

按式(1)，式(2)計(jì)算的墻體參數(shù)見表3，由表中數(shù)據(jù)知，試件表現(xiàn)出較好地延性.3 考慮內(nèi)葉墻單獨(dú)承重的夾芯墻承載力分析試驗(yàn)中夾芯墻試件是由內(nèi)葉墻直接承受荷載，試驗(yàn)現(xiàn)象也說明外葉墻的損壞輕微，因此，本文認(rèn)為配筋混凝土砌塊夾芯墻主要由內(nèi)葉墻來承載.

《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］中配筋砌體剪力墻抗剪強(qiáng)度平均值計(jì)算公式為：

Vg，m=1.5λ+0.5(0.143bh0fg，m+0.246Nk)+

fyh，mAshSh0 .

(3)

式中：λ為計(jì)算截面的剪跨比；b為剪力墻的截面寬度；h0為剪力墻截面有效高度；fyh，m為水平鋼筋的抗拉強(qiáng)度平均值；Nk為計(jì)算截面的軸壓力;fg，m為砌體抗壓強(qiáng)度平均值；Ash為配置在同一截面內(nèi)水平分布鋼筋的全部截面面積；S為水平鋼筋的豎向間距.

按式(3)計(jì)算的試件抗剪承載力值與試驗(yàn)中試件抗剪承載力實(shí)測值的對比結(jié)果見表4.

由表中數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)值與規(guī)范值的比值平均為2.35，即采用式(3)對試件承載力進(jìn)行估計(jì)過于保守.出現(xiàn)這種情況，本文認(rèn)為主要有以下原因：

1）本試驗(yàn)中試件的豎向鋼筋配筋率較高而該公式未考慮豎向鋼筋對墻體承載力的貢獻(xiàn)；

2）該公式只考慮配筋砌塊砌體的內(nèi)葉墻部分，沒有考慮內(nèi)葉墻的貢獻(xiàn)；

3）如前文所述，本文所研究的試件中，將標(biāo)準(zhǔn)砌塊的開槽加深了不少，對試件的整體性將產(chǎn)生較有利的影響，故而承載力也相應(yīng)提高.

同時(shí)由表4也可以看出，高寬比越大的構(gòu)件，該比值越大，這是由于隨著高寬比的增大，構(gòu)件逐漸呈現(xiàn)出彎剪破壞的特征，承載力得到提高的緣故；而高寬比相等的試件，軸壓比越高，其承載力也越大.4 拉接筋受力分析

拉接筋應(yīng)變片布置見圖17.試件W2與W3的拉接筋應(yīng)變見圖18~圖19.因?yàn)樵嚰2的試驗(yàn)進(jìn)程比較長，圖19中只給出了后半部分試驗(yàn)進(jìn)程的圖形.試件W1與W4的拉接鋼筋網(wǎng)片應(yīng)變較小，且在墻體開裂和達(dá)到極限狀態(tài)后沒有很明顯的突變，故未給出圖.

對比圖18與圖19可以看出，在墻體處于開裂和極限狀態(tài)時(shí)，試件W3的拉接筋應(yīng)變明顯大于試件W2的拉接筋應(yīng)變.這表明矩形拉接筋的作用要強(qiáng)于Z字形拉接筋.從圖19中看出了試件在極限承載力之后拉接筋應(yīng)變明顯增大，可以看出拉接筋對增強(qiáng)內(nèi)、外葉墻之間的整體性，防止外葉墻倒塌、散落起到了重要作用.而試件W1與W4的拉接鋼筋網(wǎng)片應(yīng)變較小.

(a)應(yīng)變片a(b)應(yīng)變片b

(c)應(yīng)變片c (d)應(yīng)變片d

圖18 試件W3的拉接筋應(yīng)變

Fig.18 Strain of tie bars of specimen W3

(a)應(yīng)變片a (b)應(yīng)變片b

(c)應(yīng)變片c (d)應(yīng)變片d

圖19 試件W2的拉接筋應(yīng)變

Fig.19 Strain of tie bars of specimen W2

5 結(jié) 論

1)當(dāng)豎向荷載作用于內(nèi)葉墻時(shí)，外葉墻處于受拉狀態(tài).

2)高寬比較小的墻體，出現(xiàn)剪切破壞的特征；高寬比較大的墻體，表現(xiàn)出一定的彎剪破壞特征.

3)由于剪切滑移的影響，墻體的滯回曲線有明顯的“捏縮效應(yīng)”；其內(nèi)葉墻的恢復(fù)力特性可采用三折線模型模擬.

4)四片墻體的水平承載力比計(jì)算結(jié)果（采用規(guī)范條文說明中的公式計(jì)算）大許多；截面相同的兩對墻體，軸壓比越大，其承載力越高.

5) 試驗(yàn)過程中，內(nèi)、外葉墻能協(xié)同變形；非承重的外葉墻破輕微且不散落，內(nèi)、外葉墻之間拉接良好；矩形拉接筋所起的作用大于Z形拉接筋.參考文獻(xiàn)

［1］ 施楚賢，楊偉軍.配筋砌塊砌體剪力墻受剪承載力及可靠度分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2001，31(3):41-44.

SHI Chuxian，YANG Weijun. The shear bearing capacity and reliability analysis of reinforced masonry shear wall［J］. Building Structure， 2001，31(3):41-44. (In Chinese)

［2］ PRIESTLEY M J N. Seismic design of concrete masonry shear walls ［J］. ACI Journal， 1986， 83(8): 58-67.

［3］ HALUK S，HUGH D M. Seismic shear capacity of reinforced masonry piers ［J］. Journal of Structural Engineering， ASCE， 1991， 117(7): 2166- 2185.

［4］ 李宏男， 張景瑋， 陸靖. 空心磚保溫夾心開洞墻體的抗震試驗(yàn)研究［J］. 地震工程與工程振動， 2001， 21(2): 96-102.

LI Hongnan， ZHANG Jingwei， LU Jing. Experimental studies on aseismic behavior of insulating hollow brick walls with cavity ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Vibration， 2001， 21(2): 96-102. (In Chinese)

［5］ 李宏男， 張景瑋， 劉莉. 多孔磚保溫夾芯墻體抗震性能試驗(yàn)與分析［J］. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2001， 22(6): 73-80.

LI Hongnan， ZHANG Jingwei， LIU Li. Experiment and analysis of seismic behavior of hollow brick insulating cavity walls ［J］. Journal of Building Structures， 2001， 22(6): 73-80. (In Chinese)

［6］ 周錫元， 李萬舉， 閆維明， 等. 混凝土砌塊空腔復(fù)合墻體抗震性能試驗(yàn)研究［J］. 建筑砌塊與砌塊建筑， 2005(6):5-12.

ZHOU Xiyuan， LI Wanju， YAN Weiming，et al. Experimental study on aseismic behavior of concrete hollow block cavity wall ［J］. Building Block and Block Construction， 2005(6):5-12. (In Chinese)

［7］ 閆維明， 郭米娜， 周宏宇， 等. 混凝土小型空心砌塊復(fù)合墻體受彎和受剪性能試驗(yàn)研究［J］. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2007， 28(5): 96-103.

YAN Weiming， GUO Mina， ZHOU Hongyu， et al. Experimental study on shear and bending resistance of smallsize concrete block cavity walls ［J］. Journal of Building Structures， 2007， 28(5): 96-103. (In Chinese)

［8］ 鄭群圣. 夏熱冬冷地區(qū)夾芯保溫墻體系及其抗壓性能研究［D］. 長沙: 長沙理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院， 2009.

ZHENG Qunsheng. Study on cavity wall system and its compression performance in the hot summer and cold winter zone ［D］. Changsha: School of Civil Engineering and Architecture，Changsha University of Science Technology，2009. (In Chinese)

［9］ 唐納德·沃特森(美). 建筑材料與選型手冊［M］. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社， 2007: 268-272.

DONALD W.Timesaver standards for building materials systems: design criteria and selection data ［M］. Beijing: China Architecture Building Press， 2007: 268-272. (In Chinese)

［10］翟希梅.砌塊空腔墻體與約束配筋砌塊結(jié)構(gòu)的抗震性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，2001.

ZHAI Ximei. Research on the aseismic behavior of cavity concrete block wall and restrained reinforced block structure［D］.Haerbin:School of Civil Engineering Harbin Institute of Technology，2001.(In Chinese)

［11］GB 50003—2001 砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］ .