夯土结构是我国西部地区村镇农房一种常用的形式, 夯土墙体是农房竖向承重的基本构件, 然而传统的夯土结构普遍未进行抗震设计, 结构整体性差, 抵御地震灾害的能力偏低, 地震时倒塌受损严重。随着“绿色生态”和“可持续发展”概念的提出, 夯土建筑因其造价低、易取材、良好的热工性能以及优异的可再生性, 仍有广阔的发展前景^[1,2,3]。

　　 近年来我国西北部绿色生土农房研究取得了较多成果。卜永红、王毅红等^[4]对内置绳网的承重夯土墙体进行抗震性能试验, 结果表明, 与传统夯土墙体相比, 内置绳网的承重夯土墙体的承载和变形能力更高, 抗震性能更强。李梁峰^[5]基于竹条网加固夯土墙进行抗震性能试验研究, 结果表明, 竹条网加固法能够有效提高夯土墙体的抗震性能, 其加固效果随加固竹条量的增加而显著增加。张又超、王毅红等^[6]对单面钢丝网水泥砂浆加固承重夯土墙体进行抗震性能试验, 结果表明, 采用钢丝网水泥砂浆面层加固可明显提高夯土墙体的承载能力和变形能力。

　　 村镇夯土建筑的震害损失增加和“绿色生态”概念的提出, 虽然促使国内外研究学者陆续对夯土建筑的抗震性能展开深入研究, 但基于新型构造措施的夯土墙体抗震性能研究相对较少, 本文主要通过在传统夯土建筑中设置新型构造措施, 以墙片为研究单元, 对采用不同新型构造措施夯土墙体的受力和抗震性能进行研究, 为新建夯土建筑设计提供合理依据。

　　 综合考虑各种夯土墙承重房屋的实际情况, 墙体原型尺寸定为4 800mm×3 300mm×480mm (长×高×宽) , 根据实验室条件, 试件采用1∶3缩尺比例设计, 夯土墙模型尺寸为1 600mm×1 100mm×160mm (长×高×宽) 。

　　 试验设计了四种墙体试件:不设置任何构造措施的普通夯土墙试件Q-1, 设置木构造柱和混凝土圈梁的夯土墙试件Q-2, 设置混凝土构造柱和混凝土圈梁的夯土墙试件Q-3, 设置混凝土构造柱、混凝土圈梁及拉结筋的夯土墙试件Q-4。试件尺寸及构造如图1所示。

　　 木构造柱^[7]采用较为常见的圆木, 尺寸为50mm×1 300mm (直径×高) , 埋入基础底梁200mm。混凝土构造柱尺寸为80mm×80mm×1 300mm (长×宽×高) , 采用C30普通混凝土, 埋入基础底梁200mm;纵向钢筋为46, 箍筋采用12#铁丝, 间距100mm。为防止圈梁与墙体发生相对滑移, 后浇圈梁采用“马牙槎”形式浇筑, 圈梁采用C30普通混凝土, 纵向钢筋采用26, 箍筋用12#铁丝, 间距180mm。构造柱和圈梁纵筋及箍筋配筋示意如图2所示, 图中d为直径。

　　 夯土墙制作时, 按照击实试验确定最优含水率配制夯土^[8], 采用专门设计的木模板, 分层支模, 逐层夯筑墙体, 每层铺设虚土200mm厚, 采用D9气动捣固机夯实至约100～110mm厚之间, 分层处用夯锤修边和开坑, 喷水湿润, 进一步加强分层处墙体的连接。

　　 根据《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—1996) ^[9]的规定, 采用拟静力试验方法对不同新型构造措施的夯土墙进行低周反复荷载试验。试验夯土墙的房屋原型采用村镇夯土建筑中常见的两层三开间的一字形硬山搁檩房屋, 墙体水平地震力和竖向荷载按房屋的实际尺寸计算后进行相应转换。经计算得, 试件模型墙体上部竖向荷载为23.27kN。

　　 为真实模拟水平荷载作用下夯土墙的受力状况, 4个夯土墙试件均用1 000kN的液压千斤顶施加竖向荷载, 加至预定竖向荷载 (23.27kN) 后, 在试件顶部施加水平低周反复荷载, 整个试验过程中由荷重传感器控制竖向荷载的恒定。试件的加载装置如图3, 4所示。

　　 水平低周反复荷载由电液伺服作动器在墙体顶部施加, 试件采用位移控制, 参考钢筋混凝土框架-抗震墙的抗震变形验算, 以层间位移角θ^[10]控制位移加载, 加载位移制度见表1, 在前8级, 加载步长为1/1 000, 每级循环两次, 加载速度0.2mm/s;在8～14级, 增大加载步长, 改为每级1/500, 每级循环两次, 加载速度不变;14级以后, 加载步长增大至每级1/250, 每级循环一次, 加载速度不变, 直至试件完全破坏, 停止加载。

　　 试验布置了5个YHD型位移传感器, 分别用于量测基础底梁相对地面发生的滑移、墙体相对基础底梁发生的滑移、墙体顶部的实际位移以及墙体的剪切变形。测点布置见图5。

　　 水平地震力按单质点体系用底部剪力法计算, 由于夯土结构房屋的自振周期相对较短 (0.3s以内) , 相应结构基本自振周期的水平地震影响系数α₁宜取最大水平地震影响系数α_max, 地震力计算结果见表2。

　　 设置木构造柱和混凝土圈梁的夯土墙试件Q-2, 在夯筑墙体时, 由于木构造柱产生弹性变形, 加之干燥养护, 在墙体两侧木构造柱旁出现贯通的纵向初始裂缝, 而且由于夯筑工艺的原因, 在墙体模板接缝分层处存在分层裂缝。在1级加载时, 试件与作动器连接处的墙体剥落, 导致无法继续进行低周反复荷载试验, 改变加载制度, 将低周反复荷载改为仅拉向水平加载, 加载步长和加载速度不变。

　　 本次试验现象描述见表3, 试件破坏形态如图6所示。

　　 从以上4个设置不同构造措施的夯土墙试件的破坏过程和破坏形态来看, 由于构造措施的约束作用, 试件Q-2, Q-3, Q-4的整体性和变形性能明显优于试件Q-1。由裂缝现象可以得出, 夯筑分层处、模板接缝分层处和构造柱周边墙体是夯土墙体的薄弱区域, 施工时必须对施工工艺和施工质量给予高度重视。

　　 表4为试件的开裂荷载和极限荷载, 对比分析表4数据可以发现, 试件Q-4, Q-3的开裂荷载远远高于试件Q-1, 提高了近两倍, 试件Q-2试验时未取得开裂荷载。试件Q-4, Q-3, Q-2的极限荷载均较试件Q-1提高了125%～185%, 其中试件Q-4与试件Q-3的极限荷载极为接近, 说明墙体拉结筋的设置对墙体水平承载力的提高效果并不明显。

　　 将各试件的荷载情况与表2计算所得的地震力对比可得:所有试件的开裂荷载均大于6度时的地震力, 试件Q-1极限荷载接近7度时的地震力, 试件Q-2极限荷载接近8度时的地震力, 而试件Q-3, Q-4极限荷载均大于8度时的地震力。由此说明, 设置构造柱、混凝土圈梁及拉结筋的构造措施可以明显提高墙体的水平承载力。

　　 表5归纳了4个试件的开裂位移、峰值位移、极限位移, 试验时未取得试件Q-2的开裂位移, 故对试件Q-2仅考虑峰值位移和极限位移。观察表中数据可以发现:在荷载作用下, 不同构造措施的夯土墙试件Q-2, Q-3, Q-4的各位移均较试件Q-1有所提高, 试件Q-2的峰值位移、极限位移与试件Q-3的接近, 而试件Q-4的开裂位移大于试件Q-1小于试件Q-3, 这是由于拉结筋的拉结作用导致的, 但试件Q-4的峰值位移和极限位移最大, 且比其他3个试件大很多。说明采用构造柱加圈梁的措施, 可以有效改善墙体的变形性能, 提高墙体整体性, 增加拉结筋可以进一步提高墙体的延性性能。

　　 试件Q-2的荷载-位移曲线见图7, 试件Q-1, Q-3, Q-4的滞回曲线分别见图8～10。

　　 由图7～10可知, 试件Q-2的水平承载力不及试件Q-4, Q-3, 但明显大于试件Q-1, 而试件Q-4, Q-3的水平承载力相近。随着荷载的增大, 试件Q-1刚度快速退化, 呈现明显的脆性破坏, 墙体变形性能最差。试件Q-2在达到荷载峰值后, 荷载-位移曲线出现明显的塑性平台, 说明试件Q-2具备较好的延性性能。试件Q-3极限位移明显大于试件Q-1, 说明试件Q-3具备很大的变形储备, 相对试件Q-1而言, 其变形能力更好。同时, 试件Q-3与试件Q-4滞回曲线存在明显不同, 是因为试件Q-4中拉结筋的设置明显改善了墙体的受力性能和变形机理, 使其变形更加趋于塑性变形, 塑性平台明显变长, 极限位移变大, 墙体延性和抗剪能力加强, 墙体滞回曲线明显更为饱满, 耗能性能提高。

　　 试件Q-1滞回曲线形状呈梭形, 说明素夯土墙具有良好的耗能性能。随着加载位移增加, 滞回环面积继续增加, 试件Q-3滞回环面积不及试件Q-4, 却远远大于试件Q-1, 说明构造柱、混凝土圈梁及拉结筋构造措施的设置明显增强了墙体的耗能能力, 提高了其抗震性能, 且以试件Q-4的构造措施效果最佳。

　　 4个试件的骨架曲线如图11所示, 对比分析可知, 试件Q-1最先达到荷载峰值, 之后其滞回曲线立即进入下降阶段。对于试件Q-2, 仅分析其拉向, 其滞回曲线在达到荷载峰值后, 出现了较为明显的塑性平台, 之后才进入下降阶段。试件Q-2和试件Q-3的极限位移很接近, 但试件Q-3极限荷载略大于试件Q-2, 且试件Q-3滞回曲线有明显的拐点, 试件Q-3滞回曲线在达到荷载峰值后立即进入下降阶段。试件Q-4滞回曲线斜率最大, 滞回曲线上没有明显的拐点, 在加载后期滞回曲线出现很长的塑性平台, 其极限荷载和极限位移最大。说明构造措施的设置可以显著提高夯土墙的变形能力和水平承载力等, 设置混凝土圈梁、构造柱可以提高墙体极限荷载, 但延性较差, 设置墙体拉结筋可以显著增强墙体的整体变形性能, 提高墙体的延性。

　　 为了反映夯土墙体在水平低周反复荷载作用下的刚度退化特性, 取其每级循环荷载下推、拉向荷载峰值的绝对值之和除以相应荷载峰值时推、拉向水平位移的绝对值之和, 以表示每级循环下的墙体平均刚度, 第i级循环荷载下的墙体平均刚度K_i^[7]为:

　　 ${\rm K}{}_i=\frac{\left|+{\rm P}{}_i\right|+\left|-{\rm P}{}_i\right|}{\left|+\Delta {}_i\right|+\left|-\Delta {}_i\right|}$

　　 式中:P_i为第i级循环荷载下峰点荷载值;Δ_i为第i级循环荷载下峰点位移值。

　　 试件Q-1, Q-3, Q-4刚度退化曲线如图12所示。

　　 由图12可见, 试件Q-1初始刚度最小, 而且刚度退化速度一直最快;试件Q-4初始刚度大于试件Q-3;当试件Q-4和试件Q-3刚度退化曲线出现重合后, 试件Q-4刚度退化速度明显小于试件Q-3。说明设置构造柱、混凝土圈梁及拉结筋构造措施可以明显提高夯土墙的刚度, 减缓刚度退化, 相比单独设置混凝土构造柱和混凝土圈梁而言, 混凝土构造柱、混凝土圈梁及拉结筋的共同设置能更为有效地改善墙体刚度退化特性, 延缓刚度退化, 进一步提高夯土墙的刚度和抗震性能。

　　 (1) 设置构造柱、混凝土圈梁及拉结筋构造措施能够提高夯土墙体整体性, 有效限制墙体开裂, 延缓裂缝发展, 改善墙体抗裂性能和变形性能, 减缓墙体刚度退化, 提高墙体水平承载力, 增强墙体抗震性能, 尤以混凝土构造柱、混凝土圈梁和拉结筋的共同设置抗震效果最佳。

　　 (2) 设置木构造柱和混凝土圈梁的夯土墙延性比设置混凝土构造柱和混凝土圈梁的夯土墙的延性更好, 但前者的水平承载力不如后者, 从抗震效应方面综合考虑, 后者的构造措施要优于前者。

　　 (3) 墙体拉结筋的设置并不能有效限制夯土墙体的开裂, 对墙体水平承载力的提高效果并不明显, 但是可以显著增强墙体整体性和变形性能, 提高墙体的延性和耗能能力, 减缓刚度退化。

　　 (4) 夯筑分层处、模板接缝分层处和构造柱周边墙体是夯土墙体的薄弱区域, 施工时必须对其施工工艺和施工质量给予高度重视。