缩尺方法对料石墙体抗震性能的影响

徐 明 时 丹 赵 娜 陈忠范

(1东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京 210096)

(2杭州市建筑设计研究院有限公司,杭州 310004)

缩尺模型试验是结构试验常用的一种方法,应用相似比原理,将足尺试件按特定相似比缩减至适用于试验装置的尺寸,可以有效地得出结构的特性[1].料石墙体由于砌块自重大、施工困难等因素,国内外学者大多采用特定的墙体缩尺、砌块足尺的缩尺模型[2-10],即墙体高、宽为实际尺寸的1/2,料石砌块的尺寸及料石砌块表面粗糙程度采用实际尺寸.然而，该模型并不完全符合相似比理论.

为了对料石墙体试验方法进行探究,得出更符合实际情况的缩尺模型,本文开展了足尺试件及2种缩尺试件的水平低周反复荷载试验.

1 试验

1.1 试件设计及制作

试验中的3个试件均为粗料石墙体,采用东南沿海地区常用的有垫片铺浆法砌筑.砂浆设计强度为M5,墙体竖向压应力为0.5 MPa.试件示意图见图1,试件参数见表1.表中,试件W-1为足尺试件, 试件SW-1和SW-2为1∶2缩尺试件.试件SW-1的墙体尺寸为足尺模型的1/2,但石砌块采用足尺砌块,石砌块表面粗糙程度及砂浆层厚度也与足尺模型相同;试件SW-2严格按照相似比理论,墙体尺寸、石砌块尺寸、石砌块表面粗糙程度和灰缝厚度均为足尺模型的1/2.根据相似比理论,缩尺墙体的相似关系见表2[1].

图1 试件示意图

表1 试件参数表

表2 模型墙体相似关系

石砌块表面粗糙程度采用铺沙法来测量.具体过程如下:① 将石砌块底部垫平,测量长、宽、高;② 在砌块表面铺细砂,直至表面平整;③ 将砌块表面细砂全部放入标准混凝土试模中;④ 测量试模中细砂高度,即可得出细砂体积;⑤ 测量石砌块表面最大高差.平均高差可表示为

(1)

式中,Vs为细砂体积;a,b分别为石砌块的长度和宽度.

1.2 加载装置及加载方案

本试验为拟静力试验,加载装置由竖向加载系统和水平加载系统2个部分组成(见图2).竖向荷载由墙体顶部的千斤顶通过分配梁施加到墙体顶面;水平荷载通过电液伺服加载系统施加在墙体顶梁上.千斤顶与加载梁之间放置滑车,以减小摩擦力.试验中,水平荷载采用力和位移混合控制加载.足尺试件的第1级荷载取为100 kN,其后每级增量为50 kN,每级水平力推、拉方向上各加、卸载1次.力控制加载至墙体位移角约1/4 000(即墙体水平位移接近1 mm)时,转为位移控制.位移控制时,每级位移角分别取为±1/2 000,±1/1 000,±1/500,±1/250,±1/100,除最后一级外,每级位移循环3次.缩尺试件的第1级荷载取为20 kN,其后每级增量为20 kN,加载至墙体开裂转为位移控制,每级位移取开裂位移的倍数.试验过程中,若试件产生严重破坏不适宜继续加载,停止试验.

图2 试验加载装置

1.3 主要测量参数

墙体位移计布置图见图3.图中,位移计1和位移计3～位移计9为普通位移计,利用静态应变采集仪TST3826进行采集.位移计1，3，5，9用于监测地梁和顶梁的竖向位移;位移计2为MTS液压伺服加载系统配套的磁致伸缩位移传感器,在位移加载过程中起控制作用；位移计4和位移计6分别用于监测顶梁和地梁的水平位移;位移计7和位移计8用于监测墙体对角方向变形.

图3 位移计布置图

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

通过对比试验现象及破坏形态可以发现,3个试件的主要试验现象和破坏形态基本相同.加载初始阶段,墙体受拉侧出现水平裂缝;随着水平位移的逐渐增大,墙体出现双向阶梯状剪切裂缝,最后以双向阶梯状裂缝充分开展、两端墙角石砌块压碎为标志破坏.墙体呈现弯曲-剪切复合破坏模式,且以剪切破坏为主.各试件最终状态如图4所示.从破坏模式上看,2种缩尺模型均与足尺模型试验结果吻合良好.

图4 试件破坏形态

2.2 试件破坏过程中的主要参数

试件各阶段荷载和水平位移见表3.将各阶段荷载除以相应的受剪面积,便可得到剪应力,结果见表4.由表可知,2个缩尺试件各阶段的剪应力与足尺试件均很接近,在极限状态和破坏状态下,缩尺试件与足尺试件的荷载相差均在10%以内.试件SW-1的剪应力与足尺试件更为接近,极限状态和破坏状态下的极限剪应力与足尺试件相差在5%以内.由此可见,就剪应力而言,2种缩尺模型均能很好地反应足尺试件的受力特性,且采用墙体缩尺、砌块足尺的缩尺模型试验结果更接近足尺模型.

表3 试件各阶段荷载及位移

表4 各阶段剪应力对比

将各阶段位移除以相应的试件高度,便可得到位移角,结果见表5.由表可知,开裂状态下,2个缩尺试件位移角与足尺试件较为接近,相差在20%以内.进入极限状态和破坏状态后,试件SW-1与足尺试件试验结果吻合较好,相差均在5%以内;而试件SW-2则与足尺试件试验结果差别较大.

表5 各阶段位移角对比

综上可知,采用墙体缩尺、砌块足尺的缩尺模型,各阶段的剪应力和位移与足尺模型极为接近;而严格按照相似比理论的缩尺模型仅在剪应力方面与足尺模型较接近,在位移方面,由于石砌块表面粗糙程度的不同,与足尺模型差别较大.

2.3 抗震性能分析

2.3.1 滞回特性

试验中各试件的滞回曲线见图5.图中，P为荷载，Δ为水平位移.由图可知,在加载初期,缩尺试件与足尺试件滞回环形状基本相同,均为细长梭形.加载至接近破坏阶段时,2个缩尺试件的滞回曲线均为饱满梭形,试件滑移较小,卸载时残余变形很大;而足尺试件的滞回曲线则出现了明显的捏缩现象,残余变形相对较小.由此可见,2种缩尺模型的滞回曲线与足尺试件存在一定差距,但相比之下,试件SW-1与足尺试件更为接近.

图5 滞回曲线

2.3.2 骨架曲线

各试件的骨架曲线见图6.其中,横坐标β表示位移角,纵坐标τ表示相应的剪应力.由图可知,缩尺试件SW-1的骨架曲线与足尺试件的骨架曲线极为接近,两者几乎重合;而试件SW-2的骨架曲线与其余2个差别较大.

图6 骨架曲线

2.3.3 延性

采用图解法计算各试件的屈服位移与屈服荷载.方法如图7所示:过点O做切线,交过点U的水平直线于点A;过点A做竖直直线,交曲线于点B;连接OB并延长,交过点U的水平直线于点C;过点C做竖直直线,交曲线于点Y.点Y即为屈服点,其所对应的荷载和位移分别为屈服荷载和屈服位移.

图7 图解法示意图

由此便可得到各试件的屈服剪应力、屈服位移角及延性系数,结果见表6.由表可知,缩尺试件SW-1的试验结果与足尺试件较为接近,屈服荷载相差2%,屈服位移相差4%,延性系数相差13.7%.而对于试件SW-2,除了屈服位移与足尺试件较为接近外,其余指标均相差较远.

表6 各试件的延性系数

2.3.4 刚度退化

各试件的刚度退化曲线见图8.其中纵坐标K为剪应力与位移角的比值.由图可知,3个试件均表现出较为相似的刚度退化规律,足尺试件的初始刚度较缩尺试件大.总体而言,缩尺试件SW-1与足尺试件的曲线较为接近,在初始阶段,足尺试件刚度略大,但当位移角大于1/500后,两者相差很小,曲线几乎重合;而对于试件SW-2,由于其破坏位移与其余2个试件相差较大,整个曲线的位移角范围较小,故与足尺试件有较大差距.

图8 刚度退化曲线

2.3.5 耗能能力

试件各阶段的等效黏滞阻尼系数见表7.由表可知,缩尺试件SW-1的等效黏滞阻尼系数在极限状态和破坏状态下与足尺试件较为接近,相差在7%以内;在开裂状态和屈服状态下,则与足尺试件存在一定差距.而对于试件SW-2,各个状态下的等效黏滞阻尼系数均与足尺试件存在较大差距.

表7 试件各阶段的等效黏滞阻尼系数

综合上述，采用墙体缩尺、砌块足尺的缩尺试件在骨架曲线、延性和刚度退化上与足尺试件试验所得结果极为接近,在滞回性能和耗能能力上由于位移加载循环次数的不同而有所不同,但该缩尺模型基本可以反应足尺模型的抗震特性.而对于严格按照相似比理论的缩尺试件,由于砌块表面粗糙程度的不同,墙体各阶段位移与足尺试件存在较大差距,从而导致各项抗震性能指标均与足尺试件差别较大.

3 结论

1) 料石墙体在剪力作用下的破坏模式为弯曲-剪切复合破坏,且以剪切破坏为主.2种缩尺模型均能很好地反应足尺模型的破坏特征.

2) 采用墙体缩尺、砌块足尺的缩尺模型在各阶段的剪应力和位移与足尺模型极为接近.而严格按照相似比理论的缩尺模型仅在剪应力方面与足尺模型较为接近,在位移上与足尺模型差别较大.

3) 采用墙体缩尺、砌块足尺的缩尺模型在抗震性能方面,除滞回性能和耗能能力外,其余均与足尺模型极为接近,该模型基本可以反应足尺模型的抗震性能.而严格按照相似比理论的缩尺模型在抗震性能上与足尺模型存在较大差距.

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