丁字销键拉结加固干砌条石墙抗震性能试验研究

黄 凯，陈潇魁，王 雷(福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108 )

丁字销键拉结加固干砌条石墙抗震性能试验研究

黄 凯，陈潇魁，王 雷
(福州大学 土木工程学院， 福建 福州 350108 )

干砌条石建筑是福建古建筑的重要形式之一，其结构整体性和抗震能力很差。提出了干砌条石墙的丁字销键拉结抗震加固法。通过干砌条石墙加固试件的低周反复加载试验，研究了单、双面丁字销键拉结加固法对干砌条石墙的破坏形态、水平极限承载能力、滞回曲线、骨架曲线、耗能性能等抗震性能的影响。研究结果表明：丁字销键拉结加固方式能有效提高条石墙体的整体性；在水平往复荷载作用下，墙体不易松散。它利用原有砌缝嵌入丁字销键及拉结钢筋，对墙面外观影响小，且可根据工程加固升级改造的要求，在必要时进行拆卸而不破坏原有建筑结构。该方法在古建筑石结构抗震加固中具有良好的推广前景。

干砌条石墙；丁字销键拉结加固；拟静力试验；抗震性能

石结构建筑遍及闽南沿海各地，是福建古建筑遗迹的主要形式之一，具有浓厚的地方特色和悠久的历史[1]。现存的石结构大部分采用有垫片干砌条石砌筑，其结构整体性和抗震能力很差，目前很多砖石古建筑正面临着地震的威胁[2]。因此，提升石结构建筑的抗震性能，是当前古建筑修复面临的重要课题之一。

面对古建筑的加固，除了要加强其稳定性，还应该尽可能地保持其原有的外形，铁件加固技术在我国古建筑加固中多有使用[17]。为此，本文提出丁字销键拉结加固干砌条石墙技术，并对其加固效果及影响进行试验研究。

1 加固方法及机理

图1为丁字销键拉结加固示意图，它是在砌体横竖相交砌缝处嵌入丁字销键。当在砖缝处嵌入丁字销键的时候，为防止其在受力过程中脱落，嵌入深度宜大于10 cm，且采用结构胶与石块粘接以增加其整体性，而后将同一水平横缝中所有丁字销键用钢筋焊接，从而使上下砌块相互拉结，形成一个整体，共同承担剪力，提高墙体的抗震性能。它可以分为单面加固和双面加固。

拉结钢筋的受力机理可采用图2应力路径说明：在水平荷载作用下，石砌块形成沿对角线方向的主压应力，挤压嵌埋于砌缝中的丁字销键。由于丁字销键与拉结钢筋相互焊接，水平荷载通过拉结筋传递到相邻的丁字销键上，进而传递到下一皮条石上。在条件允许的情况下，两侧的丁字销键进行对拉，当钻孔复杂时采用结构胶粘结，使其加固效果更佳。

图1 丁字销键拉结加固示意图

图2 拉结钢筋受力机理示意图

相比已有加固技术，该方法具有如下的优点：(1) 通过丁字销键和拉结钢筋，上部砌块可以将水平荷载传递给下部砌块，从而改善原石砌体结构通过砌块间摩擦力传递剪力的状况；(2) 通过丁字销键的上下咬合及水平钢筋的拉接，条石砌体墙形成整体，在地震作用下不易松散，从而增加抗震性能；(3) 丁字销键及拉结钢筋可利用原有的砌缝嵌入，不影响墙体的外观；(4) 可根据古建筑加固工程改造升级的要求，在需要的时候进行拆卸而基本不破坏原有的建筑结构；(5) 该加固方法不增加墙体厚度、结构荷载，同时施工简单，工期短、造价低。

2 试验概况

2.1 试件制作

为研究丁字销键拉结法对干砌条石墙的加固效果，本文制作了6片丁字销键拉结加固条石墙试件及3片未加固对比试件，并对其进行水平低周反复荷载试验，以研究单、双面丁字销键拉结加固法在不同竖向压力下的加固效果。

试件由5皮条石砌筑成一字型干砌条石墙，尺寸为(长×高×宽)1 600 mm×1 310 mm×200 mm，未加固试件如图3(a)所示。砌筑条石采用福建普通花岗岩，轴心抗压强度为128.5 MPa，尺寸为(长×宽×高)570 mm×200 mm×250 mm。砌筑工艺采用有垫片干砌，砌缝厚度约10 mm。

加固所用丁字销键由长50 mm、规格为50 mm×50 mm×3 mm的角钢两肢对焊而成(图1(a))。拉结钢筋采用直径为6 mm的HRB400钢筋，其屈服强度为406.8 MPa，极限强度为524.5 MPa。所有试件加固施工均由同一名工人完成，以减少砌筑质量不同造成墙体性能差异。加固后如图3(b)所示。

图3 试件制作过程

根据竖向压力和单双面加固方式的不同，本试验共砌筑9个试件，试件编号及试验参数如表1所示。

表1 试件参数一览表

2.2 加载装置

本次试验为拟静力试验，试验装置由水平加载系统和竖向加载系统组成，如图4所示。

图4 试验装置示意图

采用油压千斤顶提供竖向荷载，千斤顶安装于可移动的横向滑板上，并使竖向荷载在试验过程中保持恒定。为了模拟墙体的实际情况，竖向荷载以实际一、二和三层石结构底层墙体所受压应力作为参考，竖向荷载分别为σn1=0.25 MPa、σn2=0.40 MPa、σn3=0.60 MPa。

采用MTS电液伺服加载系统施加水平荷载，并实时记录试件顶部位移变化。荷载加载方式为位移控制加载，按压顶梁位移为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、3.0 mm、6.0 mm、9.0 mm、12.0 mm…进行加载。当加载位移小于3.0 mm时，每级加载循环1次；当加载位移等于和大于3 mm时，每级加载循环3次，直至试件承载力降至最大承载力的85%试验终止，加载制度如图5所示。关于本实验平面外的抗震性能将在后续研究中进行。

3 试验分析

3.1 破坏形态分析

未加固试件破坏过程可分为3个阶段：

(1) 弹性阶段。当水平位移荷载小于1.5 mm时，垫片保持完好，垫片与条石间未发生移动，干砌石墙处于弹性工作阶段，没有明显变形现象。

图5 加载制度示意图

(2) 错缝阶段。当水平荷载加载到3 mm位移时，上下皮石块发生相对滑动，部分垫片被磨碎，水平砌缝宽度变小。由于石墙所受水平剪力大于上下石块间的最大静摩擦力，上下皮条石发生相互错动。在往复错动过程中，由于相邻石块滑动距离不同，墙体竖向砌缝扩大。当水平位移达到6 mm时，墙体逐渐形成阶梯形主斜“裂缝”。

(3) 耗能阶段。随位移荷载的继续增加，石垫片被磨碎，水平砌缝厚度达到最小。同时，竖向砌缝继续扩大，在墙体接近破坏时，两侧竖缝宽度约为40 mm，如图6(a)所示。对干砌条石墙，水平抗力主要受上下皮砌块间摩擦力的影响，随石垫片的磨损，上下条石间的摩擦力逐渐降低，作用于石墙上的水平推力也随之下降。随竖向裂缝扩大，上下皮砌块接触面积减小，应力逐渐集中，部分砌块被压碎，竖向承载能力下载，试验终止。

相比未加固试件，加固试件在试验加载过程中竖向砌缝扩大宽度有所减小，如图6(b)、图6(c)所示，其主要原因是丁字销键及拉结钢筋的存在使相邻砌块水平滑移距离受到限制，从而限制竖向砌缝的扩大。仅进行单面拉结加固的试件，其试验结束时的竖向砌缝宽度要大于两面拉结加固的试件，且条石在墙体平面外的位移较为明显，其主要原因是单面拉结加固为不对称的加固，条石在未加固一面的自由度较大，因而砌块在水平荷载作用下易产生转动。本次试验未在石墙两侧设置拉结销键，因而墙体外侧的砌块依旧产生较大滑移，但是由于拉结筋对墙整体具有抑制滑移变形的作用，外缘处的竖向砌缝宽度要小于未加固试件。

3.2 钢筋应变分析

为研究拉结钢筋在墙体承受水平荷载时的作用，在拉结钢筋上布置应变片(图4(b))测量钢筋所受拉力。

图7为墙体所受水平荷载与拉结钢筋在应变片处内力的比较图。由图7中可以看出：当水平位移幅度小于3 mm时，水平荷载随位移往复而变化，此时拉结筋的内力很小。当水平位移幅度大于3 mm时，钢筋内力变化幅值逐渐增大，并随着水平荷载方向的变化而变化。这是因为：干砌条石墙的水平承载能力由条石间的摩擦力和拉结钢筋产生拉结力两部分组成。当位移荷载小于1 mm时，两段拉结筋的内力几乎为零，此时，上下皮条石未发生相互滑动，水平荷载由条石间的静摩擦力承担。当位移荷载大于1 mm且小于3 mm时，拉结筋内有拉力或压力产生，其内力值较小且变化无规律。这是因为丁字销键与条石之间有接触缝隙，在水平荷载作用下，条石滑动并与各丁字销键相互挤压的过程不是同时发生的，因而产生无规律的轴向内力。当位移荷载大于3 mm时，丁字销键与拉结钢筋进入工作状态。拉结筋内力随水平往复荷载进行拉压交替变化，与条石间滑动摩擦力共同承担水平荷载。

图6 试件最终破坏形态图

图7 水平荷载与拉结钢筋内力比较图

3.3 滞回分析

在不同竖向压力下，未加固试件、单面加固试件及双面加固试件的的滞回曲线如图8所示。当位移荷载小于1 mm时，砌块间不发生滑移，墙体处于弹性状态，此时滞回曲线近似于一直线。当位移荷载大于1 mm且小于3 mm时，水平荷载随位移的增加而增大，上下皮条石开始产生轻微滑动，滞回曲线开始呈现非线性变化，滞回环面积轻微增大。当位移荷载大于3 mm时，试件开始进入摩擦耗能阶段，在此阶段，未加固试件，单面加固试件及双面加固试件呈现不同滞回形态。

图8 滞回曲线

对于未加固试件，试件达到水平荷载最大值后的往复循环过程中，荷载峰值逐渐下降。其主要原因是：干砌条石墙体的水平承载力极限值是由条石间的滑动摩擦力提供。当水平荷载达到滑动摩擦力后，石块发生滑动，摩擦力大小不再增加。随条石间磨碎的石屑增加，条石间的滑动摩擦系数随之降低。同时，砌块在往复滑动过程中向两端移动，上下皮条石间的接触面积减小，因而其循环荷载峰值也随之降低。

对于双面拉结加固试件，其水平荷载极限值较未加固试件有较大提高。同时，滞回曲线饱满且相对稳定，滞回环对称，试件SW—DSP2、SW—DSP3的滞回曲线为典型的梭形，具有较好的耗能能力。其主要原因是双面拉结丁字销键增强了墙体的整体性。试件SW—DSP1的滞回曲线有轻微的捏缩现象，其原因是丁字销键与石砌块的接触不紧密，在水平荷载方向改变的过程中，砌块需要滑动一小段距离才能与丁字销键密贴，从而使拉结钢筋介入工作。该小段滑动影响了水平荷载的大小，造成轻微的捏缩现象。

对于单面拉结加固试件，其水平荷载最大值介于相同竖向荷载下未加固试件与双面加固试件之间。其滞回环较未加固试件饱满，但其形状较不规则，且正负方向不对称。主要是因为单面满布丁字销键加固拉结钢筋受力不均匀，砌块在墙体未加固一侧有较大的滑动自由度，易产生转动位移，从而导致墙体松散。

不同的竖向荷载水平对干砌条石墙的滞回性能亦存在较大的影响。对于未加固试件，试件的最大水平荷载随竖向荷载的增加而增加。同时，随着竖向压力的增加，滞回曲线逐渐饱满。试件SW-P1存在较为明显的捏缩现象，SW-P3呈现为典型的梭形。其原因是较大的竖向荷载产生较大的摩擦力，从而增加试件的水平承载能力。同时，在较大的竖向荷载下，墙体的整体性较好，滞回环也随之饱满。在同一种加固方式下，滞回环亦随竖向荷载的增加而越加饱满，滞回环面积也逐渐增大。说明竖向荷载越大，试件的滞回性能越好。

3.4 骨架曲线分析

图9为各试件在不同竖向荷载作用时的骨架曲线。由图9可以看出，加固试件骨架线基本位于未加固试件之外。在竖向荷载0.25 MPa、0.4 MPa及0.6 MPa下，双面加固试件的水平极限承载力分别是未加固试件的1.47倍、1.34倍及2.70倍。而单面加固对试件水平极限承载能力的提高有限，在相同竖向荷载下，试件的水平极限承载力分别是未加固试件的0.79倍、1.05倍及1.48倍。此外，加固试件的骨架线基本上均随水平位移的增加而逐渐增加。而未加固试件的骨架线在到达峰值后逐渐下降。

图9 试件骨架曲线图

由图9还可以看出，双面加固对试件极限承载力提高较多，且加固试件极限位移却随着竖向荷载的增加呈现出逐渐增大的趋势。而单面加固对试件极限承载力提高则有限，双面加固提高幅度大于单面加固的主要原因是双面满布丁字销键加固使条石砌块两侧受力均匀。而在单面加固试件中，砌块在未加固一侧没有良好的固定。在水平往复荷载作用下，砌块发生转动，造成墙体扭曲变形，从而降低了水平承载力。

由此可见，在干砌条石结构加固中，尽量采用双面满布丁字销键拉结加固法。加固后，墙体的水平承载能力和变形能力都有较大的提高。

3.5 耗能分析

本文采用等效黏滞阻尼系数he来评价试件的耗能能力，等效黏滞阻尼系数越大，表明试件的耗能能力越强。等效黏滞阻尼系数按下式计算：

(1)

式中：SABC、SCDA为滞回环包围面积；SOBE、SODF为三角形包围面积，如图10所示。以每级位移荷载第一个循环下的位移-荷载曲线计算相应的等效黏滞阻尼系数he，其结果如图11所示。

图10 滞回曲线示意图

图11 试件等效黏滞阻尼系数

从图11看出干砌条石墙的等效粘滞阻尼系数较大，在0.18～0.50之间。其主要原因是干砌条石墙的耗能能力主要是通过砌块间的滑动实现的，而滑动摩擦的耗能能力较强。丁字销键加固法对条石墙的耗能能力影响较小，其原因在于加固后丁字销键与砌块间依旧有空隙。在水平荷载下，砌块可以在小范围内滑动，滑动依然是加固后干砌条石墙的耗能形式。因而加固后墙体的等效黏滞阻尼系数与加固前相当。此外，对于丁字销键单面加固的试件，由于砌块在水平荷载下的刚体位移较不规则，其等效黏滞阻尼系数波动较大。

4 结 论

基于以上试验结果及分析，可以得出以下结论：

(1) 本文提出的丁字销键拉结加固方法，通过丁字销键和钢筋将条石砌体墙拉结为整体，能有效传递水平剪力，提高石墙的抗震性能。

(2) 丁字销键双面拉结加固可以有效提高试件极限承载力，加固后试件的水平极限承载力分别是未加固试件的1.4倍～2.7倍。同时加固试件极限位移随着竖向荷载的增加呈现逐渐增大的趋势。

(3) 丁字销键双面拉结加固可以有效提高条石墙耗能能力，试件滞回曲线饱满且相对稳定，滞回环对称。单面拉结加固对墙体耗能能力亦有提高，但其滞回环形状较不规则且正负方向不对称。

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The Experimental Study of the Seismic Performance of Embedding Horizontal Reinforcements with T-shape Anchors for Non-mortar Stone Walls

HUANG Kai, CHEN Xiaokui, WANG Lei

(CollegeofCivilEngineeringofFuzhouUniversity,Fuzhou,Fujian350108,China)

Constructions establishing on non-mortar stone walls are one of the important forms of historic buildings in Fujian Province, which have poor structural integrity and seismic capacity. This paper presents the seismic strengthening method of embedding horizontal reinforcements with T-shape anchors for non-mortar stone walls. The reversed horizontal cyclic loading tests were conducted for both single side and double side reinforced stone wall to research their failure modes, horizontal ultimate bearing capacity, hysteretic curves, skeleton curves, energy dissipation, such as seismic performance. The results show that the strengthening method of embedding horizontal reinforcements with T-shape anchors can effectively improve the integrity of stone walls and the wall is not easy to loose under horizontal reversed loading. This method embeds the T-shape anchors into the original gaps between stones, which has little effects to the appearance. According to reinforcement structure upgrade requirements, the installed reinforcement can be disassembled form the historical buildings without damaging the original structures. Therefore, this method meets the seismic strengthening requirements of historical stone structures and has good promotion prospects.

non-mortar stone walls; reinforcements with T-shape anchors; quasi-static test; seismic performance

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.06.038

2016-08-27

住房和城乡建设部研究开发项目 (2009-R4-8)

黄 凯(1976—)，男，福建泉州人，工学博士，副研究员，主要从事结构加固研究。 E-mail:huangkaie@qq.com

TU365

A

1672—1144(2016)06—0195—07