页岩烧结保温砌块框架填充墙平面外振动台试验研究

第一作者浮广明男，博士，1985年10月生

通信作者权宗刚男，博士，教授级高级工程师，1976年7月生

页岩烧结保温砌块框架填充墙平面外振动台试验研究

浮广明1，白国良2，权宗刚1,2，肖慧1，王辉3，余青2

(1.西安墙体材料研究设计院，西安710061； 2.西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055；3.新疆凯乐新材料有限公司，乌鲁木齐830009)

摘要：利用4片足尺单层单跨页岩烧结保温砌块框架填充墙试件平面外模拟地震试验，研究在El-Centro波、Taft波、天津宁河波及Double El-Centro波等地震波作用下试件反应特点；通过频率、加速度、位移、钢筋应变反应分析填充墙与框架结构间连接构造措施对试件平面外地震反应影响。结果表明，试件墙梁或墙柱刚性连接较柔性连接频率下降慢，加速度放大系数及位移小，试件平面外地震反应小；用两条拉结带试件可明显减小其平面外地震反应。通过综合加权平均法正交分析知，对框架填充墙平面外地震反应影响因素中拉结带数量影响最大，其次为墙梁连接方式，最后为墙柱连接方式。两条拉结带、墙梁及墙柱均采用刚性连接方案试件平面外地震反应最小。

关键词：页岩烧结保温砌块；框架填充墙；振动台试验；平面外地震反应；刚性连接；柔性连接

基金项目：国家科技支撑计划课题(2011BAJ04B01，2011BAJ04B01-2，2011BAJ08B05-4，2012BAJ19B04-02)；陕西省科技计划项目(2010KJXX03)

收稿日期：2014-08-15修改稿收到日期：2014-09-30

中图分类号:TU364; TU317.1

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.20.007

Abstract:Out-of-plane shaking table experiments on a model structure consisting of 4 full scale frame infilled walls with shale fired heat-insulation block were carried out and its response characteristics were investigated under the simulative earthquakes of El-Centro wave, Taft wave, Tianjing wave and Double El-Centro wave. The influences of the construction measures between the filling wall and frame structure on the out-of-plane seismic responses of the model structure, such as the frequency, acceleration, relative displacement and rebar strain response, were analysed. The results show that the frequency of the specimen with a wall-beam or wall-column rigid connection is reduced more slowly than that with a flexible connection, meanwhile the acceleration amplification coefficient and relative displacement become smaller, and using two binding belts can obviously reduce the out-of-plane seismic response of the model structure. By using the synthetic weighted mark method, the most influential factor on the out-of-plane seismic response of the frame infilled walls, is the number of binding belts, the type of wall-beam connection succeeds and then is the wall-column connection.

Out-of-plane shaking table experiments on frame infilled walls with shale fired heat-insulation block

FUGuang-ming1,BAIGuo-liang2,QUANZong-gang1,2,XIAOHui1,WANGHui3,YUQing2(1. Xi’an Research and Design Institute of Wall Roof Materials, Xi’an 710061, China;2. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;3. Xinjiang kaile new materials co., LTD, Urumqi 830009, China)

Key words:shale fired heat-insulation block; frame infilled wall; shaking table experiment; out-of-plane seismic response; rigid connection; flexible connection

结构抗震试验主要分拟静力试验、拟动力试验及模拟地震振动台试验三种[1]。模拟地震振动台试验将结构模型安装于振动台，通过振动台对结构输入实际地震波、人工波或正弦波等所受振动可较好再现地震荷载作用的结构动力响应、震害过程，并通过结构模型动力响应研究结构地震反应及破坏机理[2]。

历次震害结果表明，地震中往往主体框架结构部分尚未发生破坏或明显破坏时填充墙部分已出现较大破坏甚至整片墙体平面外甩出，直接造成人员伤亡及财产损失。因填充墙与框架结构间连接不足以抵抗所受平面外地震作用。而现有规范并未对框架填充墙平面外承载力计算及构造措施明确规定，导致诸多设计为避开平面内荷载下填充墙刚度、约束效应，采取填充墙与框架完全脱离的柔性连接，使在楼面加速度下填充墙像竖向悬臂梁在楼面摆动，对抗弯能力极差的无筋砌体墙体无疑难以承受[3-9]。

为深入研究页岩烧结保温砌块框架填充墙与框架梁、柱连接方式对其平面外地震反应影响，本文设计并制作4片足尺单层单跨页岩烧结保温砌块框架填充墙试件模拟地震振动台试验，分析页岩烧结保温砌块框架填充墙平面外反应特征，据频率、加速度、位移、钢筋应变反应分析寻求最优连接方式，使填充墙平面外反应小且对主体结构伤害最小。

1试验概况

1.1模型设计与制作

模型设计主要考虑拉结带数量(因素A)、墙柱连接方式(因素B)、墙梁连接方式(因素C)对填充墙平面外抗震性能影响。试验因素及水平见表1。据正交试验并结合经验设计正交表见表2。据正交表设计4个模型试件见表3。

表1　试验因素和试验水平

表2　正交试验表

表3　试件编号及类型

填充墙尺寸均为2900mm×2600mm×365mm,各试件尺寸及构造是图1。

试件框架柱截面尺寸为400 mm×400 mm，纵筋为12C20，箍筋为四肢箍A10@100；框架梁截面尺寸300 mm×400 mm，纵筋为3C20+5C22，箍筋为四肢箍A10@100；水平现浇带截面尺寸300 mm×60 mm，纵筋为2A10，拉结筋为A6@300，实验室现场制作。框架结构制作完成后砌筑填充墙并用粘浆法完成。砌筑时应保证墙体部分凸出框架柱、框架梁、水平拉结带及梁顶拉结块边缘60 mm，因实际工程的混凝土部分需外贴60 mm保温板，阻断混凝土部分热桥。模型试件见图2。

图1　试件设计尺寸及构造(单位：mm) Fig.1 The design size and construction measure of specimens

图2　最终试件 Fig.2 The final specimens

1.2材料性能

采用29排孔页岩烧结保温砌块，强度等级MU10，实测抗压强度11.4 MPa；专用砌筑砂浆强度等级M15，实测立方体抗压强度17.3 MPa；砌体抗压强度3.47 MPa，抗剪强度0.2 MPa[10]。框架梁、柱采用C30商品混凝土，实测立方体抗压强度35.2 MPa；水平拉结带及拉结块为人工搅拌混凝土，设计强度等级C20，配比见表4，实测立方体抗压强度21.3 MPa。每种类型钢筋均按标准[11]截取三根长500 mm试样进行单轴拉伸试验，实测各力学指标见表5。

表4　混凝土配合比

表5　钢筋力学性能指标

1.3加载方案及测点布置

试验在西安建筑科技大学结构与抗震重点实验室模拟地震振动台进行，振动台主要技术参数见文献[12]。以Ⅲ类场地El-Centro波为主全过程加载，而Taft波及天津宁河波仅在加速度峰值为0.05 g及0.10 g时施加，观察不同地震波对试件平面外反应影响，加载工况见表6。试验发现，地震波加至0.90 g时，填充墙未发生较大破坏；但由于振动台允许位移超限，无法继续加载，调整加载工况，将两个El-Centro无缝连接，即Double El-Centro波，继续对试件加载，探讨双长波对试件反应影响。

表6　加载工况

注：Double El-Centro波指的是输入无时间间歇的两个El-Centro波连接激励。

振动台面布设加速度传感器、位移传感器各1个监测其实际加速度及位移。试件测点见图3、图4。

图3　钢筋应变片测点布置 Fig.3 Measuring point arrangement of rebars

图4　加速度计、位移计测点布置 Fig.4 Measuring point arrangement of accelerometer and displacement meter

2试验现象

据振动台面尺寸，同时为节约试验成本、合理利用资源，将4个试件分两组加载，每加一级地震波后及时观察裂缝。

2.1试件KJ-1及KJ-2

通过白噪声扫描获得试件KJ-1、KJ-2自振频率为9.83 Hz及12.04 Hz；按加载工况对试件输入不同地震波，台面输入加速度峰值0.50 g前试件未见裂缝，此时2试件均处于弹性阶段。台面输入加速度峰值0.50 g的El-Centro波时KJ-2填充墙与地梁连接处出现细微长裂缝，而KJ-1未见裂缝。台面输入0.60 g的El-Centro波时KJ-1填充墙与地梁连接处出现细微裂缝，且框架柱底现两条微裂缝；此时KJ-2填充墙底部裂缝向左、右延长，但裂缝宽度较小，且左侧柱底现大量细微裂缝，右侧柱底裂缝较少。台面输入0.70 g的El-Centro波时KJ-1原填充墙底部裂缝不断延长，宽度基本无变化，右侧柱底现长90 mm裂缝；KJ-2原填充墙底部裂缝未发展，新增裂缝主要在框架柱底。台面输入0.80 g的El-Centro波时KJ-1原底部裂缝继续延长但仍未与柱底裂缝连通，而KJ-2原底部裂缝与柱底裂缝连通。台面输入0.90 g的El-Centro波时KJ-1及KJ-2底部裂缝基本贯通，频率分别下降至8.72 Hz及10.04 Hz。Double El-Centro波工况下原裂缝不断变宽，柱底裂缝贯通，除底部裂缝外其它灰缝或砌块未产生裂缝，2试件墙梁、墙柱连接处钢筋应变较小。试验加载完成时频率分别下降至8.10 Hz及9.52 Hz。KJ-1、KJ-2最终裂缝形式见图5。

图5　试件KJ-1和KJ-2最终裂缝 Fig.5 Final crack of KJ-1 and KJ-2

2.2试件KJ-3及KJ-4

进行白噪声扫描获得KJ-3、KJ-4自振频率为11.43 Hz及12.15 Hz。台面输入0.60 g的El-Centro波前试件未见裂缝，此时两试件均处于弹性阶段。台面输入0.60 g的El-Centro波时KJ-3第一条水平拉结带与上部砌块间灰缝出现1条细微短裂缝，而KJ-4完好。台面输入0.70 g的El-Centro波时KJ-3两侧柱底现少量细微裂缝；KJ-4第一条水平拉结带与上部砌块间灰缝处出现1条细微短裂缝，两侧柱底现大量细微裂缝。台面输入0.80 g的El-Centro波时KJ-3第一条水平拉结带与上部砌块间灰缝新增1条细微短裂缝，KJ-4两侧框架柱底裂缝延伸并变宽。台面输入0.90 g的El-Centro波时两试件填充墙与地梁连接处现细微长裂缝，且柱底裂缝均变宽，试件频率分别下降至9.66 Hz及10.94 Hz。台面输入0.60 g的Double El-Centro波时两试件底部裂缝开始延长，但宽度仍较小。

台面输入0.80 g的Double El-Centro波时两试件底部裂缝继续延长，两侧柱底裂缝进一步发展，但底部裂缝未贯通。台面输入0.90 g的Double El-Centro波时KJ-3正面底部裂缝向右延伸，墙体背面底部两条裂缝连通，柱底裂缝进一步发展；KJ-4墙体底部、柱底裂缝继续延伸，但未连通。试验加载完成时最终频率分别下降至8.91 Hz及10.09 Hz。KJ-3、KJ-4最终裂缝形式见图6。

图6　试件KJ-3和KJ-4最终裂缝 Fig.6 Final crack of KJ-3 and KJ-4

3试验结果及分析

试验数据处理均采用matlab程序，数据分析时对所测数据进行预处理，包括消除趋势项、平滑处理、滤波及峰值调整[13]。

3.1频率

据白噪声扫描结果，以各测点加速度反应对台面加速度反应作传递函数，所到试件经历不同地震波激励后频率[14]见表7。

表7　试件频率

为对比各试件频率变化规律及不同构造措施对试件频率变化影响，绘制各试件频率变化及下降率见图7、图8。由两图8看出，①地震波加至0.20 g时4个试件振动频率较前期基本无变化，即未见裂缝，试件基本无损伤，变形仍处于弹性阶段。②加至0.50 g时KJ-2频率下降较明显，其余3个试件频率基本无变化。此时KJ-2填充墙底部与地梁接触部位砂浆现细微裂缝，其余3试件基本完好，说明KJ-2已进入弹塑性变形状态。③加至0.90 g时4个试件频率均出现明显下降，即均出现不同程度裂缝，致结构频率下降。④在4次Double El-Centro波加载中频率下降幅度不大，说明双长地震波对结构破坏无明显作用。⑤填充墙与框架梁连接方式对试件频率变化影响较明显，KJ-1、KJ-4为墙梁刚性连接，KJ-2、KJ-3为墙梁柔性连接，比较KJ-1与KJ-3、KJ-2与KJ-4知，墙梁刚性连接频率下降速度较柔性连接慢，因墙梁刚性连接较柔性连接拱机制作用强，刚度下降较慢。⑥填充墙与框架柱连接方式对试件频率变化影响不明显，比较KJ-1与KJ-4、KJ-2与KJ-3知，墙柱之间无论刚性连接或柔性连接，频率变化基本一致。

图7 频率Fig.7Frequency图8 频率下降率Fig.8Frequencydecreaserate

3.2模型加速度反应

3.2.1El-Centro波作用下模型加速度反应

以台面峰值加速度为基准，求得各测点不同加载工况加速度放大系数。试件KJ-1的加速度放大系数见图9、图10，其余3试件类似。由两图10看出，沿试件框架柱底至柱顶、填充墙底至墙顶，加速度放大系数不断增大，且增速愈快。

图9　框架柱加速度放大系数 Fig.9 Acceleration amplification coefficient of frame column

图10　填充墙加速度放大系数 Fig.10 Acceleration amplification coefficient of infilled wall

为对比不同试件在同一部位加速度放大系数差别，以墙中、墙顶加速度放大系数为例进行说明，见图11、图12。对比图11、图12看出，①随台面输入El-Cenro波加速度峰值增大，试件加速度放大系数先增大后减小。因加载前期试件处于弹性阶段，无明显损伤或裂缝出现；有明显损伤或裂缝后继续加载，试件内部损伤不断积累，致刚度下降、自振周期变大，使加速度放大系数减小。②增大台面输入Double El-Cenro波加速度峰值，各测点加速度放大系数逐渐减小。因施加Double El-Cenro波时试件已现裂缝，增加峰值使裂缝不断扩展，损伤加剧，导致加速度放大系数减小。③同一台面加速度峰值作用下KJ-3与KJ-4较KJ-1与KJ-2加速度放大系数小，说明具有两条拉结带较一条拉结带试件平面外加速度反应小。④KJ-1加速度放大系数较KJ-2小，说明墙梁刚性连接较墙柱刚性连接更易减小墙体平面外地震反应。⑤KJ-3加速度放大系数较KJ-4大，说明墙柱、墙梁均为刚性连接试件平面外地震反应明显小于四周柔性连接试件。

图11　墙中加速度放大系数 Fig.11 Acceleration amplification coefficient in the middle of wall

图12　墙顶加速度放大系数 Fig.12 Acceleration amplification coefficient in the top of wall

3.2.2不同地震波作用对模型加速度反应影响

4个试件在El-Centro波、Taft波及天津宁河波加载工况下墙底、墙中、墙顶及梁中加速度放大系数见表8。

由表8看出，总体上El-Centro波作用下试件加速度反应略大于Taft波、天津宁河波，表明El-Centro波对试件平面外地震反应更明显，因El-Centro波蕴含能量大于后者，故对试件加速度反应较显著，说明本试验将El-Centro波作为主线较合理。

3.3模型位移反应

以各试件地梁峰值位移为基准，求得不同加载工况下填充墙各测点峰值相对位移，试件KJ-1相对位移见图13，其余类似。由图13看出，无论El-Centro波或Doubule El-Centro波作用，随台面加速度峰值增加，4个试件各测点相对位移均明显增大。在同一台面加速度峰值作用下，4个试件变形曲线呈剪切形，且同一试件从墙底到墙顶相对位移变大，增速减慢。

表8　不同地震波作用加速度放大系数对比

图13　填充墙相对位移 Fig.13 Relative displacement of infilled wall

为对比不同试件在同一部位相对位移的差别，以墙中、墙顶相对位移为例进行说明，见图14、图15。由两图看出，①在El-Centro波作用下，台面峰值加速度在0.30 g前4个试件相对位移相差不大；台面峰值加速度在0.30 g后KJ-1、KJ-2位移增速较KJ-3、KJ-4快，说明两条拉结带能有效约束墙体平面外变形，减小试件平面外地震反应。②对比KJ-1、KJ-2知，在El-Centro波作用下台面加速度峰值在0.60 g后，KJ-1相对位移较KJ-2小，说明墙梁刚性连接较墙柱刚性连接更易减小墙体平面外地震反应。③对比KJ-3、KJ-4知，在El-Centro波作用下二者在0.60 g前位移基本一致；0.60 g后KJ-3位移增速较快，说明四周柔性连接较刚性连接在试件开裂后平面外地震反应下降明显。

图14　墙中相对位移 Fig.14 Relative displacement in the middle of wall

图15　墙顶相对位移 Fig.15 Relative displacement in the top of wall

3.4模型反应正交分析

为能定量分析试验设计中三因素两水平对试件平面外地震反应影响，本文在正交试验分析基础上利用综合加权评分法[15]将多指标转化为单指标，取权重系数为1，分别对试件加速度、位移反应进行正交分析，获得影响试件平面外地震反应的主次要因素。

3.4.1加速度反应正交分析

用综合加权评分法对El-Centro波在不同加载工况下试件加速度放大系数进行评分，见表9、表10。

表9　墙中加速度放大系数正交分析表

3.4.2位移反应正交分析

据El-Centro波在不同加载工况下试件位移反应数据，用综合加权评分法对该工况下位移反应进行评分。因0.80 g后KJ-3相对位移发生突变，即将发生破坏，与其它3试件已不处于同一受力状态，故舍去0.90 g数据，墙中、墙顶相对位移正交分析见表11、表12。

表10　墙顶加速度放大系数正交分析表

表11　墙中相对位移正交分析表

表12　墙顶相对位移正交分析表

由表9～表12看出，①通过极差R，在影响墙中、墙顶加速度及相对位移反应因素中，A影响最大，C其次，B最小。说明拉结带数量对填充墙平面外地震反应影响最大，其次为墙梁连接方式，墙柱连接方式最小。其中墙梁连接优于墙柱连接原因在于结构反应一般自底向上呈逐渐变大趋势，墙梁连接处结构反应最大，在该处采用可靠连接可明显约束墙体平面外变形，减小地震反应。②为使试件平面外地震反应最小，可使各部分加速度放大系数及相对位移最小，因此最优连接方式为A2C2B2，即采用两条拉结带、墙梁及墙柱均为刚性连接方案试件具有最小平面外地震反应。因刚性连接方案可明显增加墙体平面外刚度，从而减小试件自振周期，使其反应减小。

3.5钢筋应变

整个加载过程中，或墙柱水平拉结带或墙梁拉结块钢筋应变均未达到峰值，在Taft波、天津宁河波作用下由于二者加速度峰值较小，对应钢筋应变均较小，故变化不明显。而Double El-Centro波加载工况下，钢筋应变与相同加速度峰值大小对应的El-Centro波作用下应变较接近。因此，本文仅针对El-Centro波各加载工况下钢筋应变进行分析。

3.5.1墙与柱水平拉结带拉结筋钢筋应变

墙与柱拉结主要通过水平拉结带实现，4个试件在不同加载工况下水平拉结带钢筋应变见表13。

表13　拉结带钢筋应变

为对比4个试件拉结带钢筋应变变化规律，本文取测点1为对比点，分别绘制试件拉筋应变在不同工况下的变化见图16。由图16看出，随台面加速度峰值不断增加，测点1钢筋应变逐步变大。拉结筋应变从大到小依次为KJ-2、KJ-3、KJ-1、KJ-4，且KJ-2、KJ-3明显大于KJ-1、KJ-4，KJ-2、KJ-3处于同一级别，KJ-1、KJ-4处于同一级别，说明墙梁的连接方式对墙柱拉结带钢筋受力影响最明显，前者墙梁属柔性连接，后者属刚性连接，刚性连接使试件形成拱机制作用，有效约束平面外变形，减小拉结带受力，从而使拉结筋应变明显小于柔性连接。

为分析拉结带钢筋应变沿竖向的变化，分别绘制KJ-3、KJ-4拉结带钢筋应变，见图17。由图17看出，沿墙体从下向上拉结带钢筋应变呈增加趋势，尤其当台面加速度峰值达0.40 g后二者差别更明显，说明第二条拉结带钢筋对墙体平面外地震反应作用更明显。

图16 测点1拉结筋应变图Fig.16Bindingrebarsstrainofmeasuredpoint1图17 拉结筋应变竖向变化图Fig.17VerticalvariationofBindingrebarsstrain

3.5.2墙与梁拉结块拉结筋钢筋应变

4个试件墙与梁均设置同样间距的拉结块，并用同样的拉结筋与梁进行可靠拉结，根据试验结果得到不同加载工况下拉结块钢筋应变，见表14。

表14　拉结块钢筋应变

由于测点3、4对称，本文选测点3钢筋应变对比分析。绘制4个试件测点3钢筋应变见图18。由图18看出，随台面加速度峰值不断增加，各试件拉结块拉筋钢筋应变逐步变大。钢筋应变从大到小依次为KJ-3、KJ-2、KJ-1、KJ-4，且在0.15 g后，钢筋应变差别逐渐变大，且KJ-1、KJ-4明显小于KJ-3、KJ-2。说明墙梁刚性连接使拉结块拉结筋受力较小，墙与梁间砂浆承担大部分力，使试件形成有效拱机制作用，可有效约束墙体平面外变形，减小墙体平面外地震反应。

图18　拉结块钢筋应变图 Fig.18 Rebars strain of binding block

4结论

(1)墙梁刚性连接较柔性连接拱机制作用强、频率下降慢、拉结筋应变小、墙体平面外刚度大；墙柱间刚性或柔性连接，频率变化基本一致。

(2)随台面加速度峰值增大，试件各测点加速度放大系数均先增大后减小、相对位移及拉结筋应变持续增加；在同一台面加速度峰值作用下沿试件底部至顶部，加速度放大系数、相对位移及拉结带拉结筋应变增大，且4个试件变形曲线呈剪切形。

(3)对框架填充墙平面外地震反应影响因素中，拉结带数量影响最大，其次为墙梁连接方式，最小为墙柱连接方式。两条拉结带、墙梁及墙柱均采用刚性连接方案时平面外地震反应最小。

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