混凝土框架结构是建筑工程中广泛应用的结构体系, 具有传力途径清晰、整体性好、建筑平面布置灵活等优点^[1]。地震造成的巨大财产损失, 暴露出框架填充墙结构抗震方面的诸多问题^[2,3,4]。汶川地震重灾区北川县城, 框架结构建筑整体倒塌破坏现象十分普遍, 造成建筑物倒塌的原因主要有三点:1) 框架结构底层为层高较高、空间较大的商铺, 所布置的填充墙少于上部楼层, 以致底层刚度小于上部楼层而造成结构竖向刚度分布不均, 形成底层薄弱层, 发生底层薄弱层破坏^[3], 如图1所示;2) 建筑各楼层填充墙布置不规律, 使得建筑结构质量中心与刚度中心发生偏离, 增大建筑的扭转效应;3) 填充墙自身具有一定的刚度, 对主体结构的梁、柱产生约束, 形成窗间短柱, 这些短柱在地震中发生剪切破坏而失去承载力, 导致建筑物发生局部破坏甚至倒塌, 如图2所示。

　　 图1 底层薄弱层破坏

　　  

　　 图2 短柱破坏

　　 上述框架结构在地震中所暴露出来的问题, 主要原因是在布置填充墙时很难同时满足建筑的功能要求和结构体系的合理性需求。笔者希望仅通过改变填充墙的墙体材料即可达到既满足建筑功能需要又能改善结构抗震性能的目的。根据国内外学者对秸秆材料的研究^{[5,6,7,8,9,10,11]}, 发现秸秆材料制成的砌块具有良好的力学性能^[8,9,10], 同时有很好的保温隔热性能与隔声性能^[11]。据此, 提出一种装配式秸秆砌块填充墙框架结构体系, 该体系选用带榫头和凹槽的三明治式装配式秸秆砌块作为框架结构填充墙, 砌块照片如图3所示, 由低密度内衬板 (密度ρ≤400kg/m³) 和高密度外面板 (密度ρ≥700kg/m³) 组成, 高密度外面板和低密度内衬板错开放置, 形成榫头和凹槽, 安装墙体时秸秆砌块通过榫头和凹槽固定, 相邻两组秸秆砌块通过竖向长条板连接, 用于增强秸秆墙体的整体稳定性。墙体与框架的连接为有助于结构整体工作性能有效发挥的柔性连接^[12], 其措施是:1) 在框架梁处设置预埋件, 将预埋件植入秸秆墙体内, 增加墙体稳定性;2) 在秸秆墙体外部与框架柱之间用涂刷胶水的扁钢进行固定, 增强墙体与框架柱的连接。

　　 本文利用一个普通砖砌体填充墙框架结构模型和一个装配式秸秆砌块填充墙框架结构模型的振动台对比试验来分析装配式秸秆砌块填充墙框架结构体系的抗震性能。

　　 本试验原型结构共3层, 框架抗震等级为三级, 设防烈度为7度, 设计基本地震加速度为0.15g, 设计地震分组为第三组, 场地类别为Ⅱ类, 梁柱选用C30混凝土。从原型结构中抽象出一个开间, 设计并制作了两个3层框架结构模型, 一个模型用标准砖作填充墙, 称之为砖框架;另一个模型用装配式秸秆砌块作填充墙, 称之为秸秆框架。两个模型外观尺寸相同, 模型设计图见图4。

　　 模型的几何相似系数S_l为1/3, 每层层高均为1 000mm, 柱截面尺寸为100×100, 梁截面尺寸为50×100, 确定模型弹性模量相似系数S_E为1, 其余主要相似系数基于S_l和S_E计算确定, 结果如表1所示。本试验采用人工堆码质量块来满足质量密度的相似关系;采取同批次材料、同步施工、同步浇捣的措施来保证两框架模型性能的同一性。

　　 钢筋等级为HPB300级, 直径分为6mm和8mm两种规格, 砖砌块采用MU10, 砂浆等级为M5。秸秆砌块实测静曲强度为14.47MPa, 静曲模量为1 924.60MPa。混凝土实测抗压强度为23.31MPa。

　　 本试验在东南大学九龙湖校区土木工程试验中心 (混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室) 地震模拟振动台上完成, 振动台台面尺寸为4m×6m, 振动方向为水平单向。

　　 试验时考虑结构性能和安全因素, 采用逐级增大峰值加速度的加载方法。选定三条地震波作为模拟地震振动台台面输入波, 分别是El Centro波、Taft波和人工波, 按结构响应从小到大依次单向输入, 加速度峰值分别为0.035g, 0.07g, 0.14g, 0.22g, 0.4g, 0.62g, 对应的加载工况分别为7度多遇、8度多遇、9度多遇、7度罕遇、8度罕遇、9度罕遇, 方向与Ⓐ, Ⓑ轴 (图4) 平行。之后不断增大加速度值, 直至其中一个或两个模型发生倒塌破坏。

　　 在振动台底板和两个模型的每个楼层处各布置1个加速度传感器和1个拉线式位移计, 总共布置7个加速度传感器和7个拉线式位移计, 用于测定相应位置的加速度和位移。

　　 随着试验的进行, 输入的加速度值不断增大, 两模型均出现不同程度的损伤, 并且不断发展, 直至砖框架倒塌破坏, 其过程如下。

　　 7度多遇地震阶段, 两结构均未出现裂缝, 自振频率均未下降。

　　 8度多遇地震阶段, 砖框架自振频率没有变化, 秸秆框架自振频率下降8.3%, 说明结构内部产生微裂缝, 但肉眼无法识别。

　　 9度多遇地震阶段, 砖框架底层柱顶处出现微裂缝;秸秆框架底层梁底部出现了裂缝。

　　 7度罕遇地震阶段, 砖框架底层柱顶的细微裂缝开始扩展, 且4根柱均出现裂缝, 裂缝长度最长约为60mm, 如图5所示。秸秆框架底层梁两端均出现斜裂缝。

　　 图5 砖框架底层柱顶裂缝

　　 8度罕遇地震阶段, 砖框架底层柱顶的裂缝继续扩展, 个别柱的裂缝扩展到全截面, 2层柱顶开始出现微裂缝;秸秆框架底层梁端裂缝扩展, 且试验过程中, 框架变形导致秸秆砌块与梁柱分离, 出现缝隙, 如图6所示。9度罕遇地震与8度罕遇地震阶段试验现象类似, 不再详述。

　　 图6 秸秆砌块与梁柱分离

　　 当加速度峰值达到0.8g时, 砖框架底层柱顶出现明显塑性铰, 有小块混凝土剥落, 此时裂缝宽度最大约3mm, 如图7所示。部分柱底出现裂缝, 砖墙局部出现裂缝。秸秆框架底层梁端出现倒八字形裂缝, 秸秆砌块与梁柱的间隙增大到30～50mm, 如图8所示。

　　 图7 砖框架底层柱顶塑性铰

　　  

　　 图8 秸秆框架底层梁裂缝

　　

　　 当加速度峰值达到1.1g时, 砖框架底层柱发生扭转, 砖墙裂缝不断延伸。秸秆框架底层梁端出现塑性铰, 有微量混凝土块剥落, 此时裂缝宽度最大约为2mm, 如图9所示。当加速度峰值达到1.8g时, 砖框架顶层位移超过35mm, 底层柱折断, 框架整体倾覆 (图10) 。秸秆框架未发生倒塌破坏。

　　 图9 秸秆框架底层梁塑性铰

　　  

　　 图10 砖框架倒塌破坏

　　  

　　 振动台台面输入各级地震波前后均采用白噪声对模型结构进行扫频。分析传感器所采集的加速度数据, 由各层加速度对台面加速度作传递函数, 可得到结构的自振频率^[13]。图11给出了两个模型一阶频率随着输入地震波加速度峰值不断增大而衰减的规律, 频率的减小代表了结构刚度的衰减。由图可知, 两模型一阶频率的衰减规律基本一致, 但不同之处在于砖框架刚度损失的主要原因是框架柱的破坏:底层柱产生塑性铰并发生扭转, 失去竖向承载力, 上部荷载失去支承而导致模型整体倒塌。而秸秆框架刚度损失的主要原因是框架梁的塑性铰破坏:框架梁的破坏仅仅导致结构整体水平刚度的减小, 而竖向承载力所受影响很小, 结构具有更好的整体性。

　　 图11 一阶频率变化图

　　 对两模型各层加速度进行滤波处理后二次积分^[14], 可得到模型结构各层相对于振动台台面的位移响应, 从而得到两模型的最大层间位移^[13]。

　　 结构的破坏模式主要取决于层间位移的大小与最大层间位移所在楼层, 表2给出了两框架结构模型试验过程中最大层间位移的大小与所在位置。可以发现:砖框架最大层间位移小于秸秆框架;砖框架最大层间位移普遍发生在结构底层, 且数值显著大于其他楼层;秸秆框架最大层间位移更为均匀地分布于结构1层和3层。宏观试验现象也反映了这个情况, 由于普通砖砌体填充墙对砖框架结构刚度有增强作用, 同时也限制了框架的变形, 以致底层柱先发生破坏, 且破坏程度显著大于上部楼层, 是结构模型的薄弱层, 最终引发整个结构的垮塌。秸秆框架破坏相对均匀, 底层梁出现塑性铰破坏, 但未出现明显薄弱层, 在砖框架倒塌后依然能够保持结构完整, 满足规范规定的“大震不倒”的抗震设防要求。

　　 (1) 装配式秸秆砌块填充墙框架结构模型满足规范规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求。

　　 (2) 振动台试验结果显示, 普通砖砌体框架模型底层柱出现塑性铰破坏, 失去竖向承载力是导致结构整体倒塌的直接因素。装配式秸秆砌块填充墙框架结构模型的破坏集中于各层梁端, 底层梁端出现塑性铰破坏, 导致结构水平刚度降低, 对结构竖向承载力没有太大影响, 实现了“强柱弱梁”的破坏机制。

　　 (3) 秸秆砌块填充墙是轻质柔性墙体, 可以避免普通砖砌体填充墙布置不合理引起的建筑质量中心与刚度中心偏离而导致扭转效应增大的问题, 减小了结构空间布置时隔墙位置的选择限制, 空间利用更加合理。