砌体建筑类型经历了土木、砖木和砌体（砖混）结构等阶段，当前民居以砖混结构为主^[1]。构造柱和圈梁的布置是改善砌体建筑抗震性能的有效途径^[2]。Quiroz等^[3]对比分析了存在构造措施约束的墙体和素墙体的力学性能，得出约束墙体的性能较大提高。Medeiros等^[4]通过低周反复试验研究了构造柱约束墙体的抗震性能，研究表明存在约束的墙体裂缝宽度发展受到限制且墙体延性增大。但是由于现浇砌体施工工艺复杂和污染严重等因素制约了其设置，现浇的圈梁构造柱等构造措施在结构中难以大力推广。装配式砌块能有效的解决上述问题，近些年不断涌现出新的砌块型式。郑妮娜^[2]提出芯柱式构造柱预制块，可以部分解决构造柱施工问题，但是不能完全解决砌体建筑抗震性能差的问题。刘忠^[5]提出了几种新型砌块型式，但是这些砌块主要适用于多层砌体结构，其造价成本过高。因此提出了适用于砌体结构的圈梁和构造柱砌块。

随着墙体改革的推进，多种节能环保的墙体材料被广泛应用到墙体结构中。其中，蒸压粉煤灰砖作为节能环保、变废为宝的材料，近年来改进了蒸压粉煤灰砖的应用技术、机械装备、生产工艺、产品质量等各方面并且在此基础上进行了创新，使蒸压粉煤灰砖在建筑中的推广得以开展并带来良好的经济利益和社会效益^[6–7]。但目前蒸压粉煤灰砖在砌体结构中的应用实例较少，其抗震性能优劣需要深入研究。

为解决传统砌体建筑中现浇砖砌体结构抗震性能差、墙体材料能耗大及构造措施不规范等缺点，作者提出新型装配式圈梁构造柱砌块及蒸压粉煤灰砖墙体材料，根据试验得到蒸压粉煤灰砖的受压本构模型，通过数值模拟分析装配式圈梁构造柱约束的蒸压粉煤灰砖墙体抗震性能。

1 装配式圈梁构造柱约束蒸压粉煤灰墙体 1.1 装配式圈梁构造柱砌块

根据目前砌体建筑中存在的问题，作者提出4类新型装配式配筋砌块和改进的墙体砌块^[8]，即构造柱砌块、圈梁砌块、清扫砌块和半砖砌块。圈梁砌块和构造柱砌块在孔洞中灌注混凝土，内部孔槽中放置水平钢筋和竖向钢筋，形成砌体的圈梁和构造柱；清扫砌块和半砖砌块不仅规格尺寸与传统砌块不同，其表面设置凹槽用来放置横向钢筋并与圈梁砌块和构造柱砌块配套使用。鉴于篇幅限制，以240 mm厚度的墙体为例，给出新型配筋砌块的尺寸示意如图 1所示。

1.2 装配式蒸压粉煤灰砖墙体施工工艺

装配式圈梁构造柱约束蒸压粉煤灰砖墙体施工流程是除基础外，地上部分全部采用装配式施工工艺，不需要模板。装配式蒸压粉煤灰砖墙体具体施工工艺如图 2所示。

1）在预制构件厂或现场预制圈梁、构造柱砌块。

2）先砌筑一皮清扫砌块；后同时砌筑构造柱和蒸压粉煤灰砖，在砌块凹槽内放置水平钢筋，固定在相应位置；在构造柱砌块形成的贯穿孔洞中放置钢筋笼；最后砌筑圈梁砌块，将矩形木板块使用钢丝绑扎固定于圈梁砌块连接的灰缝处保证砌块不被混凝土胀裂，在圈梁形成的孔洞中放置水平钢筋笼。

3）通过清扫砌块清扫孔内砂浆，放入竖向钢筋并用套筒连接，预留锚固筋和锚固件。

4）从墙顶向下浇筑混凝土，形成结构的墙体、圈梁和构造柱。

由此得出装配式蒸压粉煤灰砖墙体具有成本低、工期短、施工简单、低污染、材料环保等优点。不仅解决了现浇砌体结构支模难、成本高、构造措施难以推广等问题，还解决了普通粘土烧结砖浪费资源和工业废渣难以处理的问题。

2 蒸压粉煤灰砖砌体本构模型

由于蒸压粉煤灰砖砌体短柱受压性能试验研究较少，因此受压本构模型差别较大，文章针对常用的蒸压粉煤灰实心砖砌体短柱开展受压试验得出其受压本构关系及相关参数。

本文试验的蒸压粉煤灰砖砌体短柱试件尺寸（包含水泥砂浆抹面10 mm，水泥砂浆比例为1∶3）为240 mm $ \times $ 365 mm $ \times $ 756 mm。选用最为常用的抗压强度15 MPa的蒸压粉煤灰砖砌块，根据《建筑砂浆基本性能试验方法》^[9]砌筑M7.5、M10、M15这3种不同砂浆强度等级的蒸压粉煤灰砖短柱，试件尺寸如图 3所示。

蒸压粉煤灰砖砌体短柱轴心受压试验在结构实验室进行，加压试验装置采用5 000 kN的压力试验机，如图4所示。为得到蒸压粉煤灰砖砌体短柱的应力–应变曲线，试件的横向、纵向变形值采用位移传感器采集数据，压力值由试验机记录。位移传感器安装在试件宽面的纵向中线和横向中线处，见图 5。

蒸压粉煤灰砖砌体短柱的受压变形性能主要表现为应力–应变曲线、弹性模量、泊松比等，为结构抗震性能计算和数值分析提供参数。

2.1 试验现象及破坏特征

当试验机压力值在0.3P_u到0.4P_u（P_u为最大荷载值）之间，竖向位移与压力值同步均匀增大，持荷时位移计数值基本不变，卸载后压力机和位移计数值归零，且试件外观无裂缝现象。通过位移计和试验机的数据计算得到应力–应变曲线成线性变化，表示该试件处于弹性阶段。

当试验机压力值在0.5P_u到0.7P_u之间，位移值增大速度快于上阶段，持荷时位移值缓慢增大，当压力值大约到达0.62P_u，安装仪表的两个面的顶部前两层砖纵向灰缝不饱满或者砂浆不均匀处开裂，并随压力值的增加裂缝慢慢向下延伸。

当试验机压力值在0.8P_u到0.95P_u之间，主要的裂缝会扩展到整个试件，同时纵向小的裂缝将出现在砖柱其他部位并且发展较快，此时纵向位移的数值增大速率变小，应力–应变曲线的斜率趋于平行。达到极限荷载后，压力机的荷载明显减小，主要裂缝上下贯通且变宽，细小裂缝增加，试件被主要裂缝分为一个个小柱，墙皮出现脱落。试件破坏现象见图 6。

经过上述阶段后试验机压力值持续下降，主要的竖向裂缝延伸扩张，由柱顶贯通至柱底部，墙皮出现大量的外鼓、脱落，细小的裂缝相互贯通，且伴随着破碎声。蒸压粉煤灰砖柱已无法承压。当试验机卸载压力值在0.6P_u到0.75P_u之间，压力值下降趋势减缓，出现反弯点。随后荷载值继续减小直至构件完全破坏。

2.2 抗压强度

蒸压粉煤灰砖砌体短柱的开裂荷载、破坏荷载、抗压强度试验结果见表 1。《砌体结构设计规范》^[10]规定砌体的轴心抗压强度平均值见式（1）。

${f_{\rm m}} = {k_1}{f_1}^\alpha \left( {1 + 0.07{f_2}} \right){k_2}$

(1)

式中： ${k_1}$ 为与块材类别有关的系数，试验的蒸压粉煤灰砖取0.78； ${f_1}$ 为块材的实测抗压强度值，MPa； $a$ 为与块材、砌体类型有关的参数，本文试验的蒸压粉煤灰砖取0.5； ${f_2}$ 为砂浆实测抗压强度值，MPa； ${k_2}$ 为砂浆强度过大或过小时的修正系数，本试验取1.0。

由表 1可得，试验测得的数据与规范值误差较小，试验数据可用于数值模拟分析中。

2.3 应力–应变曲线

根据位移传感器采集的位移和相应的压力值，通过数据计算和处理，得到M7.5、M10、M15砂浆强度的蒸压粉煤灰砖砌体短柱的实测应力–应变曲线，见图 7。通过无量纲应力–应变曲线分析蒸压粉煤灰砖砌体的本构关系^[11]，以 $x = \varepsilon /{\varepsilon _0}$ 为因变量， $y = \sigma /{\sigma _0}$ 为自变量，对各砖柱试件的应力–应变曲线进行归一化处理。本试验实测数据归一化应力–应变曲线见图 8。

由试验现象和归一化的应力–应变曲线可得出，蒸压粉煤灰砖的应力–应变曲线上升段和下降段变化趋势相差较多，且本构曲线应包括弹性点、峰值点和反弯点等数值点。参考文献[12–16]，本文提出的蒸压粉煤灰砖的应力–应变曲线表达式形式简单且与试验实测数据误差小，见式（2）。

其他文献的砌体应力–应变曲线和实测点对比如图 9所示。提出的本构曲线与试验实测数据吻合，在数值模型中本构关系数值敛散性良好，表达式精简，利于数值分析计算^{[12, 14–15]}。

$y = \left\{ {\begin{aligned}& {1.87x - 0.87{x^2}},\quad {x < 1.0};\\& {\frac{{0.76x - 0.66}}{{1.48{x^2} - 2.38x + 1}}},\quad {x \ge 1.0}\end{aligned}} \right.$

(2)

$y = 6.4x - 5.4{x^{1.17}}$

(3)

$y = \left\{\begin{aligned}& {\frac{x}{{0.2 +0.8x}}}, \quad {x < 1.0};\\& {1.2 - 0.2x}, \quad {x \ge 1.0}\end{aligned}\right.$

(4)

$y = 2x - {x^2}$

(5)

2.4 弹性模量

砌体弹性模量是衡量材料变形性能的物理量，试验测得蒸压粉煤灰砖砌体弹性模量值如表 2所示。《砌体结构设计规范》^[10]规定，蒸压粉煤灰砖砌体的弹性模量由式（6）计算。其中， $f$ 为砌体抗压强度设计值。

$E = 1\;060f$

(6)

由表 2可得，试验测得的数据与规范值误差较小，试验数据可用于数值模拟分析中。

3 有限元模型建立与验证 3.1 装配式蒸压粉煤灰砖墙体有限元模型

使用ABAQUS软件建立装配式墙体模型，圈梁、构造柱、墙片均采用实体单元C3D8R模拟，钢筋采用桁架单元T3D3。新型圈梁构造柱外部砌块与内部现浇混凝土分开建模，使用绑定约束模拟外部砌块与内部现浇砌体的连接以及墙体与圈梁构造柱的连接方式。选用不同的网格精度，墙体有限元模型如图 10所示。

新型砌块受压本构模型采用路军^[17]、张云杰^[18]提出的本构关系（图 11（a）），受拉本构关系采用混凝土受拉本构模型（图 11（b））^[19]。蒸压粉煤灰砖砌体采用上文实测的本构关系。由此可得新型砌块墙体模型参数取值合理且取用的本构模型考虑了新型砌块、灌芯混凝土和蒸压粉煤灰砖等复合材料的相互作用。

新型砌块受压本构关系如式（7）、（8）所示。

$\frac{\sigma }{{{\sigma _{\rm c}}}} = 2\frac{\varepsilon }{{{\varepsilon _{\rm c}}}} - {\left(\frac{\varepsilon }{{{\varepsilon _{\rm c}}}}\right)^2},\;\;\;\varepsilon \le {\varepsilon _{\rm c}}$

(7)

$\frac{\sigma }{{{\sigma _{\rm c}}}} = - 0.19\left(\frac{\varepsilon }{{{\varepsilon_{\rm c}}}}\right)+ 1.19,\;\;\;\;{\varepsilon _{\rm c}} < \varepsilon \le 4{\varepsilon _{\rm c}}$

(8)

式中， $\sigma {\text{、}}\!\!\!\varepsilon {\text{、}}\!\!\!{\sigma _{\rm c}}$ 和 ${\varepsilon _{\rm c}}$ 分别表示应力、应变、单轴受压峰值应力和峰值应变。

新型砌块受拉本构关系如式（9）、（10）所示。

$y = 1.2x - 0.2{x^6},\;\;\;\;x \le 1$

(9)

${\rm y} = \frac{x}{{{\alpha _{\rm t}}{{(x - 1)}^{1.7}} + x}},\;\;\;\;\;\;x > 1$

(10)

式中， $x = \displaystyle\frac{\varepsilon }{{{\varepsilon _{{\rm t}0}}}}$ ， $y = \displaystyle\frac{\sigma }{{f_{\rm t}^*}}$ ， ${\alpha _{\rm t}}$ 为单轴受拉应力–应变曲线的相关参数，其中， $f_{\rm t}^*$ 为混凝土的单轴抗拉强度， ${\varepsilon _{{\rm t}0}}$ 为与 $f_{\rm t}^*$ 相应混凝土峰值拉应变。

3.2 装配式砌体墙体模型验证

参照文献[20]装配式砌体墙体Q2、Q3试验值，对比分析由上文的本构模型建立的装配式砌体墙体，验证装配式砌体墙体模型各项参数设置的合理性。以装配式有筋墙体Q2和装配式无筋墙Q3为研究对象，试件尺寸为 ${\text{1}}\;990\;{\text{mm}} \times 1\;340\;{\text{mm}} \times 240\;{\text{mm}}$ ，砌筑砂浆设计强度为M10水泥砂浆，砌块内部现浇混凝土采用C30强度等级，圈梁和构造柱砌块的抗压强度为30 MPa。试件墙体参数见表 3，墙片尺寸及其布置见图 12。

采取单调加载的方式^[21–22]简化模拟加载荷载–位移曲线。参考试验墙体Q2、Q3规格尺寸，分别建立装配式普通砖墙和装配式蒸压粉煤灰砖墙体模型并进行数值模拟，得出墙体的荷载–位移骨架曲线（见图 13）及极限荷载和位移值（见表 4）。

由图13和表4所示，装配式普通砖砌体的骨架曲线与试验曲线基本一致，极限荷载和位移值误差较小，验证了装配式砌体墙体模型各项参数设置的合理性。

4 装配式圈梁构造柱约束蒸压粉煤灰砖墙体抗震性能分析

由蒸压粉煤灰砖砌体受压性能试验参数和装配式砌体墙体模型参数，建立三维有限元模型。通过改变构造措施类型和墙体材料，从极限承载力、刚度退化和延性方面对装配式蒸压粉煤灰砖墙体进行抗震性能分析。

4.1 墙体模型设计

墙体尺寸取2 800 mm（长度） $ \times $ 2 800 mm（高度） $ \times $ 240 mm（厚度）。普通砖砌块墙体采用抗压强度为15 MPa的普通烧结砖砌块，砂浆强度为10 MPa。蒸压粉煤灰砖砌块墙体采用强度为15 MPa的蒸压粉煤灰砖，砂浆强度为10 MPa。圈梁砌块和构造柱砌块的抗压强度为20 MPa，现浇混凝土的抗压强度为30 MPa，纵筋和箍筋为HRB400级钢筋，墙体模型尺寸及材料参数见表 5。

墙体顶压采用0.6 MPa，荷载通过加载梁实现。为了对比墙体各种性能参数以及承载力和刚度曲线，水平荷载的加载方式采用单调的位移控制加载，位移步长为0.5 mm，荷载控制点的位移取20 mm（荷载–位移曲线的终点一般是计算不收敛点或荷载下降到极限荷载85%时对应的点，文中模型位移为20 mm时）。

普通砖砌体墙体3个模型为WQ–1、XWQ–1和ZWQ–1，蒸压粉煤灰砖墙体3个模型为WZ–1、XWZ–1和ZWZ–1。墙体各项性能指标参数见表 6。

4.2 墙体抗震性能对比分析 4.2.1 不同类型构造措施墙体抗震性能对比分析

为研究无圈梁构造柱、现浇圈梁构造柱、装配式圈梁构造柱等不同类型构造措施对普通砖砌体墙体和蒸压粉煤灰砖墙体性能的影响，分别对比普通砖砌体墙体模型和蒸压粉煤灰砖墙体模型的各项性能指标。

由表 6得出，与无构造措施约束的普通砖砌体墙体WQ–1比较，从承载力方面分析，普通砖砌体在现浇圈梁及构造柱的约束下，墙体XWQ–1的开裂、极限和破坏荷载分别提高了77%、73%和36%。在装配式圈梁及构造柱的约束下，墙体ZWQ–1开裂、极限和破坏荷载分别提高了92%、74%和28%。从位移的延性比方面分析，极限荷载到破坏荷载阶段，现浇圈梁构造柱墙体XWQ–1破坏位移与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 较WQ–1提高了86%，装配式圈梁构造柱墙体ZWQ–1破坏与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 较WQ–1提高了101%。

与无构造措施约束的蒸压粉煤灰砖砌体墙体WZ–1相比较，从承载力方面分析，蒸压粉煤灰砌体在现浇圈梁及构造柱的约束下，墙体XZW–1开裂、极限和破坏荷载分别提高了86%、79%和49%。在装配式圈梁及构造柱的约束下，ZWZ–1开裂、极限和破坏荷载分别提高了81%、75%和38%。从位移的延性比方面分析，极限荷载到破坏荷载阶段，现浇圈梁构造柱墙体XWZ–1破坏与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 较WZ–1提升了40%，装配式圈梁构造柱墙体ZWZ–1破坏与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 较WZ–1提升了55%。

不同构造措施约束的情况下普通砖砌体墙体的荷载–位移和刚度退化曲线如图 14～15所示，蒸压粉煤灰砖墙体的荷载–位移曲线和刚度退化曲线如图 16～17所示。

不同类型的构造措施对普通砖砌体墙体和蒸压粉煤灰砖墙体影响规律类似。现浇砌体墙体和装配式砌体墙体初始刚度大，且随位移增加刚度和极限承载力趋近，滞回耗能的能力相近。达到极限荷载后，装配式砌体墙体和现浇砌体墙体承载力下降速率和刚度退化能力相差不大。

综上，装配式和现浇圈梁构造柱对普通砖砌体墙体和蒸压粉煤灰砖砌体墙体的抗震性能都有较大的提升，并且装配式圈梁构造柱和现浇圈梁构造柱对墙体承载力和刚度值的提升相差不大，刚度退化能力相近，对墙体延性的提升装配式约束情况下要优于现浇约束构造措施。

4.2.2 不同墙体材料的抗震性能对比分析

对比普通砖砌体墙体和蒸压粉煤灰砖砌体墙体抗震性能，分析两种墙体在无约束、现浇圈梁构造柱约束、装配式圈梁构造柱约束3种情况下的各项抗震性能参数。

由表6得出，从承载力方面分析，在无圈梁构造柱约束的情况下，蒸压粉煤灰砖墙体WZ–1开裂、极限和破坏荷载与普通砖砌体墙体WQ–1相差不大，相对应的荷载位移相近；蒸压粉煤灰砖墙体的开裂位移和极限位移略低于普通砖砌体，破坏位移略高于普通砖砌体墙。从延性方面分析，在极限荷载到破坏荷载阶段，蒸压粉煤灰砖墙体WZ–1破坏位移与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 较墙体WQ–1提升27%。

在现浇圈梁构造柱约束下，蒸压粉煤灰砖墙体XWZ–1开裂、极限和破坏荷载略大于普通砖砌体墙体ZWQ–1，蒸压粉煤灰砖墙体的开裂和极限位移与普通砖砌体墙体相近。

在装配式圈梁构造柱约束下，蒸压粉煤灰砖墙体ZWZ–1开裂、极限和破坏荷载略大于普通砖砌体墙体XWQ–1。从延性方面分析，极限荷载到破坏荷载阶段，蒸压粉煤灰砖墙体ZWZ–1破坏位移与极限位移的比值 $\Delta f/\Delta u$ 与墙体ZWQ–1相近。

不同墙体材料在3种类型的构造措施约束下的荷载–位移和刚度–位移曲线见图 18～19。

由图 18、19可得出，蒸压粉煤灰砖墙体的荷载–位移曲线上升段略大于普通砖砌体墙体，下降段曲线较为接近。两者墙体的刚度退化曲线较为吻合，即墙体的初始刚度值和刚度退化率相差不大。

综上，蒸压粉煤灰砖墙体和普通砖砌体墙体在不同构造措施约束情况下延性和刚度退化率等性能相近，承载力较大。因此蒸压粉煤灰砖墙体抗震性能略优于普通砌体墙体。

4.2.3 装配式蒸压粉煤灰砖墙体与其他墙体的对比分析

以装配式蒸压粉煤灰砖砌体墙体ZWZ-1为研究对象，分别对比其他形式的5个墙体模型，从而说明装配式蒸压粉煤灰砖砌体墙体的抗震性能。所有墙体模型的荷载–位移曲线和刚度–位移曲线见图 20～21。

由图 20～21得出，装配式蒸压粉煤灰砖墙体的荷载–位移曲线、刚度退化曲线与装配式普通砖墙体、现浇蒸压粉煤灰砖墙体、现浇普通砖墙体3种墙体的承受荷载相近。同时装配式蒸压粉煤灰砖墙体承受荷载值和位移延性远高于无构造措施的普通砖砌体墙体和蒸压粉煤灰砖墙体。

综上，装配式蒸压粉煤灰砖墙体的抗震性能与装配式普通砖砌体、现浇蒸压粉煤灰砖砌体、现浇普通砖砌体三种砌体墙的抗震性能相近，且抗震性能远远优于无构造措施的砖砌体墙体。

5 结　论

为解决砌体建筑中现浇砖砌体结构抗震性能较差及墙体材料耗能大等缺点，针对砌体结构提出了装配式圈梁构造柱约束蒸压粉煤灰砖墙体，并提出了适用于此类墙体的施工方法，然后对其开展了抗震性能分析，主要结论如下。

1）提出了四类新型配筋砌块型式，并配有3种不同规格尺寸，相较于传统砖砌体结构型式，此新型装配式砌体结构的适用范围更广、施工工艺简便。

2）对不同砂浆强度的蒸压粉煤灰砖砌体短柱进行了轴心受压试验，分析其破坏形态和变形特征并提出了蒸压粉煤灰砖应力–应变曲线、抗压强度和弹性模量值，为建立蒸压粉煤灰砖墙体有限元模型提供了相应本构参数。

3）装配式圈梁构造柱和现浇圈梁构造柱对普通砌体墙体和蒸压粉煤灰砖砌体墙体的抗震性能具有明显提升作用，两种构造约束对墙体承载力和刚度的影响规律相近，且装配式构造措施约束下墙体的延性优于现浇构造措施约束的墙体。

4）蒸压粉煤灰砖墙体承载力较大且抗震性能优于普通砖墙体，两种墙体的延性和刚度退化率等性能指标较为接近。