目前国内使用的190mm单排孔混凝土砌块墙，其热阻值约为0.21(m2?K)/W,保温隔热性能仅相当于150mm厚实心黏土砖墙，距节能墙体的要求有较大的差距[1]。因此，为了解决墙体保温问题，空腔墙体应运而生。在北美、北欧等国家，将岩棉等轻质材料夹于两片墙体之间，并在内、外叶墙体之间设置拉接筋，形成夹芯复合墙。我国北方地区通常的做法为外叶90mm厚自承重空心砌块墙，内叶为190mm厚承重砌块墙，中间50mm-100mm空腔填充保温材料（笨板等）[2]。
混凝土砌块空腔墙体的抗震性能，一直是设计师所关注和担心的。近几年翟希梅、唐岱新[2、3]试验研究了空腔墙的抗震性能，试件尺寸为2000mmX1400mm。他们认为空腔墙的内、外叶墙之间由于拉筋的作用，在一定程度上能共同工作，使墙体的抗失稳与抗倒塌能力增强；多遇地震作用下对10层配筋砌体（8度设防烈度）的时程分析结果表明，该结构有良好的抗震性能。李宏男、张景纬[4]等用尺寸为2520mmX1500mm的墙体进行抗震试验研究，认为钢筋拉接件的作用在于协调内、外叶墙变形，为内叶墙提供支撑，提高内叶墙的承载能力；同时，钢筋拉接件可有效地防止大变形情况下外叶墙的失稳，并可防止已开裂的墙体在地震作用下脱落坍塌。
由于太大的墙体试验比较难做，以往对砌块墙体所做的试验研究，多数是用了缩尺模型，本试验采用足尺实际大开间建筑底层墙体来研究砌块空腔墙体的抗震性能，寻求内、外叶墙之间更好的连接方式，希望能为砌块建筑的设计提供试验数据，为进一步的分析和推广应用提供技术依据。
2 试验概况
2.1 试件设计和施工
图1 墙体形式图
2片墙体具体形式见图1，每处墙体均设置7根芯柱。为了保证试验的可靠性和真实性，试件采用实际墙体，尺寸为3000mmX2800mmX190mm，内叶墙所用砌块的基本尺寸为390mmX190mmX190mm，副块尺寸为190mmX190mmX190mm，外叶墙所用砌块的基本尺寸为390mmX190mmX190mm，副块尺寸为190mmX190mmX90mm，均为北京金阳新建材有限公司生产的单排孔砌块，强度等级为MU10；砌筑砂浆采用中国建材研究院生产的干拌专用砌筑砂浆，型号为DM10-P。O，按照使用说明，干拌砂浆加21%的水拌匀即可使用，砂浆标号为Mb10。圈梁混凝土设计强度等级为C30，使用商品混凝土；芯柱混凝土设计强度等级是C20，横截面尺寸约为140mmX130mm，采用自拌混凝土。芯柱配筋为Ф12，拉接筋为Ф8，钢丝网片为Ф4冷拔钢丝。芯柱钢筋深入圈梁并与圈梁钢筋绑扎连接。
试验墙体均按一般施工条件加工制作和砌筑，所有墙体的砌筑均由同一班工人完成，墙体砌筑完毕养护5d后浇注芯柱和圈梁混凝土。为防止浇注混凝土时漏浆，对圈梁模板采取了穿梁螺栓紧固的措施。W-1墙片用专门加工的拉接钢筋连接内、外叶墙，施工昔每砌完两皮，安放拉接筋。拉接筋插入外叶墙的中间孔洞后用砂浆填满，并适当捣几下使砂浆饱满，内叶墙的拉接筋在没有芯柱的孔洞中用一些废弃物等浆孔洞堵死防止漏浆，再用C20自拌混凝土填实孔洞不用填实，浇注芯柱混凝土时自填实。拉接筋砌筑如图2所示。完成后的墙体在试验室条件下进行自然养护，养护龄期为28天。W-2墙片的内、外叶墙用水平钢丝网片连接。
图3是W-2墙体钢筋及芯柱测点布置图，拉接筋的测点布置如图4所示，试件的主要参数见表1。
表 1 试件的主要参数
试件编号
类型
试件尺寸(mm)
竖向压应力(MPa)
芯柱截面(mm)
W-1
每两皮用钢筋连接
3000*2800
0.9
140*130
W-2
每两皮加水平钢丝网
3000*2800
0.9
140*130
2.2 试验方案和加载制度
墙片加载如图5所示。试件就位固定好以后，首先在墙片单元加载梁上面用两个竖向压力千斤顶，并通过分配梁施加恒定四点集中垂起码荷载。该试验墙体模拟的是7层楼房底层承重墙，竖向荷载经实际计算取0.9MPa，然后在墙片单元上端加载梁的竖向中间位置，用拉压千斤顶施加低周反复水平荷载。垂直千斤顶和反力大梁之间用滚轴装置连接。试验中分两个阶段施加水平荷载：首先按荷载控制，以100kN为级差递增加载,每级荷载循环一次直至试件出现第一条微裂缝，然后改用25kN为荷载级差递增加载，直到试件接近极限荷载为止。之后按位移控制，变形值取开裂时试件顶点的最大位移值为基准，以该位移值的整倍数为级差控制加载，至水平荷载下降到85%极限荷载时结束试验。
2.3 测点布置
在墙片顶部加载梁的中部两侧分别固定两节向外突出的钢筋，在墙体底部两侧四个角部，分别固定两个大位移计和两个小位移计，这四个位移计用钢丝和墙片顶部外突的钢筋连接并绷紧，通过角度换算测得墙片顶端中部与底座之间的相对位移，这样避开加载时底座位移的影响。大位移计和小位移计量程分别为±100mm和±50mm，并在加载过程中监测墙片两侧位移计差值变化，以调整水平加载点位置，避免试件在加载过程中发生扭转。墙片测点布置如图3和图4所示。
3 结果及分析
3.1 破坏形态描述
试件在开裂前可近似认为试件处于弹性阶段，荷载和位移基本呈线性关系。当水平荷载（“正”表示推力，“负”表示拉力，以下同）加至极限承载力80%左右时，试件开始进入弹塑性阶段，荷载 和位移呈曲线变化，试件刚度明显减小，裂缝逐渐向墙体两角端发展，形成阶梯踏步状斜裂缝。达到极限荷载后，主裂缝贯通，裂缝增多，总体形状为“X”形，呈剪切破坏形式。随着位移的增加,承载力下降,裂缝更加明显,破坏程度加剧,荷载下降至极限荷载85%以后,位移发展较快,部分砌块已破碎,可以认为试件丧失承载能力.下面再对2个墙片的破坏形式分别加以描述。
3.1.1 W-1墙片
墙体开裂前具有较大的刚度，侧移很小，滞回曲线为直线，试件处于弹性阶段；水平荷载达到350kN，内、外叶墙根部最底层砂浆出现裂缝，力——变形曲线由近似的一条直线开始出现变曲，滞回环面积开始增大。随着荷载的增加，直到荷载达到极限承载力480kN，墙体裂缝越来越多，并逐渐形成阶梯状。此后滞回环面积开始明显增大，裂缝开始明显发展；最终形成“X”形的斜裂缝，墙体破坏。破坏时墙体的裂缝数量较多，发展比较充分，部分砌块也出现裂缝，墙体的角端45o剪切破坏比较明显。外叶墙的破坏过程与内叶墙差不多，墙体破坏时最终也是形成开“X”形的斜裂缝。但外叶墙裂缝发展比较集中，就是两条主斜裂缝，砌块本身没有出现裂缝。整个加载过程中内、外叶墙能成为一个整体而较好的共同工作。最终墙体破坏图和滞回曲线如图6-9所示。
3.1.2 W-2墙片
当水平荷载加到350kN时，在内叶墙体根部最底层砂浆部位开始出现水平方向微裂缝，随后的一个循环在墙体右侧同样的部位也出现了微裂缝。荷载加到400kN时砌块本身开始破裂，墙体有了水平方向的裂缝，形成了部分阶梯状。以后的循环裂缝在不断的延伸和扩展，并有新裂缝持续出现，滞回环面积不断加大，达到极限承载力460kN时形成了贯通的“X”形斜裂缝，随后的一个循环墙体承载力迅速下降，位移急剧增加，可认为墙体失去承载力。外叶墙在开裂后沿墙体的根部最底层砂浆出现水平通缝，以后的几个循环裂缝在原来的基础上不断加宽，并没有出现新的裂缝，当加载至极限荷载460kN时在第4皮灰缝出现一条较宽的裂缝，裂缝沿水平方向发展2m后沿阶梯状直到墙体根部。随后的一个循环，形成了“X”形的斜裂缝，出现两条45o方向斜裂缝。从破坏过程看这片墙的整体性没有W-1墙片好。最终墙体破坏图和滞回曲线如图10-13所示。
3.2 承载力与延性
表2 试验结果对比
编号
试件尺寸
边框
拉筋情况
竖向力(MPa）
开裂荷载Fc(kN)
极限荷载Fu(kN)
文献[5]
计算(kN)
Δ
(mm)
Δc/h
Δu
(mm)
Δc/h
μ
W-1
3000*2800
芯柱
钢筋
0.9
352
457
283
0.76
1/3684
8.06
1/347
10.6
W-2
3000*2800
芯柱
钢丝网片
0.9
350
447
305
0.77
1/3636
5.15
1/544
6.7
XQK-5
2000*1400
芯柱
400*500
0.5
221
277
231
0.46
1/3043
1.15
1/1217
2.5
XQK-1
2000*1400
构造柱
400*500
0.5
300
331
--
0.48
1/2917
1.19
1/1176
2.5
注：XQK-1，系指文献[2]中的试验墙片编号。
表2中，Fc为试件开裂水平荷载，均指首次加载开裂时的荷载；Fu为试件极限荷载。因为试件破坏之前末出现平面外扭曲现象，其正两个方向的开裂荷载比较接近。表中Fu取了正负两向(绝对值)的均值。Δc为与Fu取了正负两向（绝对值）的均值。Δc为与Fu对应的开裂位移，Δc/h为墙片的开裂位移角；Δu为与极限荷载Fu对应的位移，Δu/h为墙片的极限位移角；μ=Δu/Δc是墙片的延性系数，它是反映墙片变形能力和安全储备的主要参数之一。表中列出了正负两向延性系数的均值。
从表中看出两墙片的开裂荷载基本一样，W-1比W-2极限荷载高10kN，但延性系数约高58.6%，说明新的拉接筋连接内、外叶墙的效果比用钢丝网片更好，可以有效地提高墙体的延性。承载力也有所加强，整体性更好。墙片的开裂位移只有0.7mm多，即墙片在有较小的变形后就会开裂，但此时墙体并没有达到其极限强度。为了减小墙体的水平侧移，可以在墙体两端设构造柱，通过提高墙体的刚度抑制墙体的开裂。试验中墙体的延性系数比国内一些砌块缩尺模型试验要高一些，主要原因是试验手忙脚乱试件是实际尺寸的墙体，它的极限位移比缩尺模型试验测得的数据要大许多，而开裂位移却差不多，由此看来，缩尺墙片试验有可能低估墙体的延性。
3.3 试件刚度退化曲线
试件的刚度可用割线刚度来表示，割线刚度应按下式计算：
式中：Fi—第i次峰点水平荷载值
Xi—第i次峰点水平位移
从图14墙体的刚度退化曲线看出墙片的初始刚度均较大，随着墙片水平位移的增加而逐步退化，刚度退化趋势大致相同。墙片在开裂前基本处于弹性状态，由于加载过程中墙片出现少量的微裂缝使得刚度退化较缓慢；墙片在开裂后刚度迅速退化，当墙片的裂缝贯通后刚度退化比较缓慢而且趋于稳定。退化阶段比较长，说明墙片有足够的变形发展时间，不会发生突然倒塌。
从图14刚度退化曲线可以看到复合墙的内外叶墙变形基本一致，因此可以对曲线进行数据拟合。用数据分析软件Origin7.5进行非线性最小平方拟合K=1/(a+bΔ), Δ为墙片顶点水平位移，拟合后的刚度退化曲线公式为：
K=1/(0.00081+0.002Δ) (2)
3.4 骨架曲线的对比分析
在低周反复荷载试验中，如果把每一级荷载或位移下的滞回曲线峰值点连接起来，就得到骨架曲线。骨架曲线能反映墙体的关键力学特征，如试件的开裂强度(对应于开裂荷载)、极限强度(对应于极限荷载)等。图15中可以看出：在加载的初始阶段，力—位移基本是直线关系，试件处于弹性阶段；墙体在开裂后，曲线的斜率明显减小、偏离力轴，墙体进入弹塑性阶段，随着荷载的增大，墙体侧移加大。曲线的下降段长而平缓，荷载退化比较缓慢，说明墙体有良好的延性；随着荷载的增加，裂缝发展也比较缓慢，墙体变形能力相对较好。值得注意的是，图15中骨架曲线对于坐标原点是不完全对称的，这与复合墙体的拉构造有密切关系。尽管推、拉时的初始刚度差别不是很大，但屈服特征和极限变形还是有较大差异的。当一个方向发生大变形破坏以后，另一个方向的极限位移就难以测量了。
3.5 钢筋应力分析
图16和图17给出了测点A、B、C、D、E上的钢筋应变，测点位置见图3、图4，其中C、D、E都是墙体第6皮砖缝处的应变。可以看出墙片开裂前钢筋的应变变化幅度比较小，荷载主要由砌块和砂浆承受，墙体开裂后钢筋的应变越来越大，承受的荷载也就越来越大，在墙体破坏时，芯柱钢筋的应变达到1911，拉接筋个别已经屈服，充分发挥了钢筋的作用。上下端A、B两个测点的钢筋应变方向是相反的，A点的应变要比B点大一些，这是因为基础梁的刚度大于顶梁，使A点处的钢筋承担更大的轴力。
图17表明：W-2墙片钢筋变化趋势与W-1大致相同，墙片开裂后，钢筋发挥的作用越来越大。而钢丝网片的应变最大就是1170，远比W-1拉接筋小，而且外叶墙内的钢丝(曲线F)基本变化比较小，说明内、外叶墙变形还是有不协调的趋势，外叶墙并没有承受较大的荷载，这与目前的承载力设计仅考虑内叶墙承重也是相符的。从图16、图17得到墙体开裂前变形小，拉接筋应变也就较小，内、外叶墙由圈梁连接而共同工作，随着荷载的加大，内、外叶墙变形开始不协调，这样，拉接筋逐步起到协调作用，特别是裂缝较大时，保证墙体变形一致，共同工作。比较图16和图17中的实测曲线，W-1墙片中的拉接钢筋在受拉和受压时都能起作用，尽管受拉时的应变大于受压时的值；W-2墙片中的钢筋则只在受压时才起作用。拉接钢筋在拉压状态下的不同作用，可能是是导致图15是骨架曲线不对称的重要原因。
4 对比分析
为对混凝土砌块空腔墙体抗震性能作更详细的分析，参考不同的试验数据列于表2。其中墙片XQK-1、XQK-5是引用文献[2]的试验结果，这2个试验均采用了小墙片，严格意义上并不是1/2的缩尺模型。表2中的数据均是试验实际测得的，数据虽然有较大的离散性，但也能说明一些问题。
4.1 强度分析
设置芯柱的墙体在垂直压力和侧向力共同作用下，呈剪切摩擦破坏。芯柱在墙体中发挥销键作用，阻止和延缓裂缝的发展和贯通，使墙体的裂缝更分散，从而减轻了墙体在反复荷载作用下的破坏程度，也就提高了墙体的开裂荷载与极限荷载。鉴于目前国内施工质量难于控制的情况，边框可以优先考虑使用构造柱，在墙体中分散布置芯柱增加墙体的抗剪性能，充分发挥构造柱和芯柱各自的优势，增加墙体的抗震性能。
参照文献[2]计算墙体的受剪承载力见表2，其中墙片XQK-5芯柱按C20混凝土、砌块MU10、砂浆Mb10计算。大墙片的开裂荷载均大于计算的荷载值，墙片XQK-5略小于计算值，极限荷载均大于计算值。极限荷载与计算的比值分别是1.61、1.46、1.20，可以说明墙体是偏于安全的。这3片墙的结构形式比较接近，虽然小墙片试验可以说明问题，但有条件时最好做大尺寸墙片试验，这样更能准确的说明墙体的实际情况。
4.2 变形分析
从表2实测数据中可以看到墙体的开裂位移一般不到1mm，此时墙体尚末达到极限承载力。这些裂缝不会使墙体承载力下降很多，也不影响墙体正常工作。本文中的试验由于采用了实际尺寸的大墙片试件，测得的极限位移要比小尺寸模型试验大，而开裂位移与小尺寸模型试验测得的数据差不多，因此测得的墙体延性比较大。墙体开裂后有较大的延性，说明墙体的抗震性能比较好，有较高的安全储备，对于墙体过早出现的微裂缝，不会引起墙体承载力的明显下降。试验中所加竖向力的大小对墙体的承载力、变形能力、抗震性能有较大影响，因为竖向力可以约束墙体的竖向变形，限制墙体竖向位移的发展，在竖向力的作用下，墙体的几何刚度增加，所有墙体的水平承载力在一定程序内随着竖向力的增加有所提高。
大墙体大变形时，外叶墙有外闪的趋势，因此拉接筋起到协调内、外叶墙变形的作用，使墙体的整体性加强，防止外叶墙失稳，保证已开裂墙体不致脱落、倒塌。拉接筋对改善墙体的变形能力，提高墙体的承载力，限制墙体的开裂，作用并不大。
5 结论
通过对不同连接形式的混凝土砌块空腔墙片的试验分析和对比研究，可以得到如下结论：
1)芯柱约束混凝土砌块空腔墙体具有良好的承载能力和延性,墙体变形能力强,抗震性能较好。
2)墙体的初始刚度均较大，随着墙体水平位移的增加而逐步退化，刚度退化趋势大致相同。墙体裂缝贯通后变形的发展比较缓慢，在单调力作用下尚能维持一段时间。
3)混凝土砌块空腔墙体比较容易开裂，墙体尚末达到极限强度，裂缝比较小，不会影响墙体正常的承载力。
4)拉接筋的协调变形作用使混凝土砌块空腔墙体整体性较好，内、外叶墙基本上能较好的协同工作，从而能防止墙体大变形时外叶墙失稳倒塌。
5)钢筋连接内、外叶墙比用钢丝网片连接其延性有较大的提高，承载力也有所增强，内、外叶墙能更好的协同工作，整体性相对更好一些，但其施工更麻烦一些。在实际工程中，拉接筋可仅在芯柱处设置，施工时可用砂浆将外叶墙内的拉接筋固定就行，内叶墙内的拉接筋在浇注芯柱混凝土时自然就固定好了。
6)芯柱和构造柱都能在一事实上程度上提高墙体的承载力.必要时还可以将构造柱与芯柱共同使用,这样墙体的承载力及抗震性能将大大提高,而且内、外叶墙之间的整体性也将有所增强。
7)本试验墙体实际测的水平力与文献[5]计算值比值都大于1.4，这说明采用规范值是偏于安全的，当然这是在试验条件下得到的结果，比现场的施工条件要优越一些。
8)小墙片试验也能反映墙体抗侧力能力，但是在条件许可时建议尽量做大墙片试验，使试验结果更吻合实际情况。
