第 3 期苏启旺, 等 : 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究填充墙结构是目前广泛应用的结构形式之一, 设计中填充墙构件仅作为一种非受力构件, 不参与受力, 然而它却影响着地震下结构的行为. 已有的试验主要针对实心砖填充的框架研究, 研究结果表明实心砖填充墙会造成填充框架的刚度 承载力有较

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1 第 52 卷第 3 期 2017 年 6 月西南交通大学学报 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Vol. 52 No. 3 Jun 文章编号 : (2017) DOI: / j. issn 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究苏启旺 1, 张言 2, 许子宜 1, 蔡宏儒 1 (1. 西南交通大学土木工程学院, 四川成都 ;2. 同济大学土木工程学院, 上海 ) 摘要 : 为了研究空心砖填充墙钢筋结构的抗震行为, 进行了 1 榀足尺空心砖完全填充 1 榀足尺带洞口的单层单跨空心砖填充 RC 框架结构模型的水平低周循环荷载加载试验, 研究了空心砖填充 RC 框架结构的破坏形式 滞回特性及位移延性等试验指标. 在此基础上, 结合国内外大量单层单跨填充墙 RC 框架模型的试验数据, 分析了洞口对填充墙 RC 框架极限抗侧承载力和初始刚度的影响, 给出了相应的折减系数计算式. 研究结果表明 : 与带洞口的 RC 框架相比, 完全填充的 RC 框架的水平峰值荷载在早期加载阶段最少可增加 70% ; 随着填充墙破坏程度的加大, 当层间位移角达到 1% 时, 两者水平峰值荷载基本相等 ; 洞口降低了填充墙 RC 框架的抗侧承载力, 但结构的变形能力得到了改善, 填充墙的开裂及破坏明显减轻. 关键词 : 填充墙 ;RC 框架 ; 空心砖 ; 拟静力试验 ; 抗震性能中图分类号 :TU 文献标志码 :A Full Scale Tests on Seismic Behavior of RC Frames Infilled with Hollow Bricks SU Qiwang 1, ZHANG Yan 2, XU Ziyi 1, CAI Hongru 1 (1. School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu ,China;2. School of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai ,China) Abstract:In order to study the seismic behavior of RC frames infilled by hollow bricks,full scale tests of one story single bay hollow bricks infilled frame structure and one story single bay hollow bricks infilled frame structure with the opening under low cyclic reversed loading were carried out. Then,the indexes were studied including failure modes,load displacement hysteretic loops,skeleton curves,bear capacity,displacement ductility,energy dissipation,strength degradation and rigidity degradation. Besides,according to test data from the literatures on one story single bay hollow bricks infilled frame structure,the reduction formulae for describing the effects of the openings on strength and rigidity degradation were also proposed. The experimental results show that the peak load of the frame without window and door is increased by 70% at early loading stage in contrast to the frame with window and door,and the peak loads of two structures will become much closer after story drift ratio reaches 1%. It can be found that the openings in infills reduce the ultimate bearing capacity,whereas the structural deformation capacity improves greatly. As a result,the damage of infills lessens. Key words:infilled wall;rc frame;hollow brick;quasi static test;seismic behavior 收稿日期 : 基金项目四川省住房及城乡建设厅科技基金资助项目 (2014S20025) 作者简介苏启旺 (1979 ), 男讲师, 博士. 研究方向为混凝土结构 结构抗震,E mail:qiwangsu@ swjtu. edu. cn 引文格式 : 苏启旺, 张言, 许子宜, 等. 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究 [J]. 西南交通大学学报,2017,52(3): SU Qiwang,ZHANG Yan,XU Ziyi,et al. Full scale tests on seismic behavior of RC frames infilled with hollow bricks[j]. Journal of Southwest Jiaotong University,2017,52(3):

2 第 3 期苏启旺, 等 : 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究填充墙结构是目前广泛应用的结构形式之一, 设计中填充墙构件仅作为一种非受力构件, 不参与受力, 然而它却影响着地震下结构的行为. 已有的试验主要针对实心砖填充的框架研究, 研究结果表明实心砖填充墙会造成填充框架的刚度 承载力有较大的提高 [1 2]. 事实上, 随着国家墙体的改革, 越来越多的轻质填充物被广泛应用, 页岩空心砖便是其中一种较常用的填充材料, 它具有质轻 保温等特点. 在地震作用下该类填充墙体破坏严重 [3 4], 目前, 主要采用缩尺比例模型对该类填充墙框架结构的抗震性能进行试验研究 [5 7], 但由于尺寸效应等因素影响, 缩尺比例的模型可能不能完全真实反映框架填充墙结构在地震作用下的行为. 为了更深入地了解空心砖填充框架结构的抗震性能, 进行了 2 组不同形式的足尺空心砖填充墙框架结构拟静力加载试验, 主要研究墙体对结构强度 刚度以及失效模式的影响, 同时考察洞口对结构延性 填充墙体破坏的影响. 通过统计分析, 给出洞口对极限承载力和初始刚度影响的折减系数计算表达式, 为该类填充墙框架结构的设计提供参考. 各模型的详细情况分别见表 1 2 和图 1. 表 1 模型详细信息 Tab. 1 Details of specimens 试件号结构柱结构梁柱截面 / mm 纵筋高 2 宽 / mm 纵筋箍筋结构板 / mm / mm 厚度宽度 2 1 试验概况 1. 1 试验模型设计试验模型为 2 个 : 一个为不带洞口的空心砖完全填充单层单跨 RC 框架模型 ; 另一个为带门窗洞的空心砖填充单层单跨 RC 框架模型, 分别编号为 HBF 1 和 HBF 2. 框架柱 框架梁 填充墙和板的几何尺寸 配筋率都相同, 轴压比为 [8]. 框架柱的截面尺寸为 400 mm 400 mm, 框架梁的截面尺寸为 200 mm 450 mm, 混凝土设计强度等级均为 C30 [9], 纵向受力钢筋均为 HRB335, 箍筋均为 HPB300. 填充墙厚度为 200 mm, 采用 240 mm 200 mm 110 mm 的轻质页岩空心砖. 填充墙与框架柱之间的拉结钢筋采用 HPB300, 沿柱高每隔 500 mm 设置 [10]. 板厚度为 100 mm, 宽度为 mm. 试件 HBF 2 中门洞边的构造柱厚度为 120 mm, 配 4 根 HRB335 纵筋, 直径 10 mm, 箍筋采用 HPB300, 直径为 8 mm, 间距为 250 mm, 混凝土设计强度等级为 C20. 内部填充墙体拉结筋是否开洞 厚度 / mm HBF Φ Φ16 8@ 100 / @ 500 否 HBF Φ Φ16 8@ 100 / @ 500 是表 2 模型材料信息 Tab. 2 Details of materials 钢筋 / MPa 空心砖 Φ16 8 屈服强度极限强度屈服强度极限强度 孔洞率 / % 单位重度 / N 抗压强度 / MPa 砂浆抗压强度 / MPa 混凝土抗压强度 / MPa 加载方法模型基础梁通过高强螺杆固定于地面, 基础梁一端与反力墙之间设置钢梁固定基础梁, 另一端通过钢丝绳锚固于反力墙上. 顶部采用钢拉杆连接水平液压千斤顶和框架梁, 侧向水平荷载主要施加在框架梁端部. 竖向千斤顶通过框架顶梁施加水平荷载. 模型在稳定的竖向荷载和低周循环荷载的共同作用下进行加载. 首先采用最大加载力为 kn 的竖向液压千斤顶, 按轴压比为 进行竖向力的施加, 即对每个 RC 框架柱逐步施加轴向力直至 572 kn, 并一直保持不变. 当框架柱轴向荷载稳定后, 采用最大加载力为 kn 的水平 533 液压千斤顶, 对 RC 框架施加低周循环荷载. 加载制度如下 : 先采用力加载, 逐步施加荷载, 当填充墙出现首条裂缝即停止加载, 循环 1 次 ; 填充墙开裂后, 力加载改为位移加载, 位移加载共按 11 级分别加载, 位移加载控制的层间位移角依次为 0. 25% 0. 50% 0. 75% 1. 00% 1. 25% 1. 50% 1. 75% 2. 00% 2. 50% 3. 00% 3. 50%, 每级位移加载往复循环 3 次. 试验过程中, 研究人员对填充墙 框架柱 框架梁的裂纹发展和填充墙脱落情况做了详细记录, 同时使用自动位移采集记录仪测量各级荷载下的框架梁轴线处的水平位移.

3 534 (a)hbf 1 立面图 (b)hbf 2 立面图 (c)hbf 1 HBF 2 内部配筋立面图 西南交通大学学报第 52 卷 1. 3 试验两模型的最终破坏现象均为模型梁端混凝土压碎 钢筋断裂, 框架结构呈 强柱弱梁 失效模式. 两模型填充墙均在开始阶段参与到了抵抗水平推力的工作中, 有效降低了 RC 框架内力, 提高了 RC 框架的承载力和侧向刚度, 起到了延缓框架梁 柱开裂的作用. 填充墙的破坏主要出现在沿 45 对角线区域内, 随着位移的增大, 填充墙抹灰开始剥落, 裂缝不断延伸并贯通, 空心砖出现压碎 掉落的现象, 极大地降低了填充墙对框架的 斜撑 作用, 最后填充墙基本退出工作, 主要由框架承担侧向水平力. 模型 HBF 1 沿框架柱设置的拉结钢筋基本能够保持两侧填充墙砌体的牢固性, 随着位移角的增加, 斜撑 区域内的填充墙损伤严重直至压碎, 当层间位移角加至 3% 时, 上部填充墙砌体因两端失去支撑而掉落. 模型 HBF 2 门洞旁的构造柱和沿框架柱设置的拉结钢筋能够保持两侧填充墙砌体的牢固性, 随着位移角的增加, 斜撑 区域内的填充墙因洞口的存在, 在层间位移角加载至 1% 以前, 内部的填充墙体损伤轻, 试验中仅有少数的空心砖破坏, 未见连块的填充墙体掉落 ; 当层间位移角加至 2% 时, 洞口上部填充墙砌体因两端失去支撑而掉落. 随后, 随着层间位移角的加大, 填充墙的破坏区域未见明显扩大. 对比两模型 : 两者均出现 强柱弱梁 的破坏模式, 当加载至层间位移角小于 1% 时, 带洞口的填充墙体破坏较轻 ; 当加载的层间位移角位于 1% ~ 3% 之间时, 两者的填充墙破坏明显 ; 当加载的层间位移角大于 3% 时, 模型 HBF 1 在以后的加载阶段, 内部的填充墙破坏及掉落不断加大, 而模型 HBF 2 破坏区域基本保持不变. 试验破坏照片如图 2 所示. 选择层间位移角 DR 为 0. 75% 1. 00% 1. 50% 2. 00% 和 3. 00% 的试件照片如图 3 所示, 图中阴影部分为填充砖压碎的区域. Fig. 1 (d) 截面配筋模型信息 图 1 Dimensions of specimens (a)hbf 1 (b)hbf 2 图 2 最终破坏形态 Fig. 2 Ultimate failure modes of specimens

4 第 3 期 苏启旺, 等 : 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究 2 试验结果 2. 1 滞回曲线图 4 为两模型的荷载 位移曲线. 535 (a)dr 为 0. 75% Fig. 3 模型加载编号方向 (b)dr 为 1. 00% (c)dr 为 1. 50% (d)dr 为 2. 00% Fig. 4 (e)dr 为 3. 00% 图 3 破坏过程 Damage progress of specimens 表 3 模型不同阶段荷载和位移 Tab. 3 Loads and displacements of specimens 开裂屈服峰值 P cr / kn δ cr / mm P y / kn δ y / mm P m / kn δ m / mm 图 4 荷载 位移曲线 Load displacement curves of specimens 由图 4 可知 : (1) 模型 HBF 1 滞回曲线呈弓形, 残余变形较小. 在最初荷载加载阶段, 对应的层间位移角大约为 0. 04% 时, 填充墙出现了首条裂缝 ; 当层间位移角约为 0. 25% ~ 0. 50% 时, 结构抗侧承载力达到峰值, 表明填充墙能够明显提高 RC 框架整体的承载力. 随后, 抗侧承载力立刻出现急剧下滑的现象. 当层间位移角超过 1. 00% 时, 填充墙砖块脱落区域形成了明显的 X 形, 填充墙对 RC 框架的 斜撑 作用的影响明显减弱, 滞回曲线下降缓慢, 直至最后主要由框架承担侧向力. (2) 模型 HBF 2 滞回曲线也呈弓形, 残余变形较小. 当层间位移角约为 0. 05% 时, 填充墙出现首条裂缝 ; 随着层间位移角的加大, 结构抗侧承载力不断增加, 当层间位移角达到 0. 50% 时, 结构抗侧承载力达到最大 ; 随着位移角的增加, 结构抗侧承载力出现下降, 但下降相对平缓. 门窗洞口明显削弱了填充墙的 斜撑 作用, 该模型的抗侧承载力峰值小于模型 HBF 1. 模型不同阶段荷载和位移见表 3. 极限 P u / kn δ u / mm u K 1 / (kn mm - 1 ) 正向 HBF 1 反向 正向 HBF 2 反向

5 536 西南交通大学学报 表 3 中 :P cr δ cr 分别为开裂荷载及开裂位移 ; P y δ y 分别为屈服荷载及屈服位移 ;P m δ m 分别为峰值荷载及峰值位移 ;P u δ u 分别为极限荷载及极限位移 ;u 为延性系数 ;K 1 为初始刚度. 从表 3 可知 : 模型 HBF 1 初始刚度略大于模型 HBF 2, 表明洞口在初期受力阶段可略提高空心砖填充墙框架的初始刚度, 但影响有限. 模型 HBF 1 峰值荷载最大 ( 正向加载 P m = kn),hbf 2 峰值荷载较小 ( 正向加载 P m = kn),hbf 1 峰值荷载比 HBF 2 大 72% 骨架曲线试验模型的骨架曲线如图 5 所示, 由图 5 可知, 在初始阶段, 模型 HBF 1 的初始刚度与模型 HBF 2 基本接近. HBF 1 骨架曲出现了急剧下降段, 而模型 HBF 2 骨架曲线发展更为缓和, 说明门窗洞口较大地削弱了填充墙的 斜撑 作用, 降低了结构抗侧承载力. Fig. 6 图 6 模型等效粘滞阻尼系数 Equivalent viscous damping coefficients 第 52 卷 2. 5 承载力衰减承载力衰减反应承载力降低性能, 为同一级位移加载下各次循环所得荷载降低系数 λ 1, 峰值荷载时,λ 1 如图 7 所示. 由图 7 可知, 模型 HBF 2 的降低系数 λ 1 大于模型 HBF 1, 说明带洞口的填充墙 RC 框架能较快地减慢抗侧承载力的衰减, 进一步抵御水平荷载能力下降. Fig. 5 图 5 模型骨架曲线 Skeleton curves of specimens 2. 3 位移延性模型极限荷载下降 15% 时的位移定义为极限位移, 延性系数为极限位移与屈服位移的比值, 即 u = δ u / δ y, 延性系数见表 3. 由表 3 可知, 模型 HBF 2 的延性系数明显大于模型 HBF 耗散能力图 6 为模型的等效粘滞阻尼系数 h e 变化情况. 由图 6 可知 : (1) 当加载的层间位移角小于 1. 00% 时, 模型 HBF 1 的等效粘滞阻尼系数总体上呈持续增加的趋势, 而模型 HBF 2 的等效粘滞阻尼系数呈现先增大 后减小的趋势. 当加载超过层间位移角 1% 时, 两模型的等效粘滞阻尼系数平稳增加. (2) 模型 HBF 1 包围的滞回环面积明显比模型 HBF 2 大, 表明门窗洞口降低了结构耗能能力, 完全填充的填充墙 RC 框架具有良好的耗能能力. 图 7 峰值荷载时荷载降低系数 Fig. 7 Bearing capacity attenuation at peak load 2. 6 刚度退化定义 β = K / K y 为刚度退化系数, 其中 :K 为割线刚度 ;K y 为屈服时割线刚度. 以 δ / δ y 为横坐标,β 的变化见图 8, 其中 :δ 为结构位移. 图 8 模型刚度退化曲线 Fig. 8 Rigidity degradation curves

6 第 3 期 苏启旺, 等 : 空心砖填充墙 RC 框架抗震性能足尺试验研究 由图 8 可知 : 当 δ / δ y < 4 时, 两模型的刚度退化程度基本趋近 ; 当其值大于 4 时, 模型 HBF 2 刚度退化程度的斜率变小. 3 洞口对抗侧承载力的影响大量的试验表明 [11 15] 洞口能够削弱结构抗侧 承载力, 以本次试验数据为基础, 结合其它国内外 Yanez 等 (2004) [11] Pat. 3 CB2 表 4 Tab. 4 学者所做的单层单跨填充墙 RC 框架试验数据, 研究洞口对填充墙 RC 框架峰值荷载 初始刚度的折减规律. 这些试验数据模型具有相同的基本特征 : 单层单跨 RC 框架和洞口 ( 窗洞 门洞 ) 规则. 其它所引用的试验数据详见表 4, 其中 :h 为填充墙高度 ;l 为填充墙长度 ;h 0 为洞口高度 ;l 0 为洞口长度. 试验模型的基本情况和试验结果 Specimen details and test results 作者试件名称填充墙材料洞口形式框架类别 h / m l / m h 0 / m l 0 / m P m / kn K 1 /(kn mm ) - 1 Pat. 1 CB1 完全填充 Pat. 2 CB1 混凝土窗洞 Pat. 1 CB2 砌块完全填充混凝土 Pat. 2 CB2 窗洞框架 Kakaletsis [5,6,13] (2007 / 2008 / 2009) 程俊涛, 唐兴荣 [14] (2012) Ali [15] (2013) Pat. 1 BB1 Pat. 2 BB1 Pat. 3 BB1 Pat. 1 BB2 Pat. 2 BB2 Pat. 3 BB2 S WO2 WO3 WO4 DO2 DO3 DO4 IS IWO2 IDO2 MWF 11 MWFO 11 MWFO 12 S RWO LWO 空心砖 空心砖 陶瓷砌块 窗洞完全填充窗洞窗洞完全填充窗洞窗洞 完全填充窗洞窗洞窗洞门洞门洞门洞 完全填充窗洞门洞 完全填充混凝土砌块门洞门洞完全填充空心砖窗洞窗洞 3. 1 洞口对 RC 框架极限抗侧承载力的影响将上述统计得到的试验结果共划分为 19 组, 再结合本文试验来研究洞口对 RC 框架极限抗侧承载力的影响, 定义系数 R p 为带洞口填充墙 RC 框架的峰值荷载相对完全填充的 RC 框架峰值荷载折减的大小, 其表达式为 R p = P mo / P mf, (1) 式中 : P mo 为带洞口的 RC 框架的峰值荷载 ; P mf 为完全填充的 RC 框架的峰值荷载. 其中 P mf 按下式计算 [16]: P mf = 2η (M u / l co )+ η λf vk A w, (2) 式中 : M u 为框架单柱截面所承担的极限弯矩 ; l co 为柱的计算高度, 取柱塑性铰间的距离 ; f vk 为砌体填充墙的抗剪强度 ; A w 为砌体填充墙的水平截面面积 ; λ 为墙体修正系数, 实体墙取 1. 25; η 为加载系数, 反复水平加载取 0. 88, 单向加

7 538 西南交通大学学报 载取 1. 0 [16]. 定义 m 为开洞面积率, 其表达式为 m = A o / A p, (3) 式中 : A o 为洞口的竖向截面面积 ; A p 为含洞口在内的填充墙的竖向截面面积. 基于收集的试验数据, 可得到系数 R P 的分布规律, 见图 9. 图 9 Fig. 9 RC 框架极限抗侧承载力折减系数 Strength reduction factor of RC frame 故可得到 R p 的统计计算表达式为 R p = m (4) 3. 2 洞口对 RC 框架初始刚度的影响定义系数 R k 为带洞口的填充墙 RC 框架的初始刚度相对完全填充的 RC 框架的初始刚度折减的大小, 其表达式为 R k = K 1o / K 1f, (5) 式中 : K 1o 为带洞口的填充墙 RC 框架的初始刚度 ; K 1f 为完全填充的 RC 框架的初始刚度, 按框架和填充墙刚度叠加计算. 同理, 可得到初始刚度的折减系数规律, 见图 10. 图 10 RC 框架初始刚度折减系数 Fig. 10 Stiffness reduction factor of RC frame 由图 10 可知, 随着开洞面积率的增加, 抗侧承载力和初始刚度的折减系数越小. 故 R k 计算表达 第 52 卷 式为 R k = m (6) 4 结论通过对 2 榀足尺空心砖填充墙 RC 框架抗震性能试验研究和统计分析, 得到主要结论如下 : (1) 空心砖填充墙 RC 框架结构呈现强柱弱梁的破坏模式. 带洞口填充墙 RC 框架的抗侧承载力 初始刚度均比与完全填充的填充墙 RC 框架小. (2) 合理洞口设置可增加结构变形能力. 当结构的层间位移角小于 1% 时, 洞口能够明显减轻框架内填充墙体的破坏程度. 因此适当增设洞口有利于减轻填充墙体的破坏. (3) 给出了洞口对填充墙 RC 框架抗侧峰值荷载 初始刚度的折减系数计算方法, 随着开洞面积率的增加, 折减系数越小. 参考文献 : [1] 郭子雄, 吴毅彬, 黄群贤. 砌体填充墙框架结构抗震性能研究现状 [J]. 地震工程与工程震动,2008, 28(6): GUO Zixiong,WU Yibin,HUANG Qunxian. Research and development in seismic behavior of infilled frame structures[j]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2008,28(6): [2] 关国雄, 夏敬谦. 钢筋砖填充墙结构抗震性能的研究 [J]. 地震工程与工程震动,1996, 16(1): KWAN K H,XIA Jingqian. Study on seismic behavior of brick masonry infilled reinforced concrete frame structures[j]. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration,1996,16(1): [3] 清华大学, 西南交通大学, 北京交通大学土木工程结构专家组. 汶川地震建筑震害分析 [J]. 建筑结构学报,2008,29(4):1 9. Civil and Structural Groups of Tsinghua University, Southwest Jiaotong University and Beijing Jiaotong University. Analysis on seismic damage of building in the Wenchuan earthquake [J]. Journal of Building Structures,2008,29(4):1 9. [4] 赵世春, 刘艳辉, 寇举安, 等. 延性与脆性结构的抗震能力储备初探 [J]. 西南交通大学学报,2009, 44(3): ZHAO Shichun, LIU Yanhui, KOU Ju an, et al. Preliminary research on seismic capacity reserve for

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