外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱加固砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究

繆海林,宣衛(wèi)紅,左 熹,陳育志

(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院,江蘇 南京 211169)

砌體房屋是我國農(nóng)村量大面廣的結(jié)構(gòu)形式。在歷次震害中,砌體結(jié)構(gòu)的震害通常比較嚴(yán)重。2008年汶川特大地震中嚴(yán)重?fù)p壞房屋達(dá)593.25萬間,倒塌房屋546.19萬間,受損房屋1 500萬間以上[1]。震后對汶川縣城各結(jié)構(gòu)類型的抽樣調(diào)查表明,砌體結(jié)構(gòu)房屋棟數(shù)占樣本所有類型房屋棟數(shù)的72.22%,建筑面積占60.23%。其中,嚴(yán)重破壞或者倒塌的砌體房屋占砌體房屋總數(shù)的52%,破壞程度在中等及以上的砌體房屋占砌體房屋總數(shù)的90%以上[2]。由于在我國農(nóng)村自住房屋多為自主建設(shè),建設(shè)時(shí)較少考慮地震設(shè)防，砌體結(jié)構(gòu)抗震性能相對較差。砌體結(jié)構(gòu)抗震性能相對較差,。因此,如何有效加固這一類抗震性能較差的砌體結(jié)構(gòu)房屋是一個(gè)亟待解決的問題。

砌體結(jié)構(gòu)具有成本低廉、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn),但作為主要承載構(gòu)件的墻體是一種弱聯(lián)結(jié)體系,在地震動(dòng)作用下容易發(fā)生開裂;另外,由于缺少抗震第二道防線,體系單薄,砌體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用時(shí)會(huì)因?yàn)閴w的錯(cuò)動(dòng)而剛度突變、面外失穩(wěn),進(jìn)而局部坍塌或整體傾覆。因此,有必要研究砌體結(jié)構(gòu)有效、經(jīng)濟(jì)的加固方法,以增加其整體性和塑性變形能力,從而提高抗震性能。

目前砌體加固技術(shù)主要分為碳纖維布加固、鋼筋網(wǎng)復(fù)合砂漿加固、鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固等[3-6]。通過研究加固前后的破壞形態(tài)、承載能力、變形能力、剛度退化、滯回特性以及耗能能力等抗震性能,可以證明加固方案的有效性和可行性[7-9]。

本文提出一種對原結(jié)構(gòu)影響較小的外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱抗震加固技術(shù),采用構(gòu)造柱與圈梁組成的體系加固原有磚混墻體,加固時(shí)無需改動(dòng)原結(jié)構(gòu)內(nèi)部,僅在原結(jié)構(gòu)外部增設(shè)地梁和圈梁,并在梁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置立柱,形成梁-柱的構(gòu)架式外貼體系,將原有老舊住宅結(jié)構(gòu)固定在該構(gòu)架體系上,以此加強(qiáng)原有建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能。這種方法施工簡便，速度快,質(zhì)量可靠,抗震性能好,在施工過程中簡化了現(xiàn)澆鋼筋混凝土濕作業(yè)工序,不需要購置或租賃大量鋼(木)模板,不需要使用鋼筋切割設(shè)備,現(xiàn)場勞動(dòng)強(qiáng)度低,節(jié)約施工成本。

1 圈梁構(gòu)造柱加固砌體結(jié)構(gòu)

圈梁構(gòu)造柱加固可采用現(xiàn)澆和預(yù)制外貼兩種方式?，F(xiàn)澆方式加固是在墻體上支架模板,澆筑混凝土以形成整體構(gòu)造柱圈梁框架;預(yù)制外貼加固是先預(yù)制邊柱和橫梁,采用灌漿料將邊柱和橫梁與墻體粘結(jié)在一起,形成具有圈梁構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)體系。

本文分析的墻體厚度為240 mm,磚塊采用240 mm×115 mm×53 mm的MU10實(shí)心黏土磚,采用M2.5和M5兩種砌筑砂漿,加固構(gòu)造柱截面為240 mm×180 mm,圈梁截面為180 mm×150 mm,構(gòu)造柱、圈梁縱筋及箍筋均為HPB235級鋼,均采用C20細(xì)石混凝土。圈梁構(gòu)造柱加固墻體見圖1,構(gòu)造柱和圈梁的尺寸及配筋見圖2。

(a)現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱

(b)預(yù)制圈梁構(gòu)造柱

圖2 構(gòu)造柱和圈梁的尺寸及配筋

2 結(jié)構(gòu)損傷特性的數(shù)值模擬

2.1 損傷變量

損傷可分為拉伸型和壓縮型兩種。拉伸型損傷是由拉應(yīng)力主導(dǎo)，其特點(diǎn)是裂紋形成和與裂紋方向正交的抗拉強(qiáng)度喪失,表征結(jié)構(gòu)的拉伸破壞情況;壓縮型損傷是由壓應(yīng)力主導(dǎo)，其特點(diǎn)是許多微小裂紋擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全喪失,表征結(jié)構(gòu)的壓縮破壞情況。在塑性損傷分析中，損傷變量可以定量描述結(jié)構(gòu)單元的破壞程度,拉伸損傷變量和壓縮損傷變量分別描述結(jié)構(gòu)的拉伸和壓縮損傷情況。

ABAQUS中的損傷模型是基于塑性的連續(xù)損傷模型,拉伸和壓縮損傷變量的定義和演化律是通過各自對應(yīng)的一系列數(shù)值給出的。損傷變量一般介于0和1之間,端點(diǎn)值分別表示初始無損狀態(tài)和最后完全損傷狀態(tài)。拉伸損傷變量和壓縮損傷變量隨非彈性應(yīng)變的變化分別如圖3和圖4所示。

圖3 拉伸損傷變量隨非彈性應(yīng)變的變化曲線

圖4 壓縮損傷變量隨非彈性應(yīng)變的變化曲線

2.2 損傷分布特征分析

基于ABAQUS有限元計(jì)算平臺(tái),采用基于塑性的連續(xù)損傷模型,建立圈梁構(gòu)造柱抗震加固砌體結(jié)構(gòu)的有限元模型。構(gòu)造柱、圈梁采用C20混凝土的力學(xué)計(jì)算參數(shù),墻體磚塊采用MU10黏土磚的計(jì)算參數(shù)。

圖5 循環(huán)荷載加載過程

以寬高比為0.61的圈梁構(gòu)造柱加固砌體結(jié)構(gòu)為研究對象,圈梁構(gòu)造柱與墻體結(jié)構(gòu)均采用八結(jié)點(diǎn)單元模擬,混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋采用等效剛度法進(jìn)行模擬。作用力施加于圈梁軸心位置,方向由左向右。循環(huán)荷載隨循環(huán)周數(shù)逐步遞增,如圖5所示。

圖6和圖7分別為結(jié)構(gòu)體系拉伸損傷云圖和壓縮損傷云圖，可以看出：結(jié)構(gòu)的損傷以拉伸損傷為主，并且拉伸損傷的面積遠(yuǎn)大于壓縮損傷的面積；未采用圈梁構(gòu)造柱加固的墻體在往復(fù)荷載作用下，墻體在荷載作用位置以下部分幾乎完全失效，而采用圈梁構(gòu)造柱加固的結(jié)構(gòu)體系在往復(fù)荷載作用下，墻體內(nèi)會(huì)逐漸形成拉伸裂縫并向?qū)欠较驍U(kuò)展，最終破壞時(shí)墻體形成斜向主裂縫，梁柱節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)明顯損傷，圈梁損傷較弱；加固和未加固兩種結(jié)構(gòu)體系僅在靠近加載點(diǎn)區(qū)域存在輕度的壓縮損傷。

(a)圈梁構(gòu)造柱磚混結(jié)構(gòu)體系

(b)未加固的砌體結(jié)構(gòu)

(a)圈梁構(gòu)造柱磚混結(jié)構(gòu)體系

(b)未加固的砌體結(jié)構(gòu)

2.3 損傷指數(shù)分析

由于材料的拉伸和壓縮都會(huì)引起損傷,因此損傷指數(shù)D可以以拉伸和壓縮疊加的形式表達(dá),即:

D=aDt+(1-a)Dc

(1)

式中:Dt為拉伸損傷指數(shù),Dc為壓縮損傷指數(shù),a為比例因子。a為一個(gè)小于1的正數(shù),它取不同的值時(shí),表示拉壓損傷在總損傷中的占比不同,這有利于研究不同材料的力學(xué)損傷行為。對于混凝土材料和墻體材料而言,抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度,因此,應(yīng)以混凝土的拉伸損壞作為構(gòu)件損傷破壞的衡量標(biāo)準(zhǔn),取a=1。

通過損傷分析,可以獲知圈梁構(gòu)造柱加固砌體結(jié)構(gòu)體系的損傷分布特征。為反映圈梁構(gòu)造柱體系和墻體結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下的損傷情況,需要對結(jié)構(gòu)整體的損傷度進(jìn)行量化,本文采用整體損傷指數(shù)的形式進(jìn)行衡量。

首先,根據(jù)損傷變量的分布來定義局部損傷指數(shù)。將結(jié)構(gòu)體系分為若干個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域包含了若干個(gè)有限單元。通過非線性分析可以得到各單元的損傷變量,局部損傷指數(shù)定義為區(qū)域內(nèi)各單元損傷變量的加權(quán)平均,取單元面積為權(quán)重系數(shù),即:

(2)

式中:Di為區(qū)域i的局部損傷指數(shù),dj為區(qū)域i中第j個(gè)單元的損傷因子,Sj為區(qū)域i中第j個(gè)單元的單元面積。

其次,對局部損傷指數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均得到整體損傷指數(shù),將局部能耗作為權(quán)重系數(shù)。因?yàn)閾p傷比較嚴(yán)重的區(qū)域,能耗也會(huì)較大,所以以能耗作為權(quán)重系數(shù)可以充分考慮損傷嚴(yán)重區(qū)域的權(quán)重,更為科學(xué)地衡量結(jié)構(gòu)的整體損傷,計(jì)算公式為:

(3)

式中:H為整體損傷指數(shù),Ei為區(qū)域i的局部能耗。

根據(jù)以上分析,得到圈梁構(gòu)造柱磚混結(jié)構(gòu)體系和未加固的砌體結(jié)構(gòu)的能耗和整體損傷指數(shù)(圖8和圖9)?？梢钥闯?圈梁構(gòu)造柱加固后的磚混結(jié)構(gòu)耗散能量更多,整體損傷程度明顯更小,說明圈梁構(gòu)造柱可以提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖8 耗散能量情況

圖9 整體損傷指數(shù)情況

3 結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)

上述數(shù)值模擬結(jié)果證明了圈梁構(gòu)造柱加固對磚墻抗震性能的提升作用,為了進(jìn)一步說明現(xiàn)澆和預(yù)制兩種方式對砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,通過試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。

3.1 模型制作

試驗(yàn)共采用4片不同加固方案的模型墻體,其中以現(xiàn)澆方式加固的墻體2片,以預(yù)制方式加固的墻體2片,具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 加固墻體參數(shù)

3.2 試驗(yàn)裝置與加載方案

圖10 試驗(yàn)加載系統(tǒng)

試驗(yàn)在金陵科技學(xué)院結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室完成,采用多通道電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載,該試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)豎直和水平兩個(gè)方向同時(shí)配合加載,如圖10所示。豎直方向配有兩個(gè)最大荷載為1 000 kN的作動(dòng)器,用于施加豎直方向的壓荷載;水平方向配有最大荷載為500 kN的作動(dòng)器,施加水平方向推拉往復(fù)荷載,最大頻率為10 Hz。

首先由豎向作動(dòng)器施加100 kN荷載并保持穩(wěn)定不變，然后由水平作動(dòng)器對加固墻體施加水平循環(huán)荷載，循環(huán)荷載隨著循環(huán)周數(shù)逐步遞增，如圖5所示。當(dāng)墻體結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段，加載采用位移控制。在加固墻體的圈梁跨中位置和構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)位置分別設(shè)置位移測點(diǎn)，用于測量墻體結(jié)構(gòu)在水平循環(huán)荷載作用下的位移變化。

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象

試驗(yàn)過程中各墻體的變化過程如圖11和圖12所示。隨著荷載逐步增大,當(dāng)荷載接近400 kN時(shí),首先在墻面上沿灰縫出現(xiàn)一條或幾條不連續(xù)的斜裂縫,與水平方向大致呈45°。隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加,在砌體中不斷出現(xiàn)新裂縫。墻體初裂后,位移幅值較荷載幅值增加更快,圈梁構(gòu)造柱與墻體的粘結(jié)出現(xiàn)滑移。在荷載的反復(fù)作用下,墻面形成交叉斜裂縫。斜裂縫不斷開展與閉合,使得原有裂縫不斷延伸,向角部擴(kuò)展,直到貫通,如圖11(a)所示。此時(shí)構(gòu)造柱不僅出現(xiàn)水平裂縫,而且逐漸產(chǎn)生斜裂縫,如圖11(b)所示。雖然這時(shí)荷載增加不多,但墻體結(jié)構(gòu)變形卻增加較多,構(gòu)造柱明顯地發(fā)揮了對墻體的約束作用。極限荷載后,隨著位移幅值的增加,構(gòu)造柱四角裂縫加寬,混凝土及墻面裂縫處磚塊逐漸酥碎剝落。對比圖11和圖12可以看出，采用預(yù)制圈梁構(gòu)造柱加固的墻體無論是磚墻還是構(gòu)造柱破壞程度均低于現(xiàn)澆加固墻體，主要原因是預(yù)制的圈梁構(gòu)造柱具有更優(yōu)的澆筑質(zhì)量，采用的灌漿料與墻體的粘結(jié)強(qiáng)度也更高。

(a)墻體內(nèi)部斜裂縫

(b)構(gòu)造柱裂縫

(a)墻體內(nèi)部斜裂縫

(b)構(gòu)造柱裂縫

3.4 滯回曲線分析

各加固墻體的荷載與水平位移的滯回曲線如圖13所示。可以看出:在荷載施加初期,各加固墻體均處于彈性階段,整體性較好,滯回曲線基本為直線,剛度值幾乎不變,耗能很少;隨著加載持續(xù),滯回環(huán)的面積增大,加固墻體出現(xiàn)一定的塑性變形,并存在殘余變形,剛度明顯退化;隨著加固墻體裂縫逐漸開展,滯回曲線呈“S”形,滯回圈面積相應(yīng)增大,殘余變形也逐漸加大,并且由于墻體中斜裂縫的張翕以及剪切變形的影響,荷載-位移曲線出現(xiàn)了捏攏現(xiàn)象;當(dāng)荷載達(dá)到極限值后,位移成倍增長,滯回環(huán)更加飽滿,并向水平方向發(fā)展,捏攏趨勢更加明顯。各種加固墻體在受力過程中能形成完整的、面積較大的滯回環(huán),說明試驗(yàn)墻體在達(dá)到極限荷載后仍有一定的耗能能力和抗倒塌能力,證明采用圈梁構(gòu)造柱加固措施可以顯著提高墻體的抗震性能,加固后的結(jié)構(gòu)具有較好的變形能力。采用不同加固方式的墻體表現(xiàn)出不同的動(dòng)力滯回效應(yīng),可以看出:不同墻體在循環(huán)荷載的作用下產(chǎn)生的滯回變形幅值有所不同,現(xiàn)澆方式加固墻體XJ-1、XJ-2的變形幅值與外貼預(yù)制加固墻體YZ-2的變形幅值較為接近,明顯大于外貼預(yù)制加固墻體YZ-1。這說明墻體YZ-1的抗震性能較好,整體性優(yōu)于其余加固墻體,表明外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱加固措施的抗震效果能夠達(dá)到甚至超過現(xiàn)澆圈梁構(gòu)造柱加固方式。另外,YZ-1和YZ-2的試驗(yàn)結(jié)果表明在抗震設(shè)計(jì)中砂漿強(qiáng)度對保證結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性有重要作用。

(a)XJ-1

(b)XJ-2

(c)YZ-1

(d)YZ-2

3.5 滯回耗能分析

循環(huán)荷載輸入的能量在結(jié)構(gòu)中以動(dòng)能、彈性應(yīng)變能、阻尼耗能、滯回耗能等形式存在,其中動(dòng)能和彈性應(yīng)變能只參與能量的轉(zhuǎn)化,不參與能量的吸收,能量主要通過滯回耗能耗散。因此,滯回耗能是衡量抗震性能的重要指標(biāo)之一,它以構(gòu)件裂縫的開展和塑性發(fā)展為代價(jià)來吸收和耗散地震能量。

通過Fortran自編程序計(jì)算圈梁跨中和構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)的滯回耗能,得出滯回耗能與循環(huán)周數(shù)的關(guān)系,如圖14所示。可以看出:當(dāng)加載周數(shù)處于前期時(shí),圈梁基本處于彈性狀態(tài),滯回耗能以可恢復(fù)的彈性應(yīng)變能為主。隨著加載周數(shù)逐漸加大,構(gòu)件由彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變,塑性不斷提升，裂縫不斷發(fā)展,滯回耗能在加載周數(shù)后期有較大的提高。不同墻體的能量耗散效應(yīng)有所不同,其中墻體YZ-1的滯回耗能最大,說明該墻體結(jié)構(gòu)吸收和消耗能量最多,抗震性能最好。

(a)圈梁跨中

(b)構(gòu)造柱節(jié)點(diǎn)

4 結(jié) 語

本文對采用圈梁構(gòu)造柱加固后的墻體進(jìn)行抗震性能研究,對比了損傷特性、滯回曲線、滯回耗能等方面的效應(yīng),對不同加固方法進(jìn)行全面和有效的評價(jià),得出的主要結(jié)論如下:1)外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱體系可有效提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能,加固后的結(jié)構(gòu)具有較好的變形能力和耗能能力;2)外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱體系在達(dá)到宏觀破壞時(shí),構(gòu)造柱的周圍出現(xiàn)大量的拉伸裂縫,并呈現(xiàn)斜向延伸的趨勢;3)加固后的墻體在受力過程中能形成完整的、面積較大的滯回環(huán),說明試驗(yàn)墻體在達(dá)到極限荷載后仍有一定的耗能能力,具有一定的抗倒塌能力;4)采用現(xiàn)澆和預(yù)制方式的圈梁構(gòu)造柱體系產(chǎn)生的能量效應(yīng)有所不同,預(yù)制圈梁構(gòu)造柱加固墻體YZ-1的滯回耗能最大,吸收和消耗能量最多,抗震性能最好,說明采用本文提出的外貼預(yù)制圈梁構(gòu)造柱加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)能夠保證良好的抗震性能。