震損砌體結(jié)構(gòu)鋼-組合砂漿加固技術(shù)及抗震性能研究*

馮 羽,喬崎云

(1.中交建筑集團(tuán)第四工程有限公司,北京 100011; 2.北京工業(yè)大學(xué),北京 100124)

0 引言

由石、磚等砌塊和砂漿混合砌筑而成的結(jié)構(gòu)稱為砌體結(jié)構(gòu)。由于取材便易、造價(jià)低廉、施工難度低、保溫隔熱及耐久性能好等優(yōu)點(diǎn),自古至今砌體結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè),是世界現(xiàn)存量最大的建筑結(jié)構(gòu)類型[1-2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),砌體結(jié)構(gòu)是我國采用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)形式,95%以上的砌體結(jié)構(gòu)采用燒結(jié)普通磚作為主要砌塊[3]。

砌體結(jié)構(gòu)雖擁有較高的抗壓強(qiáng)度,但其抗彎、抗剪及抗拉強(qiáng)度很低,且自重大,因而其抗震性能較差,進(jìn)而導(dǎo)致其在歷次地震災(zāi)害中受損最嚴(yán)重[4-6]。2008年汶川8.0級(jí)大地震中,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),汶川縣的377棟砌體結(jié)構(gòu)房屋中有196棟發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷及倒塌,占比超過了50%,有345棟發(fā)生中等及以上損傷,占比超過了90%[7],如圖1所示。2010年于玉樹的7.1級(jí)地震中,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),砌體結(jié)構(gòu)房屋發(fā)生中等損傷的占比約為15%,發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷的(多為居民自建房)占比約為50%[8]。

圖1 地震災(zāi)害后砌體結(jié)構(gòu)受損Fig.1 Masonry structures damaged after earthquake disaster

近年來,隨著建筑科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步及社會(huì)群眾安全意識(shí)的不斷提高,建筑結(jié)構(gòu)被提以更高的抗震設(shè)計(jì)要求,建筑抗震設(shè)計(jì)理論及技術(shù)得以發(fā)展與完善。GB 50003—2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]規(guī)定,砌體結(jié)構(gòu)須根據(jù)所在地區(qū)抗震設(shè)防要求及自身參數(shù)合理設(shè)計(jì)并配置圈梁及構(gòu)造柱,并對(duì)具體構(gòu)造措施提出了更高的要求。

由于地震災(zāi)害很難避免,既有砌體結(jié)構(gòu)在地震作用后會(huì)有不同程度的震損。雖現(xiàn)階段砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理念不斷完善且多種較成熟的既有無損砌體結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)層出不窮,但針對(duì)地震受損砌體結(jié)構(gòu)的加固改造技術(shù)研究相對(duì)較少,已逐漸受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。

喬雨蒙[10]將CFRP加固技術(shù)應(yīng)用于震后受損結(jié)構(gòu)的加固中,已嚴(yán)重?fù)p傷的輕質(zhì)砌體填充墻經(jīng)CFRP修復(fù)與加固后,其抗震性能優(yōu)于加固前初始試件,且CFRP的加固效果隨震損程度的增加而減弱。鄧明科等[11]利用高延性混凝土(HDC)對(duì)某震損后縮尺砌體房屋進(jìn)行加固,振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明:HDC面層加固后可提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和變形能力。Mohammad等[12]采用鋼絲網(wǎng)對(duì)地震中受損的砌體墻進(jìn)行裂縫修補(bǔ)加固,加固后的墻體剛度及極限承載力得到提升,快硬性水泥砂漿可使鋼絲網(wǎng)與墻體較好地進(jìn)行協(xié)同工作。

砌體墻作為砌體結(jié)構(gòu)的主要抗側(cè)力構(gòu)件,其震損后的加固改造工作是防震減災(zāi)的重心。

1 磚砌體墻震損試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

結(jié)合典型磚砌體結(jié)構(gòu)特征及《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,共設(shè)計(jì)2片燒結(jié)普通磚砌體墻試件W-1,W-2。為研究不同震損程度對(duì)加固效果的影響,試件W-1,W-2加載終止位移角分別為0.6%,1.0%;豎向壓應(yīng)力均為0.25MPa。

試件的具體構(gòu)造如圖2所示,構(gòu)造柱約束燒結(jié)普通磚砌體墻試件由鋼筋混凝土基礎(chǔ)梁、墻體、構(gòu)造柱及鋼筋混凝土加載梁組成,構(gòu)造柱與墻體間采用馬牙槎連接以增強(qiáng)整體性。其中,基礎(chǔ)梁尺寸為450mm×410mm×1 800mm,加載梁尺寸為300mm×300mm×1 500mm,砌墻體尺寸為1 140mm×240mm×1 300mm,采用M7.5普通黏土燒結(jié)標(biāo)準(zhǔn)磚,灰縫厚度嚴(yán)格控制為10mm,以保證試件砌筑質(zhì)量;構(gòu)造柱尺寸為240mm×150mm×1 140mm,試件均采用C30混凝土,砂漿配合比為水泥∶中砂=1∶5.3。

1.2 砌體結(jié)構(gòu)材料性能

構(gòu)造柱采用φ14 HRB400級(jí)鋼筋及φ6 HPB300級(jí)鋼筋,按GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[13]測(cè)定鋼筋的材料性能,如表1所示。

表1 鋼筋力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of steel reinforcement

試件澆筑構(gòu)造柱采用C30商用混凝土,按GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]要求測(cè)定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為36.5MPa;砂漿配合比為水泥∶中砂=1∶5.3,按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]要求測(cè)定砌筑砂漿立方體抗壓強(qiáng)度為2.8MPa;砌筑磚采用M7.5普通黏土燒結(jié)標(biāo)準(zhǔn)磚,按GB/T 2542—2012《砌墻磚試驗(yàn)方法》[16]要求測(cè)定磚的抗壓強(qiáng)度為12.4MPa。

1.3 加載方案

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示,采用水平及豎向2個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行加載。試驗(yàn)時(shí),首先施加豎向荷載至5kN后持荷一定時(shí)間以壓實(shí)試件,然后施加豎向荷載至試件豎向壓應(yīng)力達(dá)到0.25MPa,在水平荷載作用過程中保持豎向荷載恒定。水平荷載加載全程采用位移控制[17],每級(jí)加載循環(huán)2次;設(shè)加載梁中心的水平位移/加載梁中心至基礎(chǔ)頂面的豎向距離(1 290mm)為控制位移角,當(dāng)控制位移角達(dá)到0.1%前,每級(jí)位移角增量為0.02%,以較精確地觀測(cè)試件的開裂荷載,當(dāng)控制位移角達(dá)到0.1%后,每級(jí)位移角增量為0.1%,直至控制位移角達(dá)到目標(biāo)位移角后停止加載。

圖3 加載裝置Fig.3 Loading device

1.4 震損試驗(yàn)現(xiàn)象

震損試驗(yàn)中各試件裂縫發(fā)展情況如圖4所示。構(gòu)造柱下部首先出現(xiàn)彎曲裂縫,隨著加載位移角的增大,墻體出現(xiàn)沿磚塊的梯形剪切斜裂縫;位移角加至0.2%時(shí),墻體磚塊出現(xiàn)碎裂,在對(duì)角線方向出現(xiàn)一條主剪切斜裂縫;位移角加載至0.6%時(shí),墻體出現(xiàn)若干斜向裂縫并向兩側(cè)構(gòu)造柱斜向延伸;位移角達(dá)到1.0%時(shí),墻體灰縫開始松動(dòng)掉灰,墻體中部磚塊碎裂并開始剝落。

圖4 震損試件裂縫Fig.4 Crack of seismic damaged specimens

1.5 震損試驗(yàn)滯回曲線及骨架曲線

滯回曲線為結(jié)構(gòu)在擬靜力低周往復(fù)荷載作用下記錄得到的荷載-位移曲線,即P-Δ曲線,可對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、變形能力和耗能能力等性能進(jìn)行較全面的描述,綜合反映墻體在加載過程中的恢復(fù)力特性。震損試件滯回曲線及骨架曲線如圖5所示。其中,位移Δ是指加載梁中心(距基礎(chǔ)梁頂面 1 290mm)的水平位移,水平力F以推力為正,拉力為負(fù)。由圖5可知,試件W-1,W-2加載至固定位移角,W-1滯回曲線處于彈塑性階段,W-2滯回曲線出現(xiàn)下降段。

圖5 震損試件滯回曲線及骨架曲線Fig.5 Hysteresis curve and skeleton curve of specimen

2 震損后砌體結(jié)構(gòu)加固施工設(shè)計(jì)

2.1 加固方案

基于以往學(xué)者相關(guān)研究,進(jìn)行鋼及聚合物砂漿組合加固設(shè)計(jì)。加固方案具體為:在結(jié)構(gòu)四角布置 ∟63×63×3 角鋼,角鋼間橫向布置間距100mm水平向鋼絲,連接方式均為焊接,從而使各鋼構(gòu)件間形成相互牽制整體,對(duì)墻體形成有效約束,最終在結(jié)構(gòu)表面涂抹一層25mm厚砂漿面層。其中,角鋼翼緣開間距150mm橢圓形孔洞以保證與砂漿面層的有效粘接,如圖6所示。墻體局部采用250mm寬聚合物砂漿條帶,其余部分采用普通砂漿面層。加固所用鋼材除鋼絲外,均為同批鋼板冷加工成型,具體加固方案如圖7所示,其中普通砂漿配合比為:砂:水泥=3∶1。加固后試件記為W-1S,W-2S。

圖6 輕型角鋼具體構(gòu)造Fig.6 Specific details of lightweight angle steels

圖7 加固后試件構(gòu)造Fig.7 Specimen details after retrofitting

圖8 加固施工Fig.8 Reinforcement construction

2.2 加固施工流程

震損后砌體結(jié)構(gòu)加固工藝流程如8所示。①外墻打磨 為保障砂漿面層與墻體粘接強(qiáng)度,除去墻體表面粉刷層(白灰);②局部修復(fù) 對(duì)結(jié)構(gòu)局部損傷嚴(yán)重部分進(jìn)行修復(fù);③角鋼安置 將角鋼分別安置于結(jié)構(gòu)四角,并與鋼墊板焊接;④定位 根據(jù)加固方案施工圖,在鋼框、角鋼及墻體表面標(biāo)記出鋼絲及條帶位置;⑤鋼絲焊接 將鋼絲按標(biāo)定位置焊接,使角鋼與鋼框間形成相互牽制整體;⑥砂漿抹面 根據(jù)設(shè)計(jì)方案分別在外墻外側(cè)相應(yīng)位置涂抹25mm厚聚合物砂漿及普通砂漿(由于砂漿面層厚度較大,需按3～4次分層涂抹,每次涂抹需在上層砂漿初凝前);⑦養(yǎng)護(hù) 對(duì)砂漿面層定期澆水養(yǎng)護(hù)。

對(duì)加固所涉及材料按相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行留樣,并處于加固試件同等條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù),加固流程嚴(yán)格按相關(guān)施工驗(yàn)收規(guī)程進(jìn)行,以保障施工質(zhì)量。

2.3 加固材料性能

角鋼采用Q235級(jí)鋼材,根據(jù)《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》[13]的要求進(jìn)行材料性能試驗(yàn),角鋼及鋼筋的材料性能如表2所示。此外,試件加固所用的聚合物砂漿及普通砂漿按《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]要求進(jìn)行材料性能試驗(yàn),相關(guān)材料性能如表3所示。

表2 鋼材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel

表3 聚合物砂漿及普通砂漿的材料性能Table 3 Material properties of polymer mortar and normal mortar

3 砌體墻震損加固后擬靜力試驗(yàn)

3.1 加載方案

本試驗(yàn)采用位移控制方法,與震損試驗(yàn)加載方式相同,試驗(yàn)加載裝置及位移計(jì)布置如圖9所示。當(dāng)試件水平承載力下降到峰值荷載的85%以下或試件出現(xiàn)明顯破壞特征時(shí),停止試驗(yàn)。

圖9 加載裝置及位移計(jì)布置Fig.9 Loading device and arrangement of LVDTs

3.2 震損砌體墻加固后試驗(yàn)現(xiàn)象

試件加固后的破壞現(xiàn)象類似,主要破壞過程如圖10,11所示。加載至0.04%位移角時(shí),聚合物砂漿條帶與普通砂漿交界處有斜裂縫產(chǎn)生,西側(cè)墻體底部有豎向裂縫開展;加載至0.20%位移角時(shí),墻體普通砂漿三角區(qū)域出現(xiàn)較多斜裂縫,墻體有新剪切斜裂縫產(chǎn)生并延伸至加載梁;東西側(cè)構(gòu)造柱側(cè)面有新彎曲橫向裂縫開展(見圖10a, 11a);加載至0.40%位移角時(shí),墻體原有裂縫繼續(xù)延伸且有新裂縫開展,最大縫寬為1.00mm,西側(cè)墻體腳部出現(xiàn)豎向裂縫;加載至0.80%位移角時(shí),聚合物砂漿條帶與普通砂漿交界處砂漿層碎裂,有輕微剝落現(xiàn)象;加載至0.90%位移角時(shí),聚合物砂漿條帶整體凸出;加載至1.20%位移角時(shí),砂漿層剝落(見圖10b,11b),冷拔高強(qiáng)鋼絲與角鋼連接處焊點(diǎn)斷裂(見圖10c,11c)。

圖10 試件W-1S的破壞形態(tài)及裂縫分布Fig.10 Failure modes and crack distribution of specimen W-1S

圖11 試件W-2S的破壞形態(tài)及裂縫分布Fig.11 Failure modes and crack distribution of specimen W-2S

3.3 滯回性能

試件加固前后的F-Δ滯回曲線對(duì)比如圖12所示。其中,位移是指加載梁中心(距基礎(chǔ)梁頂面 1 290mm) 的水平位移;水平力以推力為正,拉力為負(fù)。震損較輕微試件W-1(加固前荷載未至峰值)加固后的滯回性能得到了提升,震損較嚴(yán)重試件W-2(加固前荷載已達(dá)峰值)加固后的滯回性能得到了基本恢復(fù)。對(duì)于不同位移角震損的有構(gòu)造柱試件,0.6%位移角震損試件W-1S的承載能力要高于1.0%位移角震損試件W-2S的承載能力,且試件W-1S的承載能力提升更明顯。

圖12 試件加固前后的滯回曲線Fig.12 Hysteretic curves of each specimen before and after retrofitting

3.4 骨架曲線

骨架曲線是由試件滯回曲線在各級(jí)加載循環(huán)中峰值點(diǎn)連成的包絡(luò)線。通過試驗(yàn)所得的骨架曲線,可更直觀地看出荷載與位移的關(guān)系,較全面地反映墻體的抗震性能。試件加固后的骨架曲線對(duì)比如圖13所示。由圖13可知,對(duì)于不同位移角震損的試件,0.6%位移角震損加固后試件W-1S的骨架曲線增長(zhǎng)速率明顯高于1.0%位移角震損試件W-2S的骨架曲線增長(zhǎng)速率。

圖13 試件加固后的骨架曲線Fig.13 Skeleton curves of each specimen after retrofitting

3.5 承載能力及變形能力

各試件加固后的荷載特征值如圖14a所示,其中,Fy為屈服荷載,Fp為峰值荷載,屈服荷載通過能量等值法[16]求得。各試件加固后的位移特征值如圖14b所示,其中,Δy為屈服位移,Δp為峰值位移。

圖14 承載能力及變形能力Fig.14 The bearing capacity and deformability

由圖14可知,相較于試件W-1S,試件W-2S的Fy,Fp分別降低了25.79%,20.41%;Δy,Δp分別提高了87.96%,51.80%。由此可看出,隨著震損程度的提高,加固后試件的承載能力逐漸降低,變形能力逐漸增強(qiáng)。

3.6 剛度退化

在對(duì)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)的試件進(jìn)行抗震性能分析時(shí),常用試件加載過程中峰值荷載的割線剛度作為衡量試件剛度變化的依據(jù)。各試件名義剛度退化曲線如圖15所示。其中,各名義剛度取各加載級(jí)第一循環(huán)的正負(fù)向峰值荷載均值與對(duì)應(yīng)位移均值的比值/試件初始剛度,各位移取各加載級(jí)第一循環(huán)的正負(fù)向峰值荷載對(duì)應(yīng)位移均值。

圖15 名義剛度退化曲線Fig.15 Stiffness degradation curves

由圖15可知,0.6%位移角震損加固后試件W-1S比1.0%位移角震損加固后試件W-2S的名義剛度退化慢,說明隨著震損程度的增大,加固后試件的剛度退化加快。

3.7 耗能能力

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力指在往復(fù)荷載作用下每經(jīng)過一個(gè)加載循環(huán)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所消耗的能量,其具體數(shù)值大小可近似為滯回環(huán)所覆蓋的面積。試件累積滯回耗能曲線如圖16所示。

圖16 累積耗能曲線Fig.16 Cumulative energy dissipation curves

由圖16可知,相較于試件W-1S,試件W-2S的累積耗能有所降低,說明加固后試件的累積耗能隨震損程度的增大而減小。

4 結(jié)語

本文提出了一種輕鋼-組合砂漿加固法,采用該方法對(duì)震損燒結(jié)普通磚砌體墻進(jìn)行了抗震加固,并對(duì)加固后墻體開展了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。通過對(duì)比分析不同震損程度加固后試件的破壞特征、滯回性能、承載力及變形能力,揭示了抗震性能,評(píng)估了加固效果。主要得到如下結(jié)論。

1)所提出的加固方法效果較好,加固后震損較輕墻體的滯回性能得到優(yōu)化,震損較嚴(yán)重墻體的各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)得到了基本恢復(fù)。

2)各鋼部件協(xié)同工作能有效約束內(nèi)部墻體的變形與相對(duì)滑移,限制內(nèi)部墻體剪切裂縫的開展,外部砂漿面層的設(shè)置加強(qiáng)了各鋼部件協(xié)同工作性能,增強(qiáng)試件的整體性。

3)對(duì)于不同震損的構(gòu)造柱約束試件,相較于0.6%位移角震損后加固試件,1.0%位移角震損后加固試件的剛度退化較快,屈服荷載和極限荷載分別降低了25.79%和20.41%,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證墻體角部采用通長(zhǎng)輕鋼與聚合物砂漿條帶組合加固的方法加固效果較優(yōu)異。