带节能砌体填充墙的RC框架抗震试验研究.doc

1、1带节能砌体填充墙的 RC 框架抗震试验研究摘要：为了研究带节能砌体填充墙的 RC 框架抗震性能，本试验设计了两个两层单跨的 RC 框架结构模型，分别为带填充墙的 RC 框架和不带填充墙的空框架，并对其进行了拟静力试验.对带填充墙的 RC 框架的裂缝开展进行了描述，研究了试件的滞回特性、骨架曲线、刚度退化和强度退化，并和空框架进行了对比分析.分析结果表明：填充墙能够提高框架的承载能力和抗侧刚度，但是相应地降低了框架结构的延性；填充墙的存在使得框架结构的强度和刚度退化加快，然而，带填充墙框架的极限刚度仍然较大，表现出较强的抗倒塌能力. 关键词：框架；节能；砌体；填充墙；拟静力试验；抗震性能 中图

2、分类号：TU375.4 文献标识码：A 填充墙作为框架结构中的非结构构件，设计中并未充分考虑其对框架结构的影响，然而，其对框架结构抗震性能的影响却不容忽略1-4.国内外研究者在这方面做了重要的工作3，5-7，其中土耳其的 Marjani等人使用低周反复荷载对 6 个两层单跨带填充墙的框架进行了试验和有限元模拟研究.研究表明：填充墙能够极大地提高框架的强度和刚度.黄群贤等人对 4 榀单层单跨填充墙 RC 平面框架试件进行抗震性能试验，试验表明：不同砌块填充墙对框架结构具有明显的刚度效应.研究者主要针对平面框架进行研究，对带填充墙的三维立体框架（以下简称立体框架）研究较少，而立体框架充分反应了平面

3、框架之间的受力协调能力，其受2力机制能够更好地代表整体结构的特性，因此对立体框架的进一步研究很有必要.墙体节能在建筑节能中占有重要的地位，因此节能砌块被选为本文的墙体材料.本文对带节能砌体填充墙（以下简称填充墙）的框架结构与空框架进行对比试验研究，从而得到节能砌体填充墙对框架结构的滞回特性、承载力、抗侧刚度以及强度的影响规律，并从受力机制方面揭示了节能砌块填充墙与框架的共同工作原理. 1 试验概况 1.1 试件设计与制作 试件设计参考抗震设计规范 （GB500112010）8的要求，共设计了 2 个单跨立体框架，其中一个为不带填充墙的空框架，另一个为带填充墙的 RC 框架，编号分别为 CF1

4、和 CF2.试件 CF2 研究带填充墙框架结构的抗震性能，试件 CF1 用作对比. 试件根据相似理论按照 14 比例缩尺设计而成.两试件的框架部分几何尺寸及配筋完全相同，柱截面尺寸为 150 mm150 mm，梁为 70 mm100 mm，基础采用 0.4 m 厚的底板，板平面尺寸为 2.0 m2.0 m，砌体与框架柱之间每隔 600 mm 配置了 2A6 的拉筋，框架几何尺寸及截面配筋如图 1 所示. 梁柱纵筋、箍筋均采用 HRB335，考虑试件为缩尺模型，钢筋强度按略低于混凝土结构设计规范 （GB500102010）9的要求进行设计，混凝土强度为 C30，材料实测力学性能见表 1，砌块采用

5、多排孔节能砌块，砌块标准块型几何尺寸为 190 mm190 mm115 mm，强度等级采用MU5，单块砌块的抗压强度为 6.5 MPa，砂浆立方体抗压强度为 4.6 3MPa，考虑模型缩尺的影响，砌块厚度切割成标准块厚度的 1/4，模拟1/4 砌体墙厚，多排孔节能砌块砌体如图 2 所示. 1.2 试验方案 1.2.1 测点布置与数据采集 试件的位移测点设在底板、1 层和 2 层层顶，底板和 1 层各布置了两个量程为 50 mm 的位移计，2 层布置了两个量程为 100 mm 的位移计，每层的侧向位移取两个位移的平均值，在各层的关键部位设置了钢筋电阻应变片，柱的应变片布置在各层的柱底与柱顶，梁的

6、应变片布置在梁的两端. 试验过程中的量测仪器主要为 DH3818 静态应变采集仪，可读取应变片的应变值及位移传感器的量测数值，加载作动器的水平位移、水平荷载由电伺服加载系统（MTS）测得，并利用采集的荷载和顶点位移数值绘制试件的滞回曲线.试验中，人工观察裂缝出现时对应的力和位移，及时标注在试件上的相应位置. 1.2.2 加载装置 加载装置见图 3，图 3 两试件均采用同样的加载装置.试件底板水平方向用千斤顶和钢梁固定，竖直方向由钢压梁和地脚螺栓固定.竖向荷载由液压千斤顶加载，通过工字钢和混凝土顶梁把荷载平均分配到各框架柱的顶部；水平荷载由量程为 1 000 kN 的电液伺服作动器加载，通过钢梁

7、传递到试件上，在试件与钢梁之间用矩形钢垫块确保加载中心点位于第二层柱顶，拉力由圆钢拉杆传递. 1.2.3 加载方案 4本试验模拟 15 层混凝土框架结构的底部两层地震反应.加载方案参照建筑抗震试验方法规程 （JGJl01-96）10，首先施加竖向力，用以模拟上部 13 层的重力及楼屋面荷载.计算得到的柱轴压比约为 0.25，控制液压油泵，使得轴压比为 0.25，等竖向压力稳定后再进行水平预加载.试验的水平加载程序分为预加载和正式加载两个阶段，正式加载采用分级循环对称加（卸）载.在试件开裂前采用荷载控制加载，每级荷载循环一次，试件出现裂缝后，每级位移增量为一倍开裂位移，每级位移循环两次，直至试件

8、破坏或者降至最大荷载的 85%，终止试验. 2 试验过程 本试验主要研究的是带节能砌体填充墙框架结构的抗震性能，根据试验现象，试件破坏过程按照裂缝开展的特点可分为三个阶段：开裂阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段. 试件 CF1：当水平推力加到 57 kN 时，一层框架柱的柱底部出现一条微小的横向裂缝，此时的位移值为 6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为 6 mm.随着位移的进一步增大，在底层梁的端部开始出现了细小的裂缝.当位移加到 18 mm 时，二层柱顶出现裂缝，柱脚的裂缝进一步发展贯通.位移加到 20 mm 之后，荷载增长速度明显减慢，裂缝进一步发展，梁两端出现了大量的

9、裂缝.当位移加到 55 mm 时，水平荷载明显下降.此时，框架柱脚的混凝土有局部脱落的现象，继续加载，当最终荷载降为最大荷载的 85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时柱脚已经完全被压碎剥落，出现明显的破坏迹象，试件 CF1 停止加载.最终破坏如图 4 所示. 试件 CF2：当水平推力加到 118 kN 时，一层5框架梁端部及填充墙出现一条微小的斜裂缝，此时的位移值为 6 mm.之后改变加载制度，用位移进行控制，每一级位移的增量为 6 mm.随着位移的进一步增大，当位移加到 10 mm 时，二层柱顶以及梁中部出现裂缝，填充墙的裂缝进一步发展.位移加到 20 mm 之后，水平荷载明显下降，此

10、时，填充墙出现大量的阶梯型裂缝，同时一层柱中下部及二层柱顶也出现大量的裂缝.继续加载，当最终荷载降为最大荷载的 85%时，即认定框架已经达到了极限状态，此时填充墙出现较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎现象，试件 CF2 停止加载.最终破坏如图 5 所示. 3.3 刚度退化 在位移幅值不变的条件下，结构构件的刚度随反复加载的次数增加而降低的特性即为刚度退化.结构刚度的退化即为结构性能的退化.在试验过程中，裂缝的增多、位移的增大以及循环次数的增加都会导致结构刚度的退化，试验的刚度参照 建筑抗震试验方法规程10的割线刚度法进行计算，刚度退化试验结果见图 8 和表 3. 4 受力机制分析 从受力方

11、面分析，CF1 在承受水平推力时，由于水平力全部是由柱脚传给基础，框架柱的柱脚将产生较大的剪力和弯矩，而框架梁主要是受压以及梁柱节点的变形而产生较小的弯矩，因此，框架柱要先于框架梁屈服，同时也先破坏.CF2 在水平力的作用下，由于填充墙的支撑作用分担了部分水平力，从而提高了框架的承载能力，同时由于填充墙对框架的约束效应使得框架的变形能力变差.CF2 与 CF1 比较，从柱上的裂缝分布情况看，柱中下部裂缝明显增多，且柱脚并没有出现明显的破坏迹象.6这主要是因为填充墙改变了框架柱的内力分布，使得框架的破坏从剪切型向弯曲型过渡，同时柱脚得到了保护，使得柱脚并未出现明显的破坏迹象.砌体抗剪强度大于砂浆

12、抗剪强度且砌体本身具有明显的脆性，因此试验中填充墙上出现了沿砂浆灰缝较宽的阶梯型裂缝，并有部分砌块出现压碎的现象. 5 结论 通过对两个框架结构的抗震试验研究，得出下列结论： 在 RC 框架结构中，节能砌体填充墙能够提高框架的承载能力，但是相应降低了框架结构的延性，其中试验中带砌体填充墙的框架承载力为空框架的 1.87 倍，延性系数只有空框架的 60%. 在同一位移条件下，带节能砌体填充墙的框架滞回曲线饱满，说明填充墙提高了框架的整体耗能能力，同时填充墙比框架先退出工作，为框架多提供了一道抗震防线，从而提高了框架的抗震能力. 节能砌体填充墙对框架的约束效应使得框架结构的侧移减小，从而保证框架的

13、侧移能够更好地满足规范要求，其中试验中结构的屈服位移、峰值位移和极限位移都下降了 40%左右. 节能砌体填充墙可以大幅度增加框架结构的初始刚度，试验中其初始刚度为空框架的 2.3 倍.虽然带填充墙的框架刚度退化较快，但是其极限刚度依然较大，仍具备较强的抗倒塌能力. 由于砌体的脆性特质以及填充墙的大量开裂，使得带节能砌体填充墙的框架强度退化较空框架严重，然而其强度退化系数始终保持在 0.9以上，说明其强度退化程度较小，因此可以推断，试件在破坏后仍保持7了较高的继续承载能力. 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与展望J.地震工程与工程震动，2008，28（6）：

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