泡沫微晶玻璃砖是利用废玻璃、粉煤灰、非金属矿等原材料, 经粉碎混合均匀后装在特制模具内, 放在电炉中经加热、发泡、退火等工艺制成的材料, 具有轻质、保温隔热、可循环使用、利废等特点, 符合当前墙体结构改革和发展需要, 是一种可以替代黏土砖的新型环保材料^[1,2,3]。作为新型砌体材料, 目前还未见对该类砌体抗震性能的研究资料, 为加快这种新型墙体材料的推广应用, 有必要对其抗震性能进行研究。

　　 在了解泡沫微晶玻璃砖基本力学性能^[4]的基础上, 对泡沫微晶玻璃砖墙体进行了反复荷载作用下的抗震性能试验研究, 实测了墙体的初裂和极限荷载、水平荷载作用下的墙顶位移、滞回曲线和延性等抗震性能数据, 为泡沫微晶玻璃砖替代黏土砖提供依据。

　　 本次试验共设计了5片泡沫微晶玻璃砖墙体, 其中4片 (Q-1, Q-2, Q-3, Q-4墙体) 为素墙体, 1片 (Q-5墙体) 为上部带圈梁、两边带构造柱的墙体, 各墙体的参数见表1。Q-5墙体构造柱、圈梁的纵筋和箍筋均采用HPB300级钢筋, 混凝土强度等级均为C20。构造柱的截面尺寸为120mm×240mm, 纵筋为2ϕ8, 箍筋为ϕ6@120;圈梁梁高120mm, 纵筋为2ϕ8, 箍筋为ϕ6@120。构造柱和墙体间留设马牙槎, 沿墙高每500mm设2ϕ6拉结筋, 构造柱纵筋通过植筋方式锚固在地梁中, 砌完墙体后再浇筑构造柱和圈梁。本次试验所用泡沫微晶玻璃砖由内蒙古科技大学工程中心提供, 强度等级为MU10, 尺寸为240mm×115mm×53mm。在制作试验墙体过程中, 为了避免试件材料和施工过程对墙体抗震性能的影响, 采用同一组试件同时砌筑, 并由一名瓦工按《砌体结构工程施工质量验收规范》 (GB 50203—2011) ^[5]有关要求砌筑。

　　 本次试验中Q-1, Q-2, Q-3墙体为一组试件, 采用M7.5的混合砂浆砌筑。Q-4, Q-5墙体为另外一组试件, 采用M10的混合砂浆砌筑。为保证可靠传递水平剪力, 墙体第一皮砖和地梁、最上皮砖和顶梁间的水平灰缝砂浆均采用M15水泥砂浆。砌筑墙体时制作了砌筑砂浆和混凝土的标准立方体试块, 与墙体同条件养护, 养护28d后进行试验, 测得M7.5, M10砂浆的抗压强度平均值分别为8.5, 11.8MPa, 混凝土的抗压强度平均值为22.1MPa。

　　 在试件顶部两个端头、沿试件顶部长度方向二分点及试件几何中心点处共布置4个位移计, 4个位移计均与X-Y函数记录仪相连接, 用来描绘荷载-位移滞回曲线。为量测试件在加载过程中沿对角线方向的对角位移, 在试件的两条对角线左右下角45°处布置2个位移计。地梁在试验过程中可能会产生滑移, 对试验测得的荷载-位移滞回曲线有影响, 为此在地梁的钢支架上布置1个位移计 (图1) 。

　　 本次试验采用悬臂式加载装置, 竖向荷载由2个同步液压千斤顶施加, 通过分配钢梁均匀传至墙体顶梁上, 液压千斤顶顶部与上部大横梁之间装有可以滑动的滚轴, 以便让加载梁移动时不受压力装置的额外水平阻力。水平荷载由液压伺服水平千斤顶施加于墙体顶梁端部。加载装置如图2所示。

　　 墙体加载制度参照《建筑抗震试验方法规程》 (JGJ 101—96) , 试验时首先对墙体施加竖向荷载, 先预压几次, 待观察墙体受力正常无平面外偏心后, 将竖向荷载一次加至预定荷载值, 并在整个试验过程中保持竖向荷载不变。正式试验前, 预加水平反复荷载两次, 荷载值不超过墙体预计开裂荷载值的20%, 检查测量仪器工作及墙体受力是否正常。在正式加载阶段, 墙体开裂前, 采用水平荷载控制并分级加载, 第一级施加的水平荷载为预计极限荷载的20%, 然后每级荷载增量较上一级增加20kN, 如此逐步提高荷载值, 直至试验墙体开裂。在墙体开裂后采用位移控制, 位移值取开裂时墙体的最大位移值Δ, 并以该位移值的倍数为级差进行位移控制加载。开裂前每级荷载循环一次, 开裂后每级荷载循环二次。荷载加载到极限荷载后下降至0.85倍的极限荷载时停止加载, 试验结束。

　　 本次试验5片墙体中的4片素墙体 (Q-1, Q-2, Q-3, Q-4墙体) 发生了弯剪破坏, 有构造柱墙体 (Q-5墙体) 以剪切破坏为主。素墙体发生破坏的主要特点是:开裂之前, 墙体处于弹性阶段, 荷载-位移曲线近似线性关系。达到开裂荷载时, 墙体自一端根部截面边缘砖灰缝处开始出现细小的水平裂缝, 随着水平荷载的加大, 裂缝缓慢向墙体内部发展。达到极限荷载后, 裂缝逐渐发展成为贯通、可闭合的水平裂缝。Q-5墙体发生破坏时裂缝形态以斜裂缝和X形裂缝为主。各墙体的水平荷载及墙顶位移见表2。

　　 因为素墙体的破坏形态和过程基本相同, 所以以Q-1墙体为例进行具体说明。当荷载较小时, 墙体仍处于弹性阶段, 滞回曲线接近一条直线, 几乎没有残余变形, 并且位移很小。当加载到70.18kN时, 在墙体近加载端底部第1行与第2行皮砖之间的灰缝处首先开裂, 出现了明显的弯曲裂缝并且向墙体中部发展, 裂缝发展很快;另一侧墙体底座也出现类似现象, 当拉到91.3kN时, 墙体底部第2行与第3行皮砖之间灰缝处裂缝大约有500mm长, 裂缝宽度达到0.3mm。在这个过程中, 墙体与底座间的裂缝逐渐贯通整个墙长, 受压侧墙体最下面一皮砖部分出现局部碎裂现象。继续对墙体加载时, 墙顶位移快速增长, 直至整个墙体与底座完全分离并且开始滑移时, 停止试验。裂缝分布如图3所示。

　　 带构造柱的Q-5墙体发生的是剪切破坏。当荷载较小时, 荷载和位移的曲线成线性关系, 滞回曲线为细长的梭形, 随着荷载的逐渐加大, 梭形面积也在逐渐增大。当荷载加载到288.66kN时, 近加载端构造柱下部出现第一条弯曲裂缝, 随着荷载增加, 裂缝逐渐延伸加长, 墙体也伴随有细微的声响。墙体上部也开始出现细小、扁窄的斜裂缝, 随加载力大小变化的裂缝也在或隐或现。当水平力加载到306.4kN时, 与第一条斜裂缝相隔不远的地方开始出现第二条斜裂缝, 由墙体上部缓慢向下扩展。在水平力达到382kN时, 墙体受压侧底部有部分砖块被压裂。水平力达到432kN时, 斜裂缝沿对角线方向逐渐延伸交叉, 裂缝宽度在0.6mm左右。当水平荷载达到485.3kN时, 墙体中传来了很大的破坏响声, 墙体中的裂缝贯通, 荷载下降, 表明墙体已经不能继续承载, 停止试验。裂缝分布如图4所示。

　　 由表2中的数据可以看出, 墙体的抗剪强度一般与竖向压应力成正比, 随着竖向压应力的增大而增长。通过对比Q-1墙体和Q-2墙体可知, 随高宽比的增大, Q-1墙体比Q-2墙体的初裂抗剪承载力仅提高3.4%, 极限抗剪承载力提高6.2%, 即高宽比对墙体抗剪承载力的提高效果不显著。而构造柱的存在, 使得墙体的抗剪承载力明显提高, 对比Q-4墙体和Q-5墙体可知, 有构造柱的Q-5墙体比素墙体Q-4墙体初裂抗剪承载力提高32.2%, 极限抗剪承载力提高24.3%。

　　 滞回曲线是指在往复荷载作用下结构的荷载-位移曲线。它反映结构在反复受力过程中的变形性能、刚度退化和能量消耗, 是各种抗震性能指标的计算依据^[6]。各墙体的滞回曲线如图5所示。

　　 由以上曲线可知, 泡沫微晶玻璃砖墙体开裂前墙体位移较小, 荷载-位移曲线接近线性变化, 滞回环面积比较小, 墙体处于弹性阶段;墙体开裂后, 裂缝快速发展, 滞回曲线逐渐由直线变为梭形, 墙体刚度降低, 此时墙体处于弹塑性阶段;达到极限荷载以后, 裂缝贯通, 滞回环面积持续增大, 滞回曲线由梭形过渡到略呈反S形, 墙体所能承受的荷载下降, 卸载后残余变形加大, 直至破坏。四个素墙体达到极限荷载后承载力下降不明显, 但墙体仅在墙底水平灰缝处开裂, 滞回环面积较小, 有明显“捏拢”现象。设置构造柱的Q-5墙体开裂后至达到极限荷载的过程持续时间较长, 在经历较大位移且荷载下降较多后, 由于受到构造柱的约束作用, 仍能保持稳定的滞回环, 卸载后的残余变形也较小, 其滞回曲线也较素墙体的丰满。

　　 延性是表征变形能力的一个重要参数, 延性通常用延性系数来表示, 延性系数越大, 说明构件的延性越好, 反之则越差。将延性系数定义为μ=Δ_u/Δ_cr, 其中Δ_u为试件的极限位移, Δ_cr为试件的开裂位移。表3为各墙体延性系数。

　　 从表3可以看出, 试件的延性系数平均值为4.0, 通过查阅文献[7], 蒸压粉煤灰实心砖素墙体的延性系数平均值为3.70, 烧结普通砖素墙体的延性系数平均值为3.25, 带构造柱的蒸压粉煤灰实心砖墙体延性系数平均值为6.37, 带构造柱的Q-5墙体的延性系数比带构造柱的蒸压粉煤灰实心砖墙体延性系数的平均值大7.5%。泡沫微晶玻璃砖墙体的平均延性系数与蒸压粉煤灰实心砖墙体和烧结普通砖墙体的平均延性系数大体相当, 因此用泡沫微晶玻璃砖代替烧结普通砖和蒸压粉煤灰砖可以满足延性要求。对比Q-4墙体和Q-5墙体可知, 设置构造柱后墙体的延性增大。

　　 刚度退化的系数可以取水平反复荷载作用下正、反方向最大荷载P的绝对值之和除以对应的正、反方向位移Δ的绝对值之和作为每级循环的平均刚度^[8], 即。

　　 计算结果如图6所示。可以看出:1) 墙体刚度随变形的增加而降低, 墙体在开裂前的刚度差别比较大, 在开裂后的刚度差别比较小;2) 在墙体出现宏观裂缝之前, 刚度已有较大降低, 在墙体开裂到承载力最大的阶段内, 刚度降低幅度较大, 之后刚度降低幅度趋于平缓;3) 有构造柱的Q-5墙体发生剪切破坏, 初期刚度退化较快, 后期由于构造柱的约束作用, 刚度退化平缓。Q-4墙体只有墙体底部产生水平裂缝, 所以刚度退化较平缓。

　　 试件的耗能能力是指试件在地震反复作用下吸收能量的大小, 以荷载-变形曲线包围的面积来衡量。构件的耗能性优劣采用能量耗散系数E和等效黏滞阻尼系数ξ_eq来衡量^[9]。滞回环越饱满, 能量耗散系数和等效黏滞阻尼系数越大, 试件的耗能能力越强, 抗震能力越好。本文采用极限荷载时的滞回环计算, 计算结果如表4所示。

　　 分析表4可以得出, 墙体的变形随着加载的进行而逐渐增加, 能量耗散系数和等效黏滞阻尼系数也相应增大。竖向压应力的增大不仅能提高墙体的抗剪承载力, 也能提高墙体的耗能能力。对于设置构造柱的墙体, 在初裂阶段, 耗能能力与素墙体相当, 在加荷后期耗能能力明显增加。

　　 (1) 竖向压应力的大小对墙体的抗剪能力和刚度退化具有一定的影响。一定范围内提高墙体的竖向压应力, 墙体的水平抗剪承载力相应提高。随墙顶竖向压应力的增大, 墙体刚度增大, 并且刚度退化趋于缓慢。

　　 (2) 泡沫微晶玻璃砖墙体在水平地震作用下的破坏类型与墙体的高宽比、砂浆强度和竖向压应力有关。带构造柱墙体的耗能、延性、刚度退化等方面均强于素墙体, 而且裂缝开展充分, 滞回曲线饱满。

　　 (3) 泡沫微晶玻璃砖砌体抗剪承载力良好, 并且有较好的延性和耗能能力, 其延性系数接近黏土砖砌体墙延性系数。在抗震性能上泡沫微晶玻璃砖可以做为黏土砖的一种替代块材, 作为承重结构满足砌体使用要求, 并可以在抗震设防区推广使用。