震损砌体结构钢-组合砂浆加固技术及抗震性能研究*

冯 羽,乔崎云

(1.中交建筑集团第四工程有限公司,北京 100011; 2.北京工业大学,北京 100124)

0 引言

由石、砖等砌块和砂浆混合砌筑而成的结构称为砌体结构。由于取材便易、造价低廉、施工难度低、保温隔热及耐久性能好等优点,自古至今砌体结构被广泛应用于建筑行业,是世界现存量最大的建筑结构类型[1-2]。据不完全统计,砌体结构是我国采用最广泛的建筑结构形式,95%以上的砌体结构采用烧结普通砖作为主要砌块[3]。

砌体结构虽拥有较高的抗压强度,但其抗弯、抗剪及抗拉强度很低,且自重大,因而其抗震性能较差,进而导致其在历次地震灾害中受损最严重[4-6]。2008年汶川8.0级大地震中,据不完全统计,汶川县的377栋砌体结构房屋中有196栋发生严重损伤及倒塌,占比超过了50%,有345栋发生中等及以上损伤,占比超过了90%[7],如图1所示。2010年于玉树的7.1级地震中,据不完全统计,砌体结构房屋发生中等损伤的占比约为15%,发生严重损伤的(多为居民自建房)占比约为50%[8]。

图1 地震灾害后砌体结构受损Fig.1 Masonry structures damaged after earthquake disaster

近年来,随着建筑科学技术的不断进步及社会群众安全意识的不断提高,建筑结构被提以更高的抗震设计要求,建筑抗震设计理论及技术得以发展与完善。GB 50003—2011《砌体结构设计规范》[9]规定,砌体结构须根据所在地区抗震设防要求及自身参数合理设计并配置圈梁及构造柱,并对具体构造措施提出了更高的要求。

由于地震灾害很难避免,既有砌体结构在地震作用后会有不同程度的震损。虽现阶段砌体结构抗震设计理念不断完善且多种较成熟的既有无损砌体结构加固改造技术层出不穷,但针对地震受损砌体结构的加固改造技术研究相对较少,已逐渐受到相关学者的关注。

乔雨蒙[10]将CFRP加固技术应用于震后受损结构的加固中,已严重损伤的轻质砌体填充墙经CFRP修复与加固后,其抗震性能优于加固前初始试件,且CFRP的加固效果随震损程度的增加而减弱。邓明科等[11]利用高延性混凝土(HDC)对某震损后缩尺砌体房屋进行加固,振动台试验结果表明:HDC面层加固后可提高结构的整体刚度和变形能力。Mohammad等[12]采用钢丝网对地震中受损的砌体墙进行裂缝修补加固,加固后的墙体刚度及极限承载力得到提升,快硬性水泥砂浆可使钢丝网与墙体较好地进行协同工作。

砌体墙作为砌体结构的主要抗侧力构件,其震损后的加固改造工作是防震减灾的重心。

1 砖砌体墙震损试验

1.1 试件设计

结合典型砖砌体结构特征及《砌体结构设计规范》,共设计2片烧结普通砖砌体墙试件W-1,W-2。为研究不同震损程度对加固效果的影响,试件W-1,W-2加载终止位移角分别为0.6%,1.0%;竖向压应力均为0.25MPa。

试件的具体构造如图2所示,构造柱约束烧结普通砖砌体墙试件由钢筋混凝土基础梁、墙体、构造柱及钢筋混凝土加载梁组成,构造柱与墙体间采用马牙槎连接以增强整体性。其中,基础梁尺寸为450mm×410mm×1 800mm,加载梁尺寸为300mm×300mm×1 500mm,砌墙体尺寸为1 140mm×240mm×1 300mm,采用M7.5普通黏土烧结标准砖,灰缝厚度严格控制为10mm,以保证试件砌筑质量;构造柱尺寸为240mm×150mm×1 140mm,试件均采用C30混凝土,砂浆配合比为水泥∶中砂=1∶5.3。

1.2 砌体结构材料性能

构造柱采用φ14 HRB400级钢筋及φ6 HPB300级钢筋,按GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》[13]测定钢筋的材料性能,如表1所示。

表1 钢筋力学性能Table 1 Mechanical properties of steel reinforcement

试件浇筑构造柱采用C30商用混凝土,按GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》[14]要求测定混凝土立方体抗压强度为36.5MPa;砂浆配合比为水泥∶中砂=1∶5.3,按JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[15]要求测定砌筑砂浆立方体抗压强度为2.8MPa;砌筑砖采用M7.5普通黏土烧结标准砖,按GB/T 2542—2012《砌墙砖试验方法》[16]要求测定砖的抗压强度为12.4MPa。

1.3 加载方案

试验加载装置如图3所示,采用水平及竖向2个作动器进行加载。试验时,首先施加竖向荷载至5kN后持荷一定时间以压实试件,然后施加竖向荷载至试件竖向压应力达到0.25MPa,在水平荷载作用过程中保持竖向荷载恒定。水平荷载加载全程采用位移控制[17],每级加载循环2次;设加载梁中心的水平位移/加载梁中心至基础顶面的竖向距离(1 290mm)为控制位移角,当控制位移角达到0.1%前,每级位移角增量为0.02%,以较精确地观测试件的开裂荷载,当控制位移角达到0.1%后,每级位移角增量为0.1%,直至控制位移角达到目标位移角后停止加载。

图3 加载装置Fig.3 Loading device

1.4 震损试验现象

震损试验中各试件裂缝发展情况如图4所示。构造柱下部首先出现弯曲裂缝,随着加载位移角的增大,墙体出现沿砖块的梯形剪切斜裂缝;位移角加至0.2%时,墙体砖块出现碎裂,在对角线方向出现一条主剪切斜裂缝;位移角加载至0.6%时,墙体出现若干斜向裂缝并向两侧构造柱斜向延伸;位移角达到1.0%时,墙体灰缝开始松动掉灰,墙体中部砖块碎裂并开始剥落。

图4 震损试件裂缝Fig.4 Crack of seismic damaged specimens

1.5 震损试验滞回曲线及骨架曲线

滞回曲线为结构在拟静力低周往复荷载作用下记录得到的荷载-位移曲线,即P-Δ曲线,可对结构的强度、刚度、变形能力和耗能能力等性能进行较全面的描述,综合反映墙体在加载过程中的恢复力特性。震损试件滞回曲线及骨架曲线如图5所示。其中,位移Δ是指加载梁中心(距基础梁顶面 1 290mm)的水平位移,水平力F以推力为正,拉力为负。由图5可知,试件W-1,W-2加载至固定位移角,W-1滞回曲线处于弹塑性阶段,W-2滞回曲线出现下降段。

图5 震损试件滞回曲线及骨架曲线Fig.5 Hysteresis curve and skeleton curve of specimen

2 震损后砌体结构加固施工设计

2.1 加固方案

基于以往学者相关研究,进行钢及聚合物砂浆组合加固设计。加固方案具体为:在结构四角布置 ∟63×63×3 角钢,角钢间横向布置间距100mm水平向钢丝,连接方式均为焊接,从而使各钢构件间形成相互牵制整体,对墙体形成有效约束,最终在结构表面涂抹一层25mm厚砂浆面层。其中,角钢翼缘开间距150mm椭圆形孔洞以保证与砂浆面层的有效粘接,如图6所示。墙体局部采用250mm宽聚合物砂浆条带,其余部分采用普通砂浆面层。加固所用钢材除钢丝外,均为同批钢板冷加工成型,具体加固方案如图7所示,其中普通砂浆配合比为:砂:水泥=3∶1。加固后试件记为W-1S,W-2S。

图6 轻型角钢具体构造Fig.6 Specific details of lightweight angle steels

图7 加固后试件构造Fig.7 Specimen details after retrofitting

图8 加固施工Fig.8 Reinforcement construction

2.2 加固施工流程

震损后砌体结构加固工艺流程如8所示。①外墙打磨 为保障砂浆面层与墙体粘接强度,除去墙体表面粉刷层(白灰);②局部修复 对结构局部损伤严重部分进行修复;③角钢安置 将角钢分别安置于结构四角,并与钢垫板焊接;④定位 根据加固方案施工图,在钢框、角钢及墙体表面标记出钢丝及条带位置;⑤钢丝焊接 将钢丝按标定位置焊接,使角钢与钢框间形成相互牵制整体;⑥砂浆抹面 根据设计方案分别在外墙外侧相应位置涂抹25mm厚聚合物砂浆及普通砂浆(由于砂浆面层厚度较大,需按3～4次分层涂抹,每次涂抹需在上层砂浆初凝前);⑦养护 对砂浆面层定期浇水养护。

对加固所涉及材料按相关试验标准进行留样,并处于加固试件同等条件下进行养护,加固流程严格按相关施工验收规程进行,以保障施工质量。

2.3 加固材料性能

角钢采用Q235级钢材,根据《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》[13]的要求进行材料性能试验,角钢及钢筋的材料性能如表2所示。此外,试件加固所用的聚合物砂浆及普通砂浆按《建筑砂浆基本性能试验方法标准》[15]要求进行材料性能试验,相关材料性能如表3所示。

表2 钢材力学性能Table 2 Mechanical properties of steel

表3 聚合物砂浆及普通砂浆的材料性能Table 3 Material properties of polymer mortar and normal mortar

3 砌体墙震损加固后拟静力试验

3.1 加载方案

本试验采用位移控制方法,与震损试验加载方式相同,试验加载装置及位移计布置如图9所示。当试件水平承载力下降到峰值荷载的85%以下或试件出现明显破坏特征时,停止试验。

图9 加载装置及位移计布置Fig.9 Loading device and arrangement of LVDTs

3.2 震损砌体墙加固后试验现象

试件加固后的破坏现象类似,主要破坏过程如图10,11所示。加载至0.04%位移角时,聚合物砂浆条带与普通砂浆交界处有斜裂缝产生,西侧墙体底部有竖向裂缝开展;加载至0.20%位移角时,墙体普通砂浆三角区域出现较多斜裂缝,墙体有新剪切斜裂缝产生并延伸至加载梁;东西侧构造柱侧面有新弯曲横向裂缝开展(见图10a, 11a);加载至0.40%位移角时,墙体原有裂缝继续延伸且有新裂缝开展,最大缝宽为1.00mm,西侧墙体脚部出现竖向裂缝;加载至0.80%位移角时,聚合物砂浆条带与普通砂浆交界处砂浆层碎裂,有轻微剥落现象;加载至0.90%位移角时,聚合物砂浆条带整体凸出;加载至1.20%位移角时,砂浆层剥落(见图10b,11b),冷拔高强钢丝与角钢连接处焊点断裂(见图10c,11c)。

图10 试件W-1S的破坏形态及裂缝分布Fig.10 Failure modes and crack distribution of specimen W-1S

图11 试件W-2S的破坏形态及裂缝分布Fig.11 Failure modes and crack distribution of specimen W-2S

3.3 滞回性能

试件加固前后的F-Δ滞回曲线对比如图12所示。其中,位移是指加载梁中心(距基础梁顶面 1 290mm) 的水平位移;水平力以推力为正,拉力为负。震损较轻微试件W-1(加固前荷载未至峰值)加固后的滞回性能得到了提升,震损较严重试件W-2(加固前荷载已达峰值)加固后的滞回性能得到了基本恢复。对于不同位移角震损的有构造柱试件,0.6%位移角震损试件W-1S的承载能力要高于1.0%位移角震损试件W-2S的承载能力,且试件W-1S的承载能力提升更明显。

图12 试件加固前后的滞回曲线Fig.12 Hysteretic curves of each specimen before and after retrofitting

3.4 骨架曲线

骨架曲线是由试件滞回曲线在各级加载循环中峰值点连成的包络线。通过试验所得的骨架曲线,可更直观地看出荷载与位移的关系,较全面地反映墙体的抗震性能。试件加固后的骨架曲线对比如图13所示。由图13可知,对于不同位移角震损的试件,0.6%位移角震损加固后试件W-1S的骨架曲线增长速率明显高于1.0%位移角震损试件W-2S的骨架曲线增长速率。

图13 试件加固后的骨架曲线Fig.13 Skeleton curves of each specimen after retrofitting

3.5 承载能力及变形能力

各试件加固后的荷载特征值如图14a所示,其中,Fy为屈服荷载,Fp为峰值荷载,屈服荷载通过能量等值法[16]求得。各试件加固后的位移特征值如图14b所示,其中,Δy为屈服位移,Δp为峰值位移。

图14 承载能力及变形能力Fig.14 The bearing capacity and deformability

由图14可知,相较于试件W-1S,试件W-2S的Fy,Fp分别降低了25.79%,20.41%;Δy,Δp分别提高了87.96%,51.80%。由此可看出,随着震损程度的提高,加固后试件的承载能力逐渐降低,变形能力逐渐增强。

3.6 刚度退化

在对进行低周往复加载试验的试件进行抗震性能分析时,常用试件加载过程中峰值荷载的割线刚度作为衡量试件刚度变化的依据。各试件名义刚度退化曲线如图15所示。其中,各名义刚度取各加载级第一循环的正负向峰值荷载均值与对应位移均值的比值/试件初始刚度,各位移取各加载级第一循环的正负向峰值荷载对应位移均值。

图15 名义刚度退化曲线Fig.15 Stiffness degradation curves

由图15可知,0.6%位移角震损加固后试件W-1S比1.0%位移角震损加固后试件W-2S的名义刚度退化慢,说明随着震损程度的增大,加固后试件的刚度退化加快。

3.7 耗能能力

结构或构件的耗能能力指在往复荷载作用下每经过一个加载循环结构或构件所消耗的能量,其具体数值大小可近似为滞回环所覆盖的面积。试件累积滞回耗能曲线如图16所示。

图16 累积耗能曲线Fig.16 Cumulative energy dissipation curves

由图16可知,相较于试件W-1S,试件W-2S的累积耗能有所降低,说明加固后试件的累积耗能随震损程度的增大而减小。

4 结语

本文提出了一种轻钢-组合砂浆加固法,采用该方法对震损烧结普通砖砌体墙进行了抗震加固,并对加固后墙体开展了低周反复荷载试验。通过对比分析不同震损程度加固后试件的破坏特征、滞回性能、承载力及变形能力,揭示了抗震性能,评估了加固效果。主要得到如下结论。

1)所提出的加固方法效果较好,加固后震损较轻墙体的滞回性能得到优化,震损较严重墙体的各项抗震性能指标得到了基本恢复。

2)各钢部件协同工作能有效约束内部墙体的变形与相对滑移,限制内部墙体剪切裂缝的开展,外部砂浆面层的设置加强了各钢部件协同工作性能,增强试件的整体性。

3)对于不同震损的构造柱约束试件,相较于0.6%位移角震损后加固试件,1.0%位移角震损后加固试件的刚度退化较快,屈服荷载和极限荷载分别降低了25.79%和20.41%,经试验验证墙体角部采用通长轻钢与聚合物砂浆条带组合加固的方法加固效果较优异。