黃 靚，易楚軍，吳志維，高 翔，陳勝云

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 2.成都基準方中建筑設計事務所，四川 成都 610017；3.深圳中海建筑有限公司，深圳 518001；4.金地集團深圳公司，深圳 518048）

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成，并在墻體之間設置保溫隔熱材料和拉接件，即為復合節(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、保溫和圍護功能，近年來在我國北方地區(qū)也得到了較廣泛的應用，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］.已有學者對夾芯墻在較低的豎向壓應力下的抗震性能、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，但對提高墻體的強度作用不大；設置了芯柱或構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，以上研究者的試驗研究中荷載作用點均為夾芯墻墻體截面形心（見圖1（a））.

圖1 墻體試件的荷載作用點Fig.1 Loading point of specimens

本試驗主要是研究夾芯墻應用于實際工程時的性能.在實際建筑工程中，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）），進行了4片墻體的水平低周反復加載試驗.

1 試驗概況

1.1 試件的設計與制作

試件的內(nèi)葉墻所用砌塊為標準混凝土小型空心砌塊，尺寸為390mm×190mm×190mm.外葉墻采用燒結(jié)頁巖磚，尺寸為240mm×90mm×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驗室設備規(guī)模后，設計參數(shù)見表1，采用的鋼筋強度見表2.

內(nèi)、外葉墻間距40mm.內(nèi)葉墻孔洞灌滿混凝土，并設置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錨固.每兩皮砌塊設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.

表1 試件的主要設計參數(shù)Tab.1 Main design properties of specimens

表2 試件中鋼筋的強度Tab.2 Strength of steel reinforcement

圖2 墻體試件所用塊體Fig.2 Blocks used in specimens

圖3 鋼筋布置Fig.3 Position of steel reinforcement

圖4 試件的拉接筋形式Fig.4 Form of tie bars

1.2 試驗方案

1.2.1 加載裝置

試驗在湖南大學教育部安全與節(jié)能重點實驗室完成.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室的地槽里；為了防止在試驗過程中試件發(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 500kN，可信量程為1 200kN，架設在承載力為1 000kN的鋼架上.試驗裝置見圖5.

圖5 試驗加載裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram for test set－up

1.2.2 測點布置

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

1.2.3 加載方案

在進行水平加載之前，對試件進行豎向加載并測量內(nèi)、外葉墻的應變.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.

圖6 水平荷載加載制度Fig.6 Horizontal load history

1.3 試驗過程及現(xiàn)象描述

1.3.1 豎向加載試驗

對試件進行分級豎向加載，測量內(nèi)、外葉墻的應變，結(jié)果見圖7，圖中內(nèi)、外葉墻的應變是通過對墻面上兩個測點的應變?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.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)計算分析，由于整個構件處于偏心受壓，外葉墻所在一側(cè)的軸力產(chǎn)生壓應力小于由等效彎矩產(chǎn)生的拉應力）；并且隨著豎向荷載的增加，內(nèi)葉墻的應變增長速度大于外葉墻的應變增長速度.

圖7 試件的豎向應變Fig.7 Vertical strain of specimen

1.3.2 低周反復加載試驗

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

圖8 試件W1的破壞圖Fig.8 Failure picture of specimen W1

圖9 試件W2的破壞圖Fig.9 Failure picture of specimen W2

圖10 試件W3的破壞圖Fig.10 Failure picture of specimen W3

圖11 試件W4的破壞圖Fig.11 Failure picture of specimen W4

表3 試件的變形性能指標Tab.3 Deformation capacity index of specimens

試驗中試件破壞的特點是：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.

與文獻[10］中的單片配筋混凝土小砌塊剪力墻的試驗現(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，當試驗荷載較小時，滯回環(huán)狹長，接近于直線，說明此時試件基本呈彈性；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Fig.14 Hysteretic curves of interior wall of W3

圖15 試件W4內(nèi)葉墻滯回曲線Fig.15 Hysteretic curves of interior wall of W4

將試件在推、拉兩個方向的力與位移進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試件的延性性能，其計算式如式：

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)葉墻單獨承重的夾芯墻承載力分析

試驗中夾芯墻試件是由內(nèi)葉墻直接承受荷載，試驗現(xiàn)象也說明外葉墻的損壞輕微，因此，本文認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)構設計規(guī)范》[11］中配筋砌體剪力墻抗剪強度平均值計算公式為：

式中：λ為計算截面的剪跨比；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度平均值；Nk為計算截面的軸壓力；fg，m為砌體抗壓強度平均值；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）計算的試件抗剪承載力值與試驗中試件抗剪承載力實測值的對比結(jié)果見表4.

表4 試件內(nèi)葉墻的抗剪承載力Tab.4 Shear－carrying capacity of inner wythes of specimens

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

1）本試驗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；

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；

3）如前文所述，本文所研究的試件中，將標準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，故而承載力也相應提高.

同時由表4也可以看出，高寬比越大的構件，該比值越大，這是由于隨著高寬比的增大，構件逐漸呈現(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

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

圖17 拉接筋應變片布置Fig.17 Strain measuring position of tie bars

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，試件W3的拉接筋應變明顯大于試件W2的拉接筋應變.這表明矩形拉接筋的作用要強于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變明顯增大，可以看出拉接筋對增強內(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)片應變較小.

圖18 試件W3的拉接筋應變Fig.18 Strain of tie bars of specimen W3

圖19 試件W2的拉接筋應變Fig.19 Strain of tie bars of specimen W2

5 結(jié) 論

1）當豎向荷載作用于內(nèi)葉墻時，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”；其內(nèi)葉墻的恢復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算結(jié)果（采用規(guī)范條文說明中的公式計算）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.

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