带缝剪力墙及外砌保温空心砖抗震稳定性试验研究

贺立杰，杨德健

(天津城市建设学院 土木工程系，天津 300384)

节能减排和应对气候变化是我国必须长期应对的艰巨任务.目前在建筑节能方面，采用的多种外墙外保温技术虽然有其自身的优点，但近年来作为传统的外墙外保温技术使建筑外檐出现的一些安全问题，越来越引起人们的重视.比如由于风荷载或者保温材料与基层材料两者性能的不相容而引起保温材料的脱落；保温材料采用的易燃性聚苯板，存在建筑防火的隐患；在长期变形循环中，由于太阳辐射及环境温度变化的影响，存在严重的墙面裂缝的质量通病，从而使外饰面砖产生一定的变形；外墙外保温体系工程寿命(约25年)与主体建筑寿命(50年)不能同步等[1].

为解决传统外墙外保温技术产生的上述问题，本文拟采用混凝土剪力墙外砌页岩保温空心砖的新方式替代传统的方式，有关资料已证实此方法在防止火灾和对外装饰方面效果比较显著，在与主体结构寿命同步方面也有明显的改善.但由于目前国内外对此种砌法实施少之又少，故对其进行水平低周反复荷载试验，在满足建筑保温节能条件下研究外砌保温空心砖作为外墙外保温围护结构的稳定性，以利于页岩保温空心砖的安全使用推广和页岩保温空心砖有关规程的编写.

1 试验概况

1.1 试件设计

本次试验共2片墙体，墙体是由受力性能不同的混凝土和页岩保温空心砖两种材料组成，中间由混合砂浆和水平拉结筋形成一整体共同协调工作.剪力墙尺寸为1800 mm×1800 mm×100 mm，采用C30商品混凝土浇筑，W-1剪力墙开设两条长1800 mm，宽10 mm，厚15 mm的竖直通缝，W-2墙体在W-1基础上留有两条400 mm的连接键，缝中填充材料为氯丁橡胶.剪力墙模板如图1所示.

图1 剪力墙模板

外砌砖为240 mm×115 mm×90 mm的烧结页岩保温空心砖，强度等级为 MU3，单排三孔，采用 M5水泥混合砂浆砌筑，砌筑方法符合有关规范[2-3]的要求.另外，空心砖孔洞中均填充聚苯乙烯泡沫塑料保温板，以实现墙体保温节能的目标.加载梁尺寸2000 mm×350 mm×350 mm，托梁为 2600 mm×400 mm×500 mm.外砌砖砌筑实图及试件配筋图如图2所示.

图2 外砌砖砌筑实图及试件配筋图

1.2 试验方案及加载程序

试件加载装置图见图3所示，采用千斤顶加载试件的竖向荷载，并保持250 kN不变，加载中心取剪力墙上表面的形心，水平低周反复荷载通过电液伺服加载装置施加，试验装置符合《建筑抗震试验方法规程》JGJ101—2010[4]的要求，并采用“荷载-位移”加载方案，在正式加载前先预加载，保证试件、试验装置及测量仪器正常工作.正式试验中水平荷载加载分为两个阶段：剪力墙开裂前，按荷载控制加载，每级水平荷载循环两次，30 kN为一级直至开裂；剪力墙开裂后，按位移控制加载，取开裂剪力墙的最大位移为控制位移△，并以该位移值的倍数为级差进行控制加载，直至试验结束.

1.3 测试内容

本次试验主要测量内容包括墙体施加的水平荷载，剪力墙顶部位移(距剪力墙顶部下方100 mm)，同时观测记录墙体两侧初裂的位置、裂缝分布形态及发展过程，记录墙体开裂荷载、极限荷载和破坏荷载.

图3 试件加载装置图

2 试验过程及结果分析

2.1 试件加载破坏状况

2.1.1 试件W-1加载破坏状况

竖向荷载加到预定值后，开始施加水平荷载.当水平荷载较小，在试件顶端施加30，60，90，120 kN荷载时，试件没有出现裂缝，墙体基本处于弹性状态.当水平荷载加至拉力为150 kN时，保温砖墙左下角第一块砖中部出现裂缝，水平位移仅为 0.03 mm；当水平荷载推力加至180 kN时，保温砖开始出现斜裂缝，当水平荷载拉力加至330 kN时，保温砖墙与地梁之间的灰缝贯通.此时以剪力墙顶端位移为基准，采取位移控制加载，水平控制位移△取1.50 mm.当水平位移为5.68 mm时，荷载达到极限507.93 kN，保温砖墙体裂缝仍未贯通，直至荷载下降到 301.97 kN时裂缝才贯通，此时荷载已降到极限荷载的 85%以下，剪力墙视为破坏.继续加载试件直至剪力墙位移角为1/120，左下角第三块保温砖面脱落，试验宣布结束.W-1墙面的破坏形式见图4所示.

图4 W-1试件破坏形式

2.1.2 试件W-2加载破坏状况

当水平荷载较小，试件顶端施加反复水平荷载30，60，90 kN 时，试件没有出现裂缝，墙体处于弹性状态.当水平荷载加至拉力为120 kN时，左下角第一皮第二块保温砖出现裂缝并横向贯通，水平位移为0.49 mm，之后直至推力加至 210 kN时，右侧底部灰缝处才出现第一条裂缝；当推力加至240 kN时，右侧第二块砖开裂，裂缝沿灰缝发展到墙的正中央；当拉力为270 kN时，裂缝沿左侧灰缝与推力240 kN时产生的裂缝连接在一起；当水平荷载加至300 kN时，保温砖墙面没有产生新裂缝，只是裂缝在原有基础上继续加宽，保温砖没有脱落的迹象，此时加载方式改为位移控制.水平控制位移△为1.50 mm，但直至达到极限荷载548 kN乃至荷载下降到极限荷载的85%，即水平位移为7.62 mm时，保温砖墙片均未出现明显的“X”型交叉裂缝，只是在此阶段左下角第一块保温砖部分脱落，此时墙板暗柱根部混凝土严重压碎，视剪力墙破坏.继续加载试件，直至位移角为 1/180，伴随右下角保温砖一角脱落，试验宣布结束.W-2墙体破坏形式见图5所示.

图5 W-2试件破坏形式

2.2 试件加载破坏结果分析

由试验可知：

(1) 弹性阶段：保温砖墙侧最初的可见宏观裂缝均出现在保温空心砖面而非灰缝上，这是由于本试验所采用的保温空心砖的强度相对混合砂浆较低.当荷载小于极限荷载约 25%时，保温砖墙面均未产生裂缝，此为弹性阶段.该阶段墙体刚度很大，侧移微小，能够整体协同变形，其“荷载-位移”曲线几乎呈线性变化；

(2) 弹塑性阶段：荷载继续加大，当达到极限荷载的 25%～60%时，裂缝主要出现在保温砖墙面中下部.当荷载继续增大，裂缝沿墙体对角线方向呈阶梯状延伸，有形成“X”型的趋势，而剪力墙体的裂缝出现时间相对较晚，裂缝发展速度较慢，裂缝贯通时间较早，该阶段“荷载-位移”曲线呈现曲线型上升；

(3) 破坏阶段：当荷载加至墙体极限荷载时，剪力墙面裂缝发展成多道交叉斜裂缝，并且裂缝宽度、密度不断加大.但达到极限荷载后继续加载直至剪力墙墙体破坏，两试件保温砖面“X”型交叉裂缝均未形成.W-1墙体、W-2墙体最大层间相对位移达到约为1/100与1/180时，保温砖只发生轻微的砖体剥落，说明保温砖能够与剪力墙墙体保持较好的整体稳定性.

2.3 保温砖墙面随位移角的破坏状况

为了更直观的描述试件加载特征点随位移的影响趋势，取位移角为控制变量，试件承载力随剪力墙位移角(△/h)变化的特征如表 1所示，试件水平承载力取推拉两方向的荷载平均值，两保温砖墙面随位移角的破坏状况如图6-7所示.

表1 试件水平承载力随位移角的变化 kN

从表1及图6-7可以得出：

(1) 当△/h为 1/400，1/300和 1/200时，两试件的水平荷载相差不大，但 W-2墙体的水平荷载在位移角一定时均较W-1墙体稍大；

(2) W-2墙体水平荷载较W-1墙体下降稍快，即刚度退化稍快，同时 W-2保温砖墙面最大破坏处也比W-1保温砖墙面最大破坏处稍严重；

(3) 当△/h加至1/120时，W-1保温砖墙面最大破坏处的两块保温砖面虽已和砖肋分离约有50%，但没有脱落，满足钢筋混凝土抗震墙在弹塑性阶段最大层间相对位移小于1/120时不脱落的要求.由于W-2墙板暗柱根部混凝土严重压碎，试件水平位移△加载至约为10 mm时试验宣告结束，此时，仅左下角第一块保温砖及右下角保温砖一小角脱落，其余完好.

图6 W-1保温砖墙面试验加载破坏状况

图7 W-2保温砖墙面试验加载破坏状况

2.4 试件滞回曲线特征

滞回曲线即试件的“荷载-位移”曲线，滞回曲线可以反映墙体的抗震性能，是进行各种抗震性能指标计算的依据，用来描述结构的弹性、弹塑性、耗能能力等抗震性能[5]，两试件的滞回曲线见图8所示.

图8 两试件滞回曲线

2.4.1 W-1试件的滞回特性

开通缝的 W-1墙体在加载初期，滞回曲线近似为直线，表明该阶段试件处于弹性阶段.在保温砖墙面、剪力墙出现裂缝后，试件的滞回曲线的斜率减小，但减小的程度很小，滞回曲线发生弯曲，滞回曲线面积略有增加，表明该构件进入弹塑性阶段.随着裂缝的反复张开闭合，新裂缝的不断出现以及原有裂缝的不断发展，试件滞回曲线的面积不断增大，表明试件的耗能能力在加强.当构件进入极限状态后，试件滞回曲线的面积进一步扩大，试件的耗能能力进一步加强.同时，试件的滞回曲线出现了捏拢，滞回曲线的形状由梭形向弓形发展.随着施加荷载的不断增加与循环反复，试件的承载力在逐步下降，滞回曲线面积变得更大，表明试件能量耗散的能力更强.在试验过程中，斜筋与混凝土在加载过程中产生较大的滑移，导致试件的滞回曲线捏拢程度加大，更加接近弓形.

2.4.2 W-2试件的滞回特性

留有连接键的W-2试件在加载初期滞回曲线呈梭形，此时结构并未发生剪切破坏.当荷载卸载为零时，变形基本恢复，可见此时结构处于弹性状态.滞回曲线的斜率也在逐渐减小，说明结构的刚度在退化，但趋势不明显.在剪力墙出现裂缝后，试件发生一定的塑性变形，结构开始进入弹塑性阶段，此阶段的滞回曲线已呈弓字形，有明显的捏缩效应.此时结构裂缝主要是连接键、墙板边暗柱的弯曲裂缝和墙板的剪切斜裂缝等.滞回曲线的斜率也在逐渐减小，主要是因为此时结构裂缝已有了较充分的发展，结构变形增大刚度减小.滞回曲线达到最大位移值较前阶段结构变形有了较大的增大，这是因为墙板两侧的暗柱及上下圈梁对剪力墙形成了一个边框，当暗柱开裂且裂缝不断扩大时，边框对墙板的约束作用减小，因此结构的位移会增长较快.滞回环的面积较前几个阶段也有了较大的增加，可见结构的耗能能力也在提高.结构进入了屈服阶段后，裂缝的发展及剪切滑移量的增加决定了滞回环形状的改变，此时滞回环的形状呈明显弓形.结构达到极限状态，捏缩效应更加明显，即剪切和粘结滑移量在不断增大，随着各循环加载的进行，位移有了明显的增加，但承载力的退化不是很严重，滞回环较为饱满，可见结构在此阶段仍具有一定的强度储备，抗倒塌能力强，并具有良好的延性和耗能能力.

2.5 结构的骨架曲线

将低周反复加载每次循环的峰值点(开始卸载点)相连接，可得到一条包络线，它是每次循环的“荷载-位移”曲线达到最大峰点的轨迹，称为骨架曲线.试验墙体的“荷载-位移”骨架曲线，描述了墙体“开裂—极限—破坏”过程的刚度变化特征.根据骨架曲线的特点，采用“三折线型”恢复力骨架曲线的替代模型骨架曲线，绘制出W-1墙体和W-2墙体的恢复力骨架曲线.折线的拐点是墙体开裂、极限和破坏折点，三段分别表示弹性阶段、弹塑性阶段和下降阶段[6]，外砌保温砖墙体的恢复力骨架曲线见图9所示.

图9 两保温砖墙的恢复力骨架曲线

保温砖墙面的开裂荷载及对应的位移、整片墙体的极限荷载及对应的位移、破坏荷载及对应的位移等主要试验结果见表 2所示.荷载与相应的位移，取推拉两个方向的平均值，破坏荷载为整个墙片极限荷载的 85%[4].

表2 保温砖墙面承载力及位移特征

从表2及图9可以分析出：

(1)W-1试件的保温砖的开裂荷载比 W-2试件的开裂荷载较高，说明剪力墙连接键的开设影响了整片墙体的刚度；

(2)W-1试件的极限承载力较W-2试件的极限承载力低8%；

(3)开竖直通缝的试件的破坏位移高于留有连接键的试件，说明开设通缝较大程度地提高了剪力墙的变形性能.

3 结 论

通过混凝土剪力墙外砌页岩保温空心砖墙在水平低周反复荷载作用下的试验，研究了外砌页岩保温空心砖的抗震稳定性和混凝土剪力墙的抗震性能，得到如下结论：

(1) 通过两试件的滞回曲线及剪力墙面裂缝的分布情况可知，留有连接键的剪力墙结构较仅留有竖直通缝的剪力墙结构有更良好的耗能能力，耗能形式也较为合理；

(2) 分析两试件的滞回曲线、页岩保温空心砖墙体骨架曲线和其砖面的破坏状态等，可知混凝土剪力墙在采取本试验中两类形式的开缝下，外砌页岩保温空心砖墙具有较好的抗震稳定性；

(3) 在具有较好的保温性能的前提下，页岩保温空心砖砌体墙作为外墙维护结构，与传统的外墙保温饰面砖相比，未出现大面积的脱落，说明采用M5混合砂浆和拉结筋的方式进行外砌页岩空心砖是合适的.

［1］仇俊成. 烧结页岩砖外墙夹心保温技术亟待推广[J].砖瓦，2009(12)：5-8.

［2］JGJ 137—2001，多孔砖砌体结构技术规范[S].

［3］JGJ 98—2010，砌筑砂浆配合比设计规程[S].

［4］JGJ101—2010，建筑抗震试验方法规程[S].

［5］孙伟民，戴薇原，郭樟根，等. 新型节能复合混凝土空心砌块砌体抗震性能的试验研究[J].地震工程与工程振动，2006(5)：136-143.

［6］周宏宇. 带构造柱混凝土小型空心砌块承重墙抗震性能的试验研究[D]. 北京：北京工业大学，2004.