基于破坏模式控制的约束砌体墙体加固研究

李勇志，许子宜，陈俊驰

(1.中电建重庆勘测设计研究院有限公司,重庆 401329; 2.西南交通大学,四川 成都 610031)

1 研究背景

近年来,我国既有砌体结构房屋在地震作用下出现严重破坏,主要发生3种破坏模式[1]:窗间墙破坏模式、窗间墙和窗下墙混合破坏模式、窗下墙破坏模式,其中窗间墙破坏模式震害最为严重,呈现较强的“脆性破坏”特征,易形成倒塌机制;而窗下墙破坏模式震害最轻,窗下墙裂缝发展较为缓慢,类似于框架结构中“强柱弱梁”的屈服机制,易实现“大震不倒”的抗震设防目标(见图1)。

国内外学者对砌体结构的加固方法做了大量的研究,王亚勇[2]提出采用高强钢绞线网对砌体结构墙体进行加固方法,并通过试验研究得出通过该加固方法可以提高砌体抗剪承载力约1.5倍;Mohammad A[3]提出利用钢丝网加固受损墙体,使之加固后的承载力可达到加固前的两倍之多;刘培[4-5]和李明[6]通过试验研究得出钢筋网水泥砂浆加固砌体墙体可提高墙体抗剪承载力及抗侧移刚度,并研究了不同参数对墙体抗震性能的影响程度,并给出通过该加固方法提高墙体抗剪承载力的理论计算公式;Razavizadeh A[7]采用钢筋网灌浆技术对砌体墙体进行加固,通过试验研究得出该加固方法可有效提高砌体墙体的抗震性能,验证该方法的优越性;孟凡龙[8]通过对砌体墙体嵌筋加固的试验研究,分析了不同高宽比下嵌筋加固墙体的极限承载力和破坏特征,得出嵌筋加固可显著提高墙体极限承载力。传统的砌体结构加固方法着重于提高各构件的承载力,使结构去“硬抗”地震荷载,并没有从破坏模式出发,控制砌体结构出现合理的破坏形式,因此本文通过数值模拟对3种基于窗下墙破坏形式的加固方法进行研究,得出了该方法可有效提高墙体抗震性能,实现窗下墙破坏的破环形式,利于抗震目标的实现。

2 抗震加固方法

2.1 混凝土条带加固法

混凝土条带加固法减小了结构抗震加固对建筑功能的影响,对建筑外观无太大改变,适用于既有砌体结构和新建砌体结构。其做法是在窗洞两侧加两个竖向混凝土条带(100 mm×240 mm),在混凝土条带中设置竖向钢筋,并沿水泥灰缝设置水平钢筋,水平钢筋一端锚固于构造柱中,一端与竖向钢筋绑扎在一起,如图2所示。

2.2 窗下墙设缝加固

窗下墙设缝加固施工简单且工期短,对建筑功能影响不大,易实现窗下墙的破坏模式,但设缝长度过长会使得窗下墙过早破坏,影响使用。其做法是在窗下墙两边设置同样大小的缝,削弱窗下墙使之相较于窗间墙率先破坏,如图3所示。

2.3 窗间墙宽度增大加固

窗间墙宽度增大加固法是通过提高窗间墙刚度,使其落后于窗下墙发生破坏,实现“强柱弱梁”的破坏模式,如图4所示。该方法施工复杂,影响建筑美观,适用于窗间墙刚度不足的约束砌体墙体。

根据上述加固方案的特点,从施工难易程度,工期长短,造价高低以及建筑功能方面进行比较,如表1所示。

表1 加固方法对比

3 数值模拟参数验证

本节选取文献[9]中的M2试验墙体作为研究目标,采用ABAQUS有限元软件建立整体式模型,通过观察其最终的破坏形态,进行材料本构和建模方法的论证。文献[9]中M2试验墙体参数如表2所示。

表2 文献[9]中M2试验墙体参数表

根据试验墙体参数,在ABAQUS软件中选择合理的本构模型进行模拟,具体模型参数如表3所示。

表3 各构件本构模型参数表

有限元模型加载方案同文献[9]保持一致,在模型顶部施加竖向均布荷载,一侧设置耦合参考点,施加水平位移,最终通过受拉损伤参数云图(DANAGET)来近似模拟砌体墙的开裂程度。对比结果如图5所示。

有限元模拟结果显示的“裂缝”破坏状态与试验基本相同,窗间墙呈现明显的“X型”破坏,窗下墙也出现明显剪切破坏,验证了所采用模型参数的可靠性。

为进一步验证加固方案的有效性,建立3个不同的加固模型,采用相同的加载方案,得到不同的破坏形态,如图6所示。

采用加固方法后,窗下墙破坏最为严重,而窗间墙基本完好无损,类似于框架结构中“强柱弱梁”的破坏形态。因此,采用合理的加固方法可控制窗下墙破坏模式的发生,提高砌体墙体的抗震性能,达到设防预期的目的。

4 加固方法参数分析

为进一步研究加固方案中条带配筋率、设缝深度、窗间墙宽度对加固方法的影响,引入墙体破坏率β来描述墙体的破坏情况,β越大,墙体受损越严重,一般墙体β大于50%即可认为该墙体已发生破坏。

本文砌体墙体的破坏准则是依据文献[12]推导的砌体墙体抗剪强度平均值的计算公式,并结合GB 50003—2011砌体结构设计规范表B.0.1-2计算得到墙体的抗剪强度计算值为0.74 MPa,当主拉应力大于0.74 MPa,砌体墙体发生破坏(见式(1))。

(1)

其中,Ad为墙体已破坏的面积;A为墙体总面积。

为模拟地震作用下约束砌体墙体的破坏情况,本次加载采用汶川什邡-八角地震波进行模拟加载,具体加载方式如图7所示。

4.1 条带配筋率

条带配筋率是混凝土条带加固法中的重要影响参数,本节通过改变条带钢筋直径大小建立5个不同条带配筋率(0.23%,0.42%,0.65%,0.94%,1.67%)的约束砌体墙体模型,模型中混凝土条带均为100 mm×240 mm(长度×宽度),窗洞尺寸均为1 800 mm×1 500 mm(高度×长度)。通过对比主应力云图,研究不同条带配筋率下墙体的破坏情况,结果如图8所示。

当条带配筋率小时,约束砌体墙体出现窗下墙和窗间墙的破坏模式,且窗间墙破坏最为严重;随着条带配筋率的提高,窗间墙破坏程度逐渐降低,明显向窗下墙破坏模式发展。根据式(1)分别计算墙体的破坏率,结果如表4所示,并绘制墙体破坏率和条带配筋率的曲线,如图9所示。

表4 混凝土条带加固模拟结果

当条带配筋率大于0.42时,窗间墙的破坏率逐渐降低,而窗下墙的破坏率基本保持在0.72左右,其变化幅度较小,因此混凝土条带加固法能够有效的限制窗间墙的破坏,建议条带配筋率合理取值为大于0.42%。

4.2 设缝深度

设缝深度是窗下墙设缝加固法中的重要影响参数,本节通过改变设缝深度建立5个不同窗下墙设缝深度的约束砌体墙体模型,设缝深度分别取值为100 mm,150 mm,200 mm,300 mm,400 mm,其他材料信息均相同。通过在地震波的作用下得到不同的主应力云图,对比不同设缝深度墙体的破坏情况,如图10所示。

当设缝深度较小时,墙体出现窗下墙和窗间墙的混合破坏,且窗间墙破坏最为严重,随着设缝深度的加大,窗间墙破坏逐渐减小,窗下墙的破坏加剧,出现合理的窗下墙破坏模式,但随着设缝深度继续加大,窗间墙高度增加,窗下墙和窗间墙均出现了破坏。根据式(1)分别计算墙体的破坏率,结果如表5所示,并绘制墙体破坏率和设缝深度的曲线,如图11所示。

表5 窗下墙设缝深度加固的模拟结果

当设缝深度大于150 mm时,窗间墙破坏明显减小,窗下墙破坏加剧,随着设缝深度逐渐加大,窗间墙破坏率维持在0.15左右,基本不发生破坏,而窗下墙破坏率维持在0.9左右,均发生明显破坏,当设缝深度大于300 mm时,窗间墙与窗下墙的连接减弱,使得窗间墙破坏率加大,而窗间墙破坏率基本不变,因此设缝深度不宜过小且不宜过大,建议设缝深度合理取值范围为150 mm～300 mm。

4.3 窗间墙宽度增大

窗间墙宽度能够影响窗间墙刚度,从而影响墙体的破坏模式。本节建立4个不同窗间墙宽度的约束砌体模型,窗间墙宽度分别为800 mm,900 mm,1 000 mm,1 200 mm,其他材料信息均相同。通过在地震波的作用下得到不同的主应力云图,对比不同窗间墙宽度墙体的破坏情况,如图12所示。

当窗间墙宽度较小时,墙体出现窗间墙和窗下墙混合破坏模式,且窗间墙破坏程度最大,随着窗间墙宽度加大,窗间墙破坏程度逐渐减小,窗下墙破坏基本不变[11-12]。根据式(1)分别计算墙体的破坏率,结果如表6所示,并绘制墙体破坏率和窗间墙宽度的关系曲线,如图13所示。

表6 窗间墙宽度加固的模拟结果

当窗间墙宽度大于800 mm时,窗间墙破坏明显减小,而窗下墙破坏明显增强,而随着窗间墙宽度的加大,窗间墙刚度加大,破坏基本不变,墙体破坏率维持在0.1左右,同时窗下墙宽度减小,墙体破坏率维持在0.8左右,但最终均出现窗下墙破坏的合理模式,因此,建议窗间墙宽度合理取值范围为大于800 mm。

4.4 条带配筋率和设缝深度

为研究条带配筋率和窗下墙设缝深度等双因素对砌体墙体抗震性能的影响,本节建立9个不同条带配筋率和窗下墙设缝深度的约束砌体墙体模型,如表7所示。在地震波的作用下得到不同的主应力云图,对比9个约束砌体墙体的破坏情况,如图14所示。

表7 约束砌体墙体模型信息

在双因素作用下,砌体墙体均发生窗下墙破坏模式,且随着设缝深度的增加,窗下墙破坏程度加剧,而窗间墙由于受到混凝土条带的约束作用,窗间墙破坏程度较低;随着条带配筋率的增加,窗间墙及窗下墙破坏程度降低。根据式(1)分别计算墙体的破坏率,如表8所示;并绘制不同条带配筋率下,墙体破坏率和窗下墙设缝深度的关系曲线以及不同窗下墙设缝深度下,墙体破坏率和条带配筋率的关系曲线,如图15,图16所示。

表8 双因素加固墙体的模拟结果

在两种加固方法作用下,墙体破坏率变化幅度均不大。当条带配筋率小于0.94%时,随着设缝深度的增加,窗下墙破坏率呈下降趋势,而当条带配筋率等于2.62%时窗下墙破坏率反而呈上升趋势,窗间墙破坏率在不同条带配筋率下随设缝深度的加大均呈下降趋势;当设缝深度为200 mm时,随着条带配筋率的增加,窗下墙破坏率呈下降趋势,窗间墙破坏率先呈下降再呈上升趋势;当设缝深度为300 mm时,窗下墙的破坏呈下降趋势,窗间墙破坏率反而呈上升趋势,但上升幅度明显变缓;当设缝深度为400 mm时,窗下墙破坏率呈上升趋势,窗间墙破坏率先呈下降再呈上升趋势,结合本文的模拟数据,在条带配筋率为0.94%,设缝深度为200 mm的条件下,窗间墙的破坏率最小,窗下墙的破坏率最大,为典型的窗下墙破坏模式,因此建议在混凝土条带加固和窗下墙设缝深度加固的作用下,混凝土条带配筋率0.94%且窗下墙设缝深度为200 mm。

5 结论

本文通过总结砌体结构相关地震震害现象,提出3种基于破坏模式的砌体结构加固方法,并通过有限元软件在验证了相关模型数据的基础上,建立4组约束砌体墙体有限元模型,通过对比破坏形态及墙体破坏率,探究了单因素(条带配筋率、窗下墙设缝深度、窗间墙宽度)和双因素(条带配筋率和窗下墙设缝深度)变化对约束砌体墙体的破坏模式的影响,得到结论如下:

1)3种加固方法可以有效控制窗间墙的破坏,实现合理的窗下墙破坏模式,提高了砌体墙体的抗震性能,达到设防预期的目的。

2)在混凝土条带加固法中,随着条带配筋率的增大,砌体墙体的破坏模式从窗间墙和窗下墙混合破坏模式逐步转变成窗下墙的破坏模式。因此混凝土条带加固法能够有效的限制窗间墙的破坏,建议条带配筋率合理取值为大于0.42%。

3)在窗下墙设缝加固法中,随着设缝深度的增大,砌体墙体的破坏模式从窗间墙和窗下墙混合破坏模式逐步转变成窗下墙的破坏模式,但设缝深度不宜过大,否则窗间墙和窗下墙的相互约束会不断减弱,使得窗下墙过早破坏,同样不利于破坏模式的控制。因此建议设缝深度合理取值范围为150 mm～300 mm。

4)在窗间墙宽度增大加固法中,当窗间墙宽度小于800 mm时,墙体出现窗间墙和窗下墙混合破坏模式,随着窗间墙宽度的加大,窗间墙的破坏程度逐步降低,窗下墙的破坏程度基本不变,最终呈现为窗下墙的破坏模式。因此建议窗间墙宽度合理取值范围为大于800 mm。

5)混凝土条带加固法和窗下墙设缝加固法双重作用下,可以有效的控制破坏模式的出现,建议混凝土条带配筋率0.94%且窗下墙设缝深度为200 mm。