外加钢筋混凝土梁柱砖砌体房屋抗震性能试验研究

第一作者 屈铁军 男，博士，教授，1960年生

外加钢筋混凝土梁柱砖砌体房屋抗震性能试验研究

屈铁军1，安栋2

(1.北方工业大学 建筑工程学院，北京100144； 2. 天津大学 建筑工程学院，天津300072)

摘要：分别对外加钢筋混凝土梁柱加固的砖砌体结构、未采取抗震设防措施的普通砖砌体结构、按现行抗震规范要求设置构造柱和圈梁的砖砌体结构进行了拟动力抗震试验和低周反复加载试验，对比研究了这三类结构的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、极限承载力、极限变形及刚度退化曲线等特性。研究表明，经外加钢筋混凝土梁柱加固的砖砌体房屋能满足现行抗震规范的设防标准要求，外加的钢筋混凝土梁和柱能有效约束墙体和预制板，提高砖砌体结构的承载力和变形能力，并延缓结构的刚度下降。

关键词：砌体结构；抗震加固；骨架曲线；刚度退化

基金项目：北京市自然科学基金(8142015);北京市属高等学校人才强教深化计划(PHR201106106)

收稿日期：2013-09-10修改稿收到日期：2014-03-03

中图分类号:TU362；TU317.1文献标志码： A

Tests for aseismic behavior of masonry buildings strengthened with RC beam-column

QUTie-jun1,ANDong2(1. College of Architecture and Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China；2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:The pseudo-dynamic aseismic tests and low-cyclic loading tests for fired common brick masonry structures, masonry structures confined with tie-columns and ring-beams according to the current aseismic code requirements and masonry structures strengthened with RC beam-column were carried out. The structures’ cracks propagation pattern, hysteretic curves, skeleton curves, ultimate load-bearing capacity, ultimate deformation and stiffness degradation curves were studied comparatively. The results showed that the brick buildings strengthened with RC beam-column can satisfy the requirements of the current aseismic fortification code; the RC beam and column can effectively enhance the load-bearing capacity and deformation reduction ability of brick masonry structures, delay their stiffness degradation.

Key words: masonry structure; aseismic strengthening; skeleton curve; stiffness degradation

2008年汶川地震中砌体结构遭受严重破坏[1-2]。我国目前仍有大量的砖砌体结构房屋，其中有许多是20世纪70年代以前建造的，由于当时我国还没有颁布建筑抗震设计规范，所以当时建造的这些砌体结构房屋基本没采取抗震设防措施。直到1974年，我国才正式颁布了《工业与民用建筑抗震设计规范(试行)》(TJ11-74)，砌体结构的抗震设计才有了依据。1976年唐山地震后，我国的一些城市对原有未采取抗震设防措施的砖砌体房屋进行了抗震加固，当时多采用外加钢筋混凝土梁柱的加固方法，目前这些房屋仍在使用。近30年，抗震规范多次修订，设防标准也逐渐提高，这些早期加固的砌体房屋能否符合现行规范要求，是否还能正常使用，或许还需二次加固，这些问题都需要试验数据做支撑才能得出结论。在我国的小城镇或农村还有许多未采取抗震措施的砌体结构民房，这些民房能承受多大级别的地震，也需要研究。

20世纪80年代，我国学者曾开展大量采用构造柱加强砖墙或砖砌体房屋整体抗震性能的试验研究[3-6]。近年来，对砌体结构抗震性能的研究更加深入，手段也更加先进，宗周红等[7]对一栋两层单开间预制板砖砌体结构房屋，采用1∶2模型进行了双向拟动力试验和非线性地震响应分析，研究结果表明房屋能够满足设计规范的抗震要求。谭晓晶等[8]进行了单开间带圈梁和构造柱的砖混结构足尺模型的拟动力试验。此外，不同抗震加固的方法也逐渐成为研究的热点，主要的加固方法有：体外预应力法加固[9-10]，加设钢门窗框及钢板圈梁、钢筋网砂浆面层加固[11]，外套预制钢筋混凝土墙板加固[12]、减隔震装置[13]、粘贴纤维复合材料[14]等，这些方法应用较为广泛，加固效果较好。然而，对早期采用的外加钢筋混凝土梁柱的加固砌体房屋的试验研究和理论研究都不充分。而且以往的研究中，单片墙体试验研究较多，整体结构试验研究较少；小比例模型试验较多，足尺模型试验较少。

通过设计制作采用外加钢筋混凝土梁柱进行抗震加固的砖砌体房屋模型，与按照现行规范设置构造柱和圈梁的砖砌体结构以及未采取抗震设防措施的普通砖砌体结构进行对比试验，试验模型的比例接近1∶1，对外加钢筋混凝土梁柱砖砌体结构的抗震性能及加固效果进行了评价。

1模型设计与制作

选择两层单开间砌体房屋，为保证试验结果可靠，本试验采用接近足尺的试验模型。结构平面尺寸为2 400 mm×3 600 mm，层高取2 300 mm。砖墙采用烧结普通粘土砖，混合砂浆砌筑，墙体厚度240 mm。屋面板和楼板采用预制钢筋混凝土圆孔板。共制作三个模型，分别为未采取抗震设防措施的普通砖砌体结构、按现行规范[15-16]要求设计的带构造柱和圈梁的砖砌体结构、外加钢筋混凝土梁柱加固[17]的砖砌体结构。构造柱、圈梁和加固用的外加梁柱均采用C25混凝土浇筑。砖墙砌筑在混凝土底板上，混凝土底板由地脚螺栓锚固在实验室地面。三个试验模型见图3。

图1　外加钢筋混凝土柱与原有砖墙体的连接 Fig.1 Joints of masonry wall-to-concrete-columns

为便于表述，BM代表普通砖砌体结构，不设构造柱和圈梁；CM代表按现行规范设计的带构造柱和圈梁的砖砌体结构，构造柱在砌体结构的四角设置，截面尺寸为240 mm×240 mm，圈梁截面为150 mm×240 mm，梁柱的纵筋和箍筋均为4φ12，φ6@200 mm，按规范要求构造柱与砖墙设马牙槎和拉结筋；用RM代表外加钢筋混凝土梁柱加固的砖砌体结构，根据加固规程[15]，外墙角部位外加的钢筋混凝土柱采用L型截面，长边600 mm，短边200 mm，纵筋12φ12，箍筋φ6@200 mm，梁截面150 mm×200 mm，纵筋4φ12，箍筋φ6@200 mm，外加钢筋混凝土梁柱与原有砖墙体的连接构造见图1和图2。三个模型的门窗洞口完全相同，安装木质门窗框。

图2　外加钢筋混凝土梁与原有砖墙体的连接 Fig.2 Joints of masonry wall-to-concrete-beams

图3　试验模型 Fig.3 Experimental models

2材料力学性能测试

模型在抗震试验前，进行了材料力学性能测试：烧结普通粘土砖抗压强度试验，砂浆的抗压强度试验，砖砌体抗压强度和抗剪强度试验，混凝土抗压强度试验，钢筋拉伸试验。测得的材料强度平均值见表1。试验装置见图4。

图4　材料力学性能测试装置 Fig.4 Specimen for material tests

表1　材料强度平均值

3抗震试验

3.1拟动力试验

图5　试验加载装置示意图 Fig.5 Loading system for horizontal load

3.1.1试验方案设计

拟动力试验比较适合大比例模型或足尺模型。拟动力试验是通过作动器给模型施加作用，使施加的作用产生的效应与真实的地震作用效应相同。对于多层或高层建筑，应该在每一层安装作动器，施加作用。但由于拟动力试验的本质是静力试验，是通过静力加载，使其效果与地震作用相同，拟动力试验采用位移控制，对于多个作动器加载，使每个作动器加载部位的位移都等于预先给出的控制位移，在技术上有困难，原因是各作动器部位的位移相互影响。因此，我国《建筑抗震试验方法规程》规定[18]，对于多质点模型，可以采用等效的单质点模型。因此，本试验采用等效单质点模型，即一点加载。

我国的建筑抗震设计规范规定，一般结构可在两个主轴方向分别计算水平地震作用，参照规范规定，选择采用单主轴方向加载。

3.1.2加载装置

拟动力试验是计算机-作动器联机试验，使用的水平液压伺服作动器水平额定载荷±500 kN、行程±250 mm。试验加载装置见图5。结构的变形由布置在结构楼板和屋面板标高处的位移计量测。另外，混凝土底板两侧同样布置位移计，以监视其水平位移，避免出现底板与地面相对滑移。

3.1.3地震波的选取

为了与抗震设计规范相对应，以规范给出的设计反应谱为目标反应谱，采用迭代法生成与目标反应谱相对应的地震波。生成地震波的条件为7度罕遇烈度、Ⅱ类场地、设计地震第一组，生成地震波采用的参数值见表2。生成的地震波、反应谱与设计反应谱的拟合效果见图6、图7。

图6　试验使用的加速度时程曲线 Fig.6 Acceleration time-history used in pseudo-dynamicseismic test

图7　反应谱拟合图 Fig.7 Comparison of response spectrum with design response spectrum

峰值加速度PGA/(cm·s-2)水平地震影响系数αmax特征周期Tg/s2200.90.35上升段/s平稳段/s持续时间t/s衰减系数c时间间隔Δt/s0～88～15300.80.02

3.1.4结构地震反应

在7度罕遇地震作用下三个模型二层楼板处的加速度、位移及恢复力最大值见表3。图8给出了三个模型的位移反应时程曲线。可以看出，未采取任何抗震措施的普通砖砌体结构房屋(BM)，在地震作用下出现明显的残余变形，导致其位移曲线出现偏移，模型的外观也出现了明显的裂缝，模型接近破坏。按现行抗震规范设计的房屋(CM)和经过梁柱加固的房屋(RM)基本完好，甚至不加处理仍可继续使用。从表3知，未采取抗震措施的房屋模型，在地震作用下产生较大的位移，但恢复力小，说明房屋的刚度小，整体性差；按现行抗震规范要求设置构造柱和圈梁的房屋位移较小，恢复力较大；采用梁柱加固的房屋位移最小，恢复力最大，刚度也最大。

表3　地震反应最大值

图8　试验结构二层顶板位移时程曲线 Fig.8 Time history curves of displacement response on second floor of experiment models

3.2低周反复加载试验

拟动力抗震试验完成后，三个模型虽然发生了不同程度的破坏，但并没有完全破坏或倒塌。为全面了解结构的抗震能力，继续对三个模型进行低周反复加载试验，直至完全破坏。

3.2.1裂缝开展及破坏形态

图9为低周反复加载试验后模型墙体的裂缝分布图。三个模型破坏过程的共同点是墙体裂缝首先出现在门窗洞口的四角处；随位移增大，墙体裂缝沿砖缝呈45°延伸，形成交叉斜裂缝。

三个模型的破坏过程有很大差别。从图10可知，BM模型墙体裂缝沿45°贯通；CM模型虽也有斜裂缝的延伸，但大都没有贯通；RM模型由外加的钢筋混凝土梁柱形成一个整体，更接近框架结构，有效限制了墙体裂缝的延伸，仅框架梁端出现了竖向裂缝(见图10(g))。另外，窗洞口有外加钢筋混凝土柱的拉结钢筋与墙体的锚固出现脱开的现象(见图10(h))，由此导致部分墙体裂缝较宽。

图9　模型结构裂缝图 Fig.9 Crack propagation pattern

3.2.2滞回曲线

低周反复加载试验的滞回曲线见图11。

BM模型的墙体在地震作用下开裂已经很明显。低周反复加载时观察到，正、反向加载的极限荷载不相等。在达到极限荷载后，刚度迅速下降，结构承载力持续下降。滞回曲线不以原点对称。

CM模型在砖墙开裂后，刚度下降较快，但荷载仍在增加，卸载时有少量残余变形，滞回曲线有“捏拢”现象。达到极限荷载后，荷载不再显著增大，但由于构造柱和圈梁的约束作用，承载力并不急速下降。滞回曲线也不完全以原点对称。

图10　模型结构典型裂缝照片 Fig.10 Photos of cracks

RM模型与CM模型的滞回曲线相似，外加的钢筋混凝土梁柱起到了约束墙体的作用，在砖墙体开裂后，结构主要由外加钢筋混凝土梁柱承担水平荷载。在加载过程中，砖墙裂缝较明显，但由于钢筋混凝土梁柱的作用，极限荷载后，荷载也并不急速下降。RM模型的极限位移和极限荷载都比CM模型大得多。滞回曲线基本以原点对称。

3.2.3骨架曲线和延性

骨架曲线取低周反复各级加载荷载峰值连成的包络线，三个模型的骨架曲线见图12。

BM模型，正反加载方向的骨架曲线明显不对称。

CM模型，正向加载时，骨架曲线在位移接近10 mm时出现明显的转折点，对应的荷载值接近135 kN，随后骨架曲线趋于平缓，显示了较好的延性。反向加载位移值10 mm后，荷载有稍有增大，位移加至20 mm时，预制楼板与墙体连接处出现开裂，结构破坏。

RM模型，荷载接近290 kN后，荷载不再随位移明显增加或减小，保持在最大值附近，最后因变形过大，墙体出现贯通交叉裂缝，试验停止。但整体结构并无倒塌危险，只是墙体局部破坏严重，接近倾倒。

图11　低周反复加载下的滞回曲线 Fig.11 Hysteretic curves during low cyclic tests

图12　低周反复加载下的骨架曲线 Fig.12 Skeleton curves during low cyclic tests

图13　理想化的结构骨架曲线 Fig.13 Idealization of skeleton curve

文献[20]对约束砌体结构的骨架曲线近似用三折线模型表示(见图13)。图13中的三个特征点分别对应开裂点、极限荷载点和极限位移点。据此，将骨架曲线的转折点作为开裂点，极限荷载取最大荷载，极限位移取荷载降至最大荷载的85%时对应的位移。对每个模型的骨架曲线正、负两个方向的特征点的绝对值进行平均，得到了三个模型骨架曲线的特征值(见表4)。

表4　骨架曲线特征值

注:Pcr：开裂荷载；dcr：开裂荷载对应的位移；Pmax：极限荷载；dpmax：极限荷载对应的位移；dmax：极限位移；Pdmax：极限位移对应的荷载。

延性系数为极限位移和屈服位移之比。未采取抗震设防措施的BM模型的延性系数为4.40，按现行规范设计的CM模型的延性系数为7.41，外加钢筋混凝土梁柱加固的RM模型的延性系数为8.15。可见，采用钢筋混凝土梁柱加固对砖砌体房屋延性的提高作用是明显的。

从三个模型的骨架曲线可以看出，按现行规范设计的CM模型承载力远大于未采取抗震设防措施的BM模型，经钢筋混凝土梁柱加固的RM模型，无论是承载能力还是延性都能达到或超过现行的抗震设计规范的要求。

图14　模型结构的刚度退化曲线 Fig.14 Stiffness degradation of model structures

3.2.4刚度退化和承载力降低

模型刚度采用割线刚度[18]，荷载和位移取正向、负向的平均值，刚度退化曲线见图14。从图14可知，各模型加载初期刚度退化规律基本一致。未采取抗震措施的BM模型和按抗震规范设置构造柱圈梁的CM模型的初始刚度基本相同，但随变形增大，BM模型的刚度退化很快，CM模型刚度退化较缓慢。相比RM模型的刚度退化要缓慢得多。

表5　荷载降低系数

4结论

(1) 在罕遇的7度地震作用下，未采取任何抗震措施的砖砌体结构的残余变形明显，破坏较严重，而按现行抗震规范设计的砖砌体结构和经外加钢筋混凝土梁柱加固的砖砌体结构基本完好，可见在7度及以上设防地震区，未采取抗震措施的砌体房屋必须进行加固处理。

(2) 采用外加钢筋混凝土梁柱加固的砖砌体结构，其抗震性能符合现行的抗震设计规范要求，从试验结果看，这类砖砌体结构房屋的抗震性能甚至好于按现行规范设计的房屋，可以不进行二次加固。

(3) 无论是与砌体结构同时施工的钢筋混凝土构造柱和圈梁，还是后加的钢筋混凝土梁柱，对改善砌体结构的抗震性能的作用非常显著。试验结果知未采取抗震措施的砌体结构的极限承载力为40.50 kN，设构造柱和圈梁的砌体结构和后加钢筋混凝土梁柱的砌体结构的极限承载力分别为134.96 kN和294.84 kN。三个模型的极限位移分别为11.98 mm、19.04 mm和72.29 mm。可见承载力和延性都有显著提高。

(4) 未采取抗震措施的普通砌体结构的刚度退化速度很快，按抗震规范要求设置构造柱和圈梁的砌体结构的初始刚度与普通砌体结构基本相同，但刚度退化较缓慢，后加钢筋混凝土梁柱的砌体结构的初始刚度大于前两种砌体结构，而且刚度退化缓慢，延性更好。

(5) 采用钢筋混凝土梁柱加固的砌体结构虽能满足现行抗震规范的要求，但后浇注的钢筋混凝土梁柱的拉结筋与砖墙内侧的锚固易破坏，可能影响加固效果。因此，对于早期采用后浇注钢筋混凝土梁柱进行抗震加固的砌体房屋，应重点补强梁柱的拉结筋与墙体的锚固质量。

参 考 文 献

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