RC-加气混凝土砌块组合墙的抗震性能
刘佩，袁泉，郭猛，李鹏飞
(北京交通大学 土木建筑工程学院，北京，100044)
摘要：为了解RC-加气混凝土砌块组合墙的抗震性能，进行3片不同构造形式的RC-加气混凝土砌块墙的水平低周反复荷载试验。介绍组合墙试件的破坏过程和破坏特点，重点研究3片试件的承载力、滞回曲线、刚度和延性性能，并与已有普通加气混凝土砌块墙试验数据进行对比分析。研究结果表明：构造柱和系梁限制砌块裂缝的产生和发展，改善砌块的脆性性质，提高砌块的力学性能；通过合理构造措施将钢筋混凝土与加气混凝土砌块结合在一起形成的组合承重墙，具有较好的抗震性能，为加气混凝土砌块墙在多层房屋结构中的应用提供基础。
关键词：加气混凝土砌块；钢筋混凝土；RC-加气混凝土砌块组合墙；抗震性能
中图分类号：TU398 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)03-1107-07
Seismic performance of composite walls of RC-autoclaved aerated concrete blocks
LIU Pei, YUAN Quan, GUO Meng, LI Peng-fei
(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)
Abstract: Three composite wall specimens of RC-autoclaved aerated concrete blocks were tested under cyclic lateral loading to investigate their seismic performance. The damage processes and failure characters of the composite wall specimens were presented. And the load-bearing capacity, hysteresis behavior, stiffness and ductility capacity of the composite wall specimens were investigated, which were compared with those of the ordinary wall of autoclaved aerated concrete blocks. Test results show that the presence of constructional columns and beams constrained the propagation of cracks in the autoclaved aerate concrete blocks. And then the brittle behavior of the autoclaved aerated concrete blocks is changed, and the mechanical performance of the autoclaved aerated concrete blocks is improved. Composite walls of RC-autoclaved aerated concrete blocks with reasonable forms possess good seismic performance, and research on the composite walls provides a basis for the application of walls of autoclaved aerated concrete blocks in multi-storey buildings.
Key words: autoclaved aerated concrete blocks; reinforced concrete; composite wall of RC-autoclaved aerated concrete blocks; seismic performance
蒸压加气混凝土砌块具有轻质、节能、保温等特点，作为一种替代烧结黏土砖的墙体材料，已经广泛应用于建筑物的隔墙、填充墙和维护墙中，适应了我国建筑节能改革以及墙体材料改革的发展趋势。与黏土砖、空心砖等材料相比，加气混凝土砌块的抗剪强度偏低，弹性模量较小，为了使其能够在多层承重砌体房屋结构中得到应用，必须采取有效的构造措施提高加气混凝土砌块墙体的抗震性能，其中，利用钢筋混凝土构件约束加气混凝土砌块墙而形成的组合式承重墙体系是加气混凝土砌块房屋的发展方向之一。目前，对于加气混凝土砌块墙体的抗震性能，国内外学者已经开展了一系列的研究[1-6]，吴东云等[1]进行了2片粉煤灰加气混凝土砌块墙体的荷载试验，分析了砌块墙的破坏特征、恢复力特性和抗剪强度等问题；赵成文等[2]进行了普通砂浆和专用砂浆砌筑、普通砂浆配钢筋和配纤维以及专用砂浆配纤维共计6种形式墙片的荷载试验，以比较不同构造方式对砌块墙体抗震性能的提高程度；赵全斌等[3]进行了仅设置边构造柱、仅设置边构造柱和中构造柱、仅设置边构造柱和水平系梁3种不同约束方式下加气混凝土砌块墙体的荷载试验，研究约束措施对加气混凝土砌块承重墙体抗震性能的改善程度，试验表明，加气混凝土砌块与钢筋混凝土构件配合使用，能够提高砌块墙的整体性，抑制砌块裂缝的开展，有效地提高砌体墙承载力、延性等抗震性能。本文作者在上述研究成果的基础上，将钢筋混凝土构造柱与水平系梁联合用于加气混凝土砌块墙体中，以进一步提高砌块墙体的抗震性能，形成RC-加气混凝土砌块组合抗震墙，为此，通过对不同构造柱与水平系梁约束方式下的加气混凝土砌块墙体进行荷载试验，研究组合墙的破坏特征、承载力等抗震性能，探讨约束方式对砌块墙体抗震性能的改善程度，为承重型加气混凝土砌块墙应用于多层砌体结构以及框架-密肋复合墙结构[7]提供依据。
1 试验设计及方案
1.1 试件设计
采用1/2比例制作加气混凝土砌块组合墙共3片，均设置边构造柱和墙体顶部圈梁[8]，圈梁兼做加载梁，墙体的内部约束方式为：CW-1为1根中构造柱和1根系梁，CW-2为2根中构造柱和1根水平系梁，CW-3为1根中构造柱和2根水平系梁，试件尺寸及配筋如图1所示，墙体厚度均为100 mm。混凝土强度C20，棱柱体抗压强度实测值为21.4 MPa；钢筋等级为HB235，屈服强度为628 MPa，极限强度为760 MPa；砌块采用西安市硅酸盐制品厂生产的蒸压加气混凝土砌块，容重600 kg/m3，平均抗压强度为3.7 MPa。
参考赵成文等[2]的普通无筋砌体墙荷载试验数据，并按原试件尺寸与本文试件尺寸的比例关系、材料强度比例关系近似确定无筋加气砌墙体的承载力，以考察约束组合墙与普通蒸压加气混凝土砌块墙体破坏特点和抗震性能的差异。
图1 试件尺寸及配筋图(单位：mm)
Fig.1 Section size and steel bar details of specimens
1.2 试验方案
本次试验在西安建筑科技大学结构与抗震省级重点实验室进行，加载方案为水平低周反复加载，如图2所示。将竖向荷载90 kN通过千斤顶加在分配梁上，经二次分配后均匀加在组合墙体的顶梁上，竖向荷载稳定后开始水平加载，同时保持竖向荷载不变。水平荷载通过反力墙，借助液压作动器对墙体顶部施加。在接近屈服荷载前减小级差加载，试件屈服后采用变形控制，变形值取试件极限荷载的位移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载，在屈服前不进行反复加载，屈服后试验采用反复的次数为3次，直至荷载下降为极限荷载的80%左右停止加载，试验结束。
图2 试验加载装置图
Fig.2 Experimental set-up
2 抗震性能试验结果及分析
2.1 破坏过程
(1) CW-1。加载至20 kN时，砌体表面出现一定数量裂缝；加载至35 kN时，砌体裂缝继续开展，表面颗粒有少量脱落，中间系梁端部出现裂缝；继续加载，边构造柱根部出现水平裂缝，加载至最大荷载58.4 kN时，受拉侧边构造柱根部水平裂缝贯通整个截面，4个框格内砌块上的裂缝分布较均匀；随后按极限荷载对应位移的倍数进行位移加载，随着位移的加大，砌块表面颗粒剥落程度加剧，系梁端部裂缝宽度变大，右侧砌体拼缝部位的系梁钢筋外露，边构造柱顶部出现裂缝，底部裂缝多数贯通，最终破坏情况如图3(a)所示。
(2) CW-2。加载至25 kN时，砌体表面出现少许细微短小的斜裂缝；加载至40 kN时，砌块裂缝持续开展、延伸，右侧上部砌块裂缝延伸到系梁端部，贯通系梁截面；加载至55 kN时，砌体表面颗粒脱落，边构造柱根部出现受拉水平裂缝。加载至最大承载力69.6 kN时，系梁出现多条由砌块裂缝延伸而来的裂缝，边构造柱根部少量裂缝贯通；随后按位移控制加载，系梁裂缝宽度持续加宽，6个框格内砌块颗粒剥落的程度加剧，边构造柱顶部出现水平裂缝，底部裂缝多数贯通截面，其外侧角部混凝土有压碎迹象，最终破坏情况如图3(b)所示。
图3 试件破坏情况
Fig.3 Failure patterns of specimens
(3) CW-3。加载至30 kN时，砌块上出现少许细微短小的斜裂缝；加载至50 kN时，中间及下部框格开始有轻微细小的斜裂缝出现，原有砌块斜裂缝延伸扩张；继续加载，部分砌块裂缝延伸至系梁，此时砌块裂缝宽度发展很快，最宽已达到0.2 mm，试件拼缝砂浆处有脱开现象；加载至76 kN时，受拉侧边构造柱根部出现多道水平裂缝，达到极限荷载；位移循环阶段，砌块开裂所发出的响声增大，砌块表面有小块脱落，上部中构造柱钢筋外露，系梁在反复荷载作用下不断扭曲，边构造柱角部混凝土压碎，最终破坏情况如图3(c)所示。
(4) W-P-1[2]。当水平荷载达到开裂荷载时，墙体突然出现沿45°方向的斜裂缝，裂缝大部分穿过砌块而很少沿灰缝破坏。墙体开裂前无明显破坏迹象，裂缝出现后扩展迅速，破坏后裂缝高度也较大，裂缝形式基本为一组交叉主裂缝，最终破坏情况如图3(d)所示。
由上述破坏过程描述可见：
(1) RC-加气混凝土砌块组合墙的破坏形态明显不同于普通加气混凝土砌块墙，构造柱和系梁约束条件下加气混凝土砌块的裂缝比较弥散，裂缝发展缓慢，砌块裂缝难以贯通钢筋混凝土构造柱和系梁，被限制在各个框格内部，构造柱和水平系梁对加气混凝土砌块的限制、约束作用非常明显；相比之下，普通加气混凝土砌块墙体一旦出现砌块开裂情况，则裂缝迅速扩展，在很短的时间内贯通整片墙体。
(2) 组合墙基本没有明显的主斜裂缝，在各个框格区域内，存在对角斜裂缝或者菱形斜裂缝，各个位置的砌块裂缝分布更加均匀，进而通过众多裂缝的开裂闭合以及缝隙之间的摩擦能有效提高砌体的耗能能力；而普通加气混凝土砌块墙体存在主斜裂缝，其他部位砌体很少出现新的裂缝。
2.2 钢筋应变分析
综合分析3片墙体的外侧构造柱、中部构造柱和水平系梁的钢筋应变规律可知，钢筋混凝土构件在组合墙抵抗外荷载过程中的受力机制基本相同，主要区别在于发挥作用的大小不同，典型的钢筋应变曲线如图4所示。
图4 钢筋应变-荷载曲线
Fig.4 Strain-load curves of steel bars
2.2.1 外侧构造柱钢筋应变
试件开裂前，钢筋应变一般很小；当混凝土裂缝贯通时，荷载达到最大值，应变超过1×10-3；极限以及大位移循环阶段，外侧构造柱根部钢筋多次达到屈服，随水平荷载方向的改变在正负之间交替变化。外侧构造柱钢筋应变发展充分其原因一方面在于构造柱通过销栓作用承担剪力，另一方面外侧构造柱承担了绝大部分弯矩，提高了砌体墙的抗弯承载力。
2.2.2 中部构造柱钢筋应变
中部构造柱的钢筋在砌块开裂前应变较小，一般小于1×10-4，在砌块裂缝不断发展且构造柱尚未开裂的过程中，应变的增长比较缓慢；达到极限荷载时构造柱中钢筋尚未屈服，在荷载位移曲线进入下降段后钢筋才达到屈服阶段，表明开裂前主要由砌块承担剪力，中部构造柱发挥的作用较小，极限荷载之后砌块的承载力迅速下降，构造柱内钢筋通过销栓作用承担剪力，发挥抗剪作用。
2.2.3 系梁钢筋应变
水平系梁的钢筋应变曲线和构造柱类似，砌块开裂前，系梁钢筋应变很小，当砌块裂缝延伸至系梁内后，系梁钢筋应变明显加快。继续加载钢筋应变不断发展，边构造柱出现裂缝贯通时系梁钢筋应变增加变得更快，达到极限荷载时，大部分系梁钢筋没有屈服，系梁钢筋和构造柱钢筋应变相差不是很大。此后荷载开始下降，以大位移循环时，大部分系梁钢筋屈服，最后墙板达到破坏。说明系梁的存在限制裂缝的发展，增加墙板的承载力，延缓了墙板破坏过程。系梁应变多为正值，在正反向荷载作用下呈现“V”字型，表明系梁钢筋以受拉承担剪力为主。
2.3 承载力分析
4片墙体的承载力和位移试验实测值见表1，其中破坏荷载取极限荷载的85%。
由表1可知：约束加气混凝土砌块墙的开裂荷载与极限荷载较普通加气混凝土砌块墙体有较大程度的提高，其中，CW-1的极限荷载提高了70%以上，而CW-2和CW-3则提高了1倍以上；比较不同约束形式对砌体墙承载力的影响，CW-1为墙体内部设置“十”字形RC构件，CW-2增加1根构造柱变为“
”形后，极限荷载较CW-1提高了19.2%；而CW-3增加1根系梁变为“
”形后，极限荷载较CW-1提高了30.1%，表明系梁在墙体抗剪中的作用更为明显。
W-P-1的极限荷载为开裂荷载的1.65倍，而3片组合墙极限荷载与开裂荷载相比的平均值为2.35，表明纯砌体墙开裂后的强度储备较少，墙体一旦开裂，承载能力提高的程度较小，脆性性质明显[9]，而组合墙从开裂到极限荷载的发展过程较长，安全储备较大。
组合墙承载力较普通砌体墙大幅度提高的原因在于，一方面构造柱和系梁均参与抗剪，另一方面通过构造柱和系梁的约束作用大大提高了砌体的抗剪强度。对于普通加气混凝土砌块墙体，其抗剪能力主要由砌块自身抗剪强度以及灰缝抗剪强度决定，但通过配置适当的钢筋混凝土构造柱、系梁所形成的组合墙，则抗剪能力实际由砌块自身的直接抗剪转化为砌块通过抗压对构造柱与系梁所形成弱框架的支撑，从而较大程度地发挥了加气混凝土砌块的抗压性能。
2.4 滞回曲线分析
滞回曲线是评定构件抗震性能的重要依据，CW-1，CW-2和CW-3的滞回曲线及骨架曲线如图5所示。组合墙滞回曲线的共同特点是：开裂荷载之前，滞回曲线呈直线变化，刚度退化不明显；屈服阶段，滞回曲线呈梭形，所包围的面积逐渐增大；继续加载，滞回曲线向弓形发展，荷载零点附近出现捏拢现象，残余变形明显；极限荷载之后，滞回曲线呈反S型，单个滞回环在反S形的2个端部饱满，中间存在较狭长的条形段。
文献[2]给出的普通砌体墙体的滞回曲线表现为明显的脆性性质，即滞回曲线的外轮廓线没有下降阶段或下降段很短，表明砌体墙在达到极限荷载后，很快就失去承载力而停止加载。显然，在极限阶段之后，加气混凝土砌块组合墙较普通砌体墙的抗震性能要优越得多。
组合墙滞回曲线的另一个重要特点是大位移循环阶段的剪切滑移现象，这是由墙板截面构造和受力机制决定的：由于砌块自身裂缝较宽，造成卸载后再加载时存在一个较长的裂缝闭合过程，而砌块与构造柱、系梁重新接触后才再次发挥相互约束作用，使得滞回曲线在极限荷载之后呈现典型的反S形特征。为改善组合墙的剪切滑移现象，需要在砌块材料、砌块与混凝土接触方式等方面进行一定的改进。
表1 试件荷载和位移实测值
Table 1 Test results of specimens
图5 试件滞回曲线
Fig.5 Hysteretic curves of specimens
2.5 刚度及其退化过程分析
等效刚度取往复荷载作用下正、反向荷载的绝对值之和除以相应正、反向位移绝对值之和，计算得出试件刚度值及退化系数见表2。CW-2和CW-3在不同阶段的等效刚度均较CW-1大，CW-3刚度提高程度尤为明显，反映了约束措施的加强对砌体墙刚度的增大作用，这个规律与承载力对比结果一致。
3片约束墙体的刚度退化规律基本相同，退化速度差别不大，总体趋势是退化初期刚度衰减很快，随着位移的增大而减缓，最后趋于平缓。屈服刚度约为初始开裂刚度的25%~30%，极限阶段刚度约为初始开裂刚度的10%~15%。
表2 荷载特征点的等效刚度
Table 2 Equivalent stiffness of load characteristic points
2.6 延性分析
延性系数是反映结构构件进入塑性阶段后变形能力的指标，本文采用位移延性系数进行评估，定义极限位移与屈服位移之比为μw=sw/sy，破坏位移与屈服位移之比为μu=su/sy。其中：sy，su和sw分别为屈服荷载、极限荷载和破坏荷载对应的位移。位移延性系数计算结果见表3。
表3 位移延性系数
Table 3 Displacement ductility coefficients
约束砌体墙在破坏阶段即荷载下降至极限荷载的85%左右时，对应的位移延性系数μu均大于3，实际上已经满足了混凝土抗震结构位移延性系数为3~4的要求[10]；另一方面，破坏阶段三片墙体的相应层间位移角仍分别为1/34，1/36和1/38，均超过抗震规范规定的弹塑性阶段层间位移角1/50的限值[11]，显然，构造柱、系梁与砌体三者构成的组合墙已经初步具有了钢筋混凝土构件的变形能力。
与普通加气混凝土砌块墙仅出现一个贯通对角的“X”型裂缝不同的是，由于混凝土框格的分割与约束作用，各个框格内部的加气混凝土砌块裂缝均呈“X”型或菱形，其变形能力及抵抗平面外倒塌的能力明显强于普通加气混凝土砌块墙。
3 结论
(1) RC-加气混凝土砌块组合墙的破坏形态明显不同于普通加气混凝土砌块墙，砌块裂缝比较弥散且发展缓慢，同时构造柱和水平系梁对加气混凝土砌块的限制、约束作用非常明显，改善了砌体的力学性能及墙体的破坏形态。
(2) 组合墙的开裂荷载与极限荷载较普通加气混凝土砌块墙体有较大程度的提高，其原因在于，一方面构造柱、系梁参与抗剪，另一方面通过对砌块的约束作用提高了砌块的力学性能，使得砌块由自身直接抗剪转化为对构造柱与系梁的支撑而承担剪力，从而较大程度地发挥了加气混凝土砌块的抗压性能。
(3) 组合墙的刚度变化规律与承载力变化规律基本一致；延性方面，构造柱、系梁与砌体三者构成的组合墙满足混凝土抗震结构位移延性系数的要求，初步具有了钢筋混凝土构件的变形能力。本文研究工作为承重型加气混凝土砌块墙的工程应用及进一步研究提供了试验数据与参考。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2011-04-17；修回日期：2011-07-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078028)；“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAJ04A02-05)
通信作者：刘佩(1982-)，女，河北晋州人，博士，从事新型建筑结构体系及可靠度理论研究；电话：13401022025；E-mail: liupei0130@126.com
