底缝配筋对砌体受压力学性能的影响

陈 德 清

(广西建工集团 第四建筑工程有限责任公司, 广西 桂林 541003)

在过去的200年里,钢筋一直被用于砌体结构,同时也可用于承受收缩、温度应力或水平载荷(如风载荷)危害的构件[1-3]。底缝加固通常用于面内弯曲构件中应力集中的地方(如窗口角)和在集中载荷作用下的墙体区域[4]。在实际生产中,底缝加固也被用在木地板的建筑物中,取代了墙板下边缘的应力不规则性[5]。此外,底缝加固还用于减少划痕、防止地震,同时可以提高砌体的力学性能[6]。研究表明,底缝加固多用于竖向载荷作用较大的构件[7],但大多数文献未涉及没有进行加固的受压砌体试件。本文采用了纵筋和结构钢丝网等形式进行了竖向受压配筋砌体墙体的试验,确定了不同类型的配筋对构件的承载能力、变形能力和抗裂性能的影响。此外,通过测量钢筋的应变及裂缝出现时刻和破坏时刻的应变,分析了纵向钢筋对破坏形式的影响。

1 测试模型

试验采用尺寸为1 265 mm×1 030 mm×250 m的试件进行,所有构件均由黏土砖(尺寸为65 mm×120 mm×250 mm)和水泥-石灰-砂浆(m水泥∶m石灰∶m砂=1∶1∶6)组成。砌体模型中砂浆缝的深度为10 mm。测试包括9套标为A的未加固砌体标本和带有4种加固类型的24个标本。标本使用2种配筋率(ρ)和2种钢筋:配筋率分别为0.10%和0.05%;第1类钢筋是直径为6 mm的光圆钢筋;第2类钢筋是外径为6 mm的螺旋钢筋,螺旋钢筋可用于保护和加固砌体裂缝。具有光滑特性的一系列试样标记为B(BⅠ的配筋率为0.05%,BⅡ的配筋率为0.10%)。使用螺旋钢筋建造的钢筋系列标记为C系列(CⅠ的配筋率为0.05%,CⅡ的配筋率为0.10%)。此外,钢丝网有不锈钢编织丝网和镀锌钢制成的焊接钢丝网2种类型:不锈钢编织网的钢筋直径为4 mm,钢筋横向和纵向的间距均为40 mm;焊接网钢筋的直径为1.25 mm,钢筋横向和纵向的间距均为12 mm。直径为4 mm的不锈钢编织丝网样品标记为D系列(DⅠ的配筋率为0.05%,DⅡ的配筋率为0.10%)。网格直径为1.25 mm的焊接钢丝网标记为E系列(EⅠ的配筋率为0.05%,EⅡ的配筋率为0.10%)。使用由直径为5 mm的2个纵向钢筋和对角焊接连续钢丝(直径为4.5 mm)制成的桁架作为FⅠ和FⅡ系列的加强件。在FⅠ系列中,每6个关节处放置钢筋(配筋率为0.05%);而在FⅡ系列中,每3个关节处放置钢筋(配筋率为0.10%)。为了确保足够的锚固,将6 mm×20 mm×40 mm的扁钢焊接在纵向杆的端部,将6 mm×20 mm×220 mm的扁钢焊接在丝网的2端。

在试验过程中,所有的标本都是在一个周期内进行的。每加载150 kN进行一次承载水平和参数的测量,使用精度为0.002 mm的感应式传感器读取位移数值。在B、C和D系列的试件中,每根钢筋中间设有一个箔式应变计,用于测量棒材的变形。由于E系列型号的棒材直径较小,不可能使用箔式应变计进行变形测量。因此,没有对这些试件进行钢材应变的测量。

图1给出了测试墙和感应式传感器的放置位置,分别测试了砖与砌体试件的抗压强度、弹性模量,并测定了钢筋的抗拉强度。

图1 测试墙和感应式传感器放置位置(单位:cm)Fig.1 Placement of test wall and inductive sensor(Unit:cm)

2 材料性能测试结果

砂浆和黏土砖的的尺寸如图2所示,其特性如表1所示。砂浆的抗压强度为7.20 MPa,抗弯强度为2.40 MPa;黏土砖的抗压强度为69.7 MPa。表2中给出了光圆和螺旋钢筋的拉应力、抗拉强度、屈服点和弹性模量。试验得到了钢筋的强度-应变曲线与砌体的承载力结果,如表3所示。

(a) 砂浆(b) 黏土砖

表1 砂浆和黏土砖特性Table 1 Properties of mortar and clay brick

表2 光滑和螺旋钢筋特性Table 2 Properties of smooth and spiral rebar

表3 砌体特性Table 3 Properties of masonry

3 主要试验结果

在表4中比较了所有未加筋和加筋试件的抗压强度、弹性模量和泊松比的平均值,未加筋试件的抗压强度为14.08 MPa,比文献[8-9]中标准试件的抗压强度低10%。

表4 所有系列试验试件的抗压强度、弹性模量和泊松比Table 4 Compressive strength, elastic modulus and Poisson’s ratio of all test series specimens

所有未加筋模型(A系列)与砌体试件的合成应力-应变(σ-ε)关系如图3所示。

图3 A系列和EC-6砌体标准试件的σε关系Fig.3 The σε relationship of A series and EC-6 masonry standard specimens

由图3可知,2条曲线的初始部分非常相似,对于较小的试样,压缩应力的极限值更大。A系列模型相对于σ-ε曲线的倾角切线比标准试件下降得更快,EC-6砌体标准试件几乎稳定到极限抗压强度的85%左右。所有测试系列的σ-ε关系平均值如图4所示。

图4 所有测试系列试件的平均σε关系Fig.4 Average σε relationship of all test series specimens

4 结果与分析

4.1 带纵向接缝加固的模型

所有系列试验试件抗压强度值比较结果(表4)显示,BⅠ和CⅠ系列模型的强度提高幅度很小,分别约为15.0%和7.5%。在BⅡ和CⅡ系列模型中(配筋率较大),抗压强度有所降低。螺旋钢筋增强模型(CⅡ)的强度下降更为显著。加固强度较高的构件(ρ=0.10%)的抗压强度下降与其破坏形式的变化有关。在未加固的模型中,首次裂缝出现在最大压应力值的40%～50%,所有的裂缝大体上都是垂直方向的,与前人研究一致(砌体单元首先开裂)。随着载荷的增加,由于上下相邻砖层的顶部裂缝产生,墙板被分成几个独立的支柱(图5(a));纵向钢筋试件的破坏情况大不相同,所有的模型都被内部裂缝分成2个独立的叶片(图5(b))。强度的下降与缺口效应的出现有关,而光滑钢筋的强度下降幅度更大,缺口效应与软弱砂浆节点中钢筋形状的刚性夹杂有关。所有配筋率较小的元件(BⅠ和CⅠ系列)的特征是有更多的裂缝,其宽度也比BⅡ和CⅡ系列模型中观察到的更大。在BⅡ系列模型(ρ=0.10%)中,观察到钢筋位置处砌体表面有局部剥落。

图6为所有试验系列的试件平均应力范围。与光圆钢筋加固的构件相比,螺旋钢筋加固的构件在更大的应力水平下才会开裂。用螺旋钢筋加固的模型发生开裂的应力水平与未加固的模型几乎相同。与未加固试件相比,加固试件对应的应力水平较低。在配筋(采用纵筋)模型中,首次裂缝总是出现在与未配筋单元不同的位置。

图6 所有试验系列的试件平均应力范围Fig.6 Specimen mean stress range of all test series

B和C系列钢筋变形与墙体抗压强度水平的关系如图7所示,最先产生应变的是螺旋钢筋(在接缝处与砂浆的黏附性较大),配筋率较高(ρ=0.10%)的砌体钢筋出现较早拉伸。

图7 B和C系列的钢筋变形与墙体抗压水平的关系Fig.7 Relationship between the deformation of steel bars and the compressive level of the wall for series B and C

由光圆钢筋拉伸试验得到的σ-ε关系与砌体中光圆钢筋的σ-ε关系比较如图8所示,墙体中光杆的配筋率ρ=0.05%(BⅠ系列),试验得到的拉应力水平为钢材屈服点的53%。而BⅡ系列中(ρ=0.10%),拉应力水平为钢材屈服点的39%。对于CⅠ系列和CⅡ系列,螺旋钢筋的指定拉应力水平分别为钢材屈服点的49%和30%。2种底缝加固方式的比较结果表明,螺旋钢筋与墙缝中的砂浆结合得更好,故加固效果更好。与光圆钢筋(BⅡ)的情况一样,配筋率较大(ρ=0.10%)的系列构件的承载能力有一定程度的降低。

图8 砌体中光圆钢筋的σε关系与由光圆钢筋拉伸试验得到的σε关系比较

4.2 采用钢丝网加固的模型

与纵筋形式的钢筋相比,钢丝网形状的钢筋具有更强的承载能力。在配筋率较低的情况下,编织网加固(DⅠ)的承载能力增长了23%,焊丝网(EⅠ)的承载能力增长了37%。钢筋加固率增加1倍,承载能力略有提高。对于采用较大比例编织钢丝网加固的墙体,其承载能力比未加固的墙体提高了25%以上。对于有焊丝网的试件,承载能力的提高幅度更大,约为41%。在D系列模型中,破坏与钢筋锚固和锚固面的竖向裂缝有关。D系列模型中纵向和横向钢筋的变形与压应力的关系如图9所示。由图9可知,纵向和横向钢筋的承压方式相似。

图9 D系列模型中横向钢筋和纵筋钢筋变形与压应力的关系

钢丝网形式的配筋对砌体抗裂性能也有较大影响,变形的极限值是砂浆变形的关键性影响因素。在D系列的情况下,首次观察到出现裂纹的压应力约为13.0 MPa,而E系列的构件压应力约为14.3 MPa,在此情况下出现裂纹,结果与未加固的构件相似。

4.3 带桁架式钢筋的模型

比较了未加固和加固F系列的抗压强度,发现FⅠ试件中配筋率较小的试件对砌体的承载能力没有影响,而较大的配筋率的FⅡ试件强度提高了约25%。较大的配筋率同时提高了砌体的弹性模量和泊松比。

底缝加固引起砌体破坏形态的变化,破坏总是发生在内部接缝处(图10)。

(a)(b)(c)

在试验研究结束后,从每个试件上切下补墙体进行观测,发现拉伸破坏发生在连续的钢丝对角线上(图11),裂纹是沿着内部接头产生的。

图11 从试件上剪下的桁架式钢筋Fig.11 Truss bar cut from specimen

对纵筋和连续钢丝对角线的钢筋应变的测试结果表明,纵筋和连续钢丝对角线的应变基本一致。连续钢丝对角线的拉伸破坏由直径较小造成。可见,采用直径较大的连续钢丝对角线可以提高砌体的抗裂和抗压强度。图12显示了砌体抗压强度作用下的典型钢筋应变。

图12 F系列模型中钢筋变形与压应力的关系Fig.12 Relationship between rebar deformation and compressive stress in F series models

5 结 论

研究表明,底缝配筋对砌体墙体轴心受压性能有显著影响。通过对测试结果的分析得出了以下结论:

1) 采用纵向钢筋(光圆和螺旋扭转)形式的接缝加固效果不是很好,当ρ=0.05%时,试件的承载能力与未加固试件相比略有提高,对于ρ=0.10%的试件,其承载能力有所下降;

2) 采用纵筋和桁架式钢筋加固的试件出现了将墙体分成2片的破坏形态,对结构非常不利;

3) 采用编织或焊接钢丝网加固具有更好承载能力和抵抗变形的效果,当配筋率ρ=0.05%时,与未加固试件相比,编织网试件的承载能力提高了约23%,焊接网试件的承载能力提高了约37%,继续增加ρ值(最高可达ρ=0.10%),可进一步提高承载能力;

4) 在采用桁架式配筋的模型中,小配筋率(ρ=0.05%)对砌体的力学性能没有影响,对于ρ=0.10%的试件,承载能力和抗裂性均有不同程度的提高(约25%和23%);

综上所述,配筋的使用对模型抵抗破坏有一定的提高作用。