钢筋-砂浆面层交叉条带加固带填充墙框架抗震性能试验研究

蒋济同, 高之皓, 隋正昂, 周献祥, 王家存

(1 中国海洋大学工程学院，青岛 266100；2 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院，北京 100036)

0 引言

带填充墙框架结构因整体性好、建筑空间布置灵活等优点,在现有工业和民用建筑中应用广泛。因保温节能的需要,目前框架填充墙大多采用加气混凝土砌块。由于砌体抗拉强度较低、平面外抗弯承载力不足、大震作用下与主体框架变形不协调等问题,使得框架填充墙在地震作用下容易发生脆性破坏[1-2]。我国《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)(2015年版)[3]和《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)[4]中都将填充墙的自重折算为框架梁上的线性荷载,并采用周期折减系数的形式考虑填充墙实际刚度等对结构抗震的不利影响,这样将填充墙视为非结构构件,简化了抗震设计步骤。但实际上,填充墙参与了地震剪力分配,改变了结构体系的刚度和承载能力,因此对框架结构抗震性能的影响也是不可忽视的[5-10]。

根据震后较为常见的墙体剪切斜裂缝分布情况,周献祥等[11-12]提出沿斜裂缝出现区域布置钢筋-砂浆面层交叉条带,对砌体墙进行加固,并通过穿墙钢筋或螺栓杆把条带和墙体紧密连接。研究表明,该加固方法能有效提高砌体结构受剪承载能力,改善结构抗震性能。相比于增大截面法、置换混凝土法等传统加固方法,交叉条带加固后既有结构承载力和延性系数提高幅度较大,加固针对性强,材料用量少且施工便捷。

课题组前期运用ABAQUS软件对钢筋-砂浆面层交叉条带法加固带填充墙框架结构进行模拟研究[13],数值模拟结果证实了交叉条带法加固带填充墙框架的可行性,无论是提高框架承载力还是对变形性能的改善,均有较理想的效果。

本次试验主要研究承载力不足的既有带填充墙框架结构,经交叉条带法加固后的抗震性能,主要研究因素包括:框架混凝土强度、柱截面尺寸、填充墙砌筑砂浆和条带砂浆强度、条带加固钢筋用量和竖向压力等,分析加固后结构的破坏形态,并建立加固后带填充墙框架结构的受剪承载力计算公式。

1 试验概况

1.1 试验设计与试件制作

由于试验变量较多,为提高研究效率,引入正交试验设计思想,共设计制作了11榀缩尺比为1∶2的框架试件,具体试件参数见表1。各试件框架顶梁截面尺寸均为200mm×100mm;框架柱截面尺寸为200mm×200mm或300mm×300mm;按框架柱尺寸不同,底梁截面尺寸为400mm×200mm或400mm×300mm,长度均为2 500mm,并设计4个支腿,以提高框架稳定性,防止框架发生平面外倒塌。以框架柱截面尺寸为200mm×200mm试件为例,H组试件详细尺寸及配筋情况见图1(a),J组试件的配筋情况同H组,区别仅在于框架柱间距缩短为900mm,示意图如图1(b)所示。

图1 试件尺寸及配筋图

表1 试件参数

对每个试验变量取两个水平因素进行组合,共需进行7次试验(H1试件为未加固对照试件)。此外,从砌体结构的震后结果来看,墙体高宽比对结构的失效机制和破坏模式影响较大[14-15],因此设计高窄填充墙框架试件。框架采用C25或C40混凝土浇筑;填充墙选用强度等级为A3.5或A5的轻质加气混凝土砌块砌筑,砌筑砂浆强度等级为M2.5或M5,墙体厚度均为100mm;加固条带砂浆强度等级为M5或M15,面层宽度为250mm、厚度为40mm;框架内钢筋和加固条带钢筋均选用HRB400级带肋钢筋。各类材料强度实测平均值见表2。同时,参考实际工程中常见的框架柱轴压比范围,试验时采用了不同的竖向压力值。

表2 材料强度实测平均值/MPa

钢筋按设计下料并在预定位置粘贴应变片后,交由专业工人进行绑扎和模板施工,每榀框架由多名工人根据混凝土强度等级C25和C40不同批次进行流水式浇筑,同时在每榀框架浇筑时制作3个标准立方体抗压试件。框架绑扎及浇筑施工过程见图2。

图2 钢筋混凝土框架制作过程

框架制作完成并养护28d后进行填充墙砌筑。填充墙由两名瓦工流水砌筑,每隔2皮砌块放置2φ3铁丝拉结,伸入填充墙内的长度为350mm,砌筑过程中随时检查砂浆饱满度和均匀程度。

填充墙制作完成并养护7d后,按照不同试件的加固方案进行条带加固施工,具体流程依次为在墙体表面砂浆缝定位钻孔、打入植筋胶、布置钢筋网片、支模并涂抹面层砂浆。其中,双面加固使用对拉钢筋,梅花形布置;单面加固则使用对拉螺栓杆进行拉结。墙体砌筑和加固施工过程见图3。

图3 填充墙砌筑和加固过程

1.2 加载方案与测点布置

试验加载装置如图4所示,竖向作动器加载最大可达到1 000kN,水平作动器加载可达500kN,该装置的四连杆连接传力L形梁与反力架,试验过程中能够约束试件顶部转动,极大程度上降低了试件发生弯曲破坏的概率。

图4 试验加载装置

在正式加载前,需要首先进行预加载:竖向作动器加载至预定竖向荷载的50%,水平荷载施加为预估开裂荷载计算值[16]的20%,往复循环3次,检查仪器的运行及与试件的连接情况。正式加载时,采用力与位移混合控制的加载方式[17]。如图5所示,在试件开裂前,水平加载采用力控制,每级加载梯度反复循环1次,在接近预估开裂荷载时减小加载级差,试件开裂后取开裂位移值为级差,并改用位移控制继续加载,每级加载梯度反复循环3次,每个循环周期的加载时长均定为3min,待水平力降到峰值荷载的85%以下时结束试验。

图5 加载制度示意图

观测项目主要包括水平和竖向荷载、框架顶部和底部的水平位移、试件的平面外位移以及钢筋应变值等。如图6所示,在框架柱上端和顶梁中部分别安装水平和竖向位移传感器,底梁中部安装平面外位移传感器,用于监测试件平面外倾斜。

图6 位移传感器和钢筋应变片布置示意图

2 试验现象

2.1 未加固试件

H1试件加载过程的主要破坏现象为:1)水平加载初期,结构整体处于弹性阶段,并未发现裂缝,当加载到120kN时,靠近右侧框架柱上端和左侧框架柱下端,砌块出现少量“X”形裂缝,且在填充墙下端出现横向裂缝。加载至150kN时,填充墙出现大面积开裂,并发现多条水平错动裂缝,认为试件已经进入弹塑性工作阶段,此后改用位移控制加载。2)首级位移加载时,初裂缝略有开展,在第一次循环时,右柱上端和左柱下端出现水平剪切裂缝;第二次循环时,右柱下端和左柱上端出现裂缝,左柱钢筋屈服。当位移幅值达到23.85mm时,初裂缝呈水平缝,扩展到右柱正面,长约75mm,两柱上端钢筋应变片过载屈服。继续加载,位移幅值达到32mm时,两柱上下端出现多条水平缝和斜裂缝;位移幅值达到40mm时,柱上下端出现大量裂缝,水平荷载达到峰值,柱下端钢筋开始屈服;位移幅值达到71mm时,左柱下端内侧表面的混凝土外鼓,右柱完好,梁内纵筋靠近柱位置屈服,承载力下降到峰值荷载的85%,停止试验。此时,梁端部破坏严重,中部并无明显损伤;左柱下端产生较多横向裂缝,破坏较为严重,两柱已经倾斜无法保持框架原状。试件最终破坏图及裂缝分布见图7(a)、(b)。

图7 未加固试件破坏图

J1试件加载过程的主要破坏现象为:1)力控制加载时,加载到90kN,填充墙开裂,且裂缝较多,此后改为位移控制加载。2)首级位移加载循环时,填充墙出现较多裂缝,但裂缝均较小;当位移幅值达到±28mm时,填充墙墙体裂缝进一步增多,且初裂缝延长变宽,两柱纵筋屈服,柱两端均有水平裂缝产生且数量较多,左柱上端产生较多较长的竖向裂缝,混凝土有被压碎趋势,相对而言,柱上端损坏程度大于下端;当位移幅值达到±42mm时,填充墙基本丧失耗能能力,右柱上端产生若干条新裂缝,两柱柱脚和两柱节点处裂缝较密集;当位移幅值达到±56mm时,填充墙下端第二皮砌块脱落,填充墙呈现压弯破坏现象,柱下端混凝土被压碎,整个框架结构较为危险;当位移幅值达到±70mm时,框架柱下端受剪切破坏,混凝土破坏较为严重。试件最终破坏图及裂缝分布见图7(c)、(d)。

2.2 加固试件

低矮填充墙组加固试件的破坏模式较为相似,这里选取双面加固的H2试件和单面加固的H4试件,以及高窄填充墙组的双面加固J3试件为例分别进行描述。

H2试件加载过程的主要破坏现象为:1)试件在加载初期处于弹性阶段,当加载到150kN时,条带出现裂缝,砌块与框架梁下表面之间砂浆出现通缝,此后改用位移加载控制。2)首级位移加载循环时,正面条带出现多条裂缝,条带上端有脱离墙体趋势,墙体背面无新裂缝产生,填充墙左侧出现较长竖向贯通裂缝;当正向推出、反向拉回的位移幅值达到+15.36、-19.88mm时,裂缝在填充墙上发展,左右两侧三角区域的墙体出现明显竖向裂缝,框架柱下端开裂,梁正面左侧下部纵筋屈服,填充墙上三角区砌块开裂,条带上端被挤碎;当正向推出、反向拉回的位移幅值达到+24.16、-28.68mm时,填充墙裂缝向左右两侧竖向发展,而中间斜裂缝发展不明显,条带钢筋大部分屈服,且条带裂缝继续增多,左侧柱下端钢筋出现屈服;当位移幅值达到+41.7mm时,右柱下端有新裂缝出现,上端也出现水平裂缝,框架梁与填充墙之间产生明显缝隙,正面右上角条带被压碎脱落,填充墙上三角区域裂缝不多,左右三角区域砌块出现斜裂缝,柱端原有裂缝扩张延伸;当位移幅值达到+70.4mm时,柱端裂缝继续发展,条带上端挤碎,柱脚出现竖向裂缝,条带端部出现纵向裂缝;继续加载至+76.7mm,柱上端出现竖向裂缝,填充墙最上皮砌块与梁的相对位移较大,条带端部四角基本开裂,水平承载力下降到峰值荷载的85%,停止加载,结束试验。此时,框架梁柱损伤较小;条带裂缝较多,部分被压碎,下侧端部表层脱落;填充墙上三角区域开裂,最上皮砌块破坏最为严重。试件最终破坏形态及裂缝分布见图8(a)、(b)。

图8 加固试件破坏图

H4试件加载过程的主要破坏现象为:1)当力加载到90kN时,条带沿着对拉螺栓位置出现规则裂缝,此后改为位移加载控制,首级位移加载幅值为15mm。2)首级位移加载时,条带继续出现裂缝,条带底部两端与填充墙有脱离趋势,填充墙4个三角区域都出现竖向小裂缝,数量不多,砂浆缝和砌块均有开裂;当位移幅值达到+12.46mm时,条带右上区域出现沿条带的纵向裂缝,中央出现密集小裂缝,填充墙左右两侧裂缝继续延伸,并出现一些新竖向裂缝;位移幅值达到-17.47mm时,从正面看,两框架柱下端左侧出现裂缝,左柱横向裂缝较多,右柱裂缝集中于条带与框架柱连接处,柱脚受条带挤压,造成部分混凝土脱落;当位移幅值达到-25mm时,条带右下端出现沿条带的纵向裂缝,延伸至条带中心区,与条带横向裂缝形成“T”形交叉,梁两端与柱连接处出现若干小裂缝,且有压坏现象,左右柱上端均出现较短的水平裂缝,右柱纵筋屈服;正向推出、反向拉回的位移幅值达到+27.50、-32.48mm时,柱上下端水平裂缝继续发展,条带与两柱上端接触部分出现裂缝,右侧较左侧更为严重,右上角条带端头被挤碎,填充墙两侧竖向裂缝发展贯通,右侧比左侧明显,墙体与框架顶梁产生相对滑动;当位移幅值为75mm时,两柱顶部端头破坏,条带端部砂浆被挤碎脱落,水平承载力下降到峰值荷载的85%,停止加载,结束试验。此时,条带右上角破坏较为严重,右下角也有这种趋势。试件最终破坏形态及裂缝分布见图8(c)、(d)。

J3试件加载过程的主要破坏现象为:1)力加载到80kN时,条带与填充墙均出现裂缝,填充墙裂缝在下三角区域有两条,左右区域各一条,条带裂缝在中心区上端向右下发展,此后改用位移加载控制。2)首级位移加载时,右柱上端出现竖向裂缝,条带继续出现裂缝,大部分为穿过对拉螺栓的横向裂缝或是初始裂缝的延展,填充墙左右及下三角区域开裂;当位移幅值达40.5mm时,顶梁右端开裂,中部下端填充墙产生4～5条细密竖向裂缝,最上皮砌块被压碎,左柱上端出现水平裂缝,柱脚开裂,填充墙上下三角区域裂缝远多于左右三角区域;当位移幅值达54mm时,柱纵筋屈服,两柱端出现较多裂缝,柱上部破坏最为严重,顶梁端部产生两条较长的竖向裂缝,但条带端部并无压碎现象。当位移幅值为67.5mm时,梁纵筋屈服,框架接近失效,既有裂缝持续延伸,填充墙两侧竖缝砂浆被挤碎,柱顶端大面积开裂;当位移幅值为81mm时,柱顶端混凝土被压碎,条带端部、柱上部挤压破坏严重,梁左端新增一条斜向裂缝,继续加载至水平承载力下降到峰值荷载的85%,停止加载,结束试验。此时,填充墙除加载初期出现一定破坏,上三角区域贴近框架顶梁处破坏严重,其他位置裂缝较少。试件最终破坏形态及裂缝分布见图8(e)、(f)。

2.3 小结

对于未加固试件,填充墙抗拉强度相较框架结构要小很多,因此填充墙总是先于框架出现裂缝,随着试件所受水平力的增长,水平位移随之增大,填充墙出现裂缝,梁柱部分钢筋出现屈服,墙体破坏时框架承担了绝大部分荷载[18-20]。

当采用交叉条带加固后,试件整体由框架、填充墙和加固条带三部分共同承担水平和竖向力。在加载初期,加固试件较未加固试件刚度和承载力均有所提升;当水平力加载达到一定数值时,填充墙和条带率先开裂,结构刚度有所下降,裂缝数量逐渐增多,初始裂缝继续延伸发展时,填充墙视为失效,承载力主要由框架和交叉条带承担;继续加载,柱端部分钢筋被压屈,部分试件的柱顶端混凝土压碎脱落,此时多数试件的承载力已降到峰值荷载的85%以下,视为试件破坏。

3 试验结果分析

3.1 滞回曲线

11个试件的滞回曲线如图9所示。由图可见,与未加固试件相比,加固后试件的滞回环更为饱满,面积更大,这充分说明经交叉条带法加固后,带填充墙框架的耗能能力有一定程度的提升。加载初期,试件整体处于弹性阶段,滞回环面积较小,无明显残余变形,耗能较小,刚度无明显退化,随着水平加载的逐渐增大,试件开裂后滞回曲线发生弯曲,并向位移轴倾斜,滞回环面积增大,有捏缩现象,形状从“弓”形向反“S”形过渡,这表明墙体发生了较大的剪切滑移,此后滞回环形状保持一定程度上的稳定,体现了框架结构良好的延性性能。此外,力控制加载改为位移控制加载后,J2、J3试件每级位移加载的受剪承载力变化不大,直至破坏才出现明显下降,这说明交叉条带加固法加强了高窄填充墙框架在大震作用下的延性及耗能。

图9 各试件滞回曲线

3.2 骨架曲线和延性

11个试件的骨架曲线如图10所示。各试件的屈服荷载、屈服位移、峰值荷载、峰值位移、破坏位移、延性系数见表3。此外,各试件平面外位移的量测结果都较小,均在±0.5mm以内,因此可忽略平面外位移对试验结果的影响。

图10 骨架曲线对比

表3 特征点荷载、位移与延性系数

通过骨架曲线和表3数据可知,框架柱截面尺寸、混凝土强度以及加固钢筋数量对受剪承载力的影响较大,而砌筑砂浆和加固砂浆对于试件承载力的影响较小。除H4、H5试件外,低矮填充墙组其他加固试件较对照试件H1的受剪承载力均有明显提升。对H6、H7试件与H1试件进行对比发现,单面加固的H6试件的受剪承载力比H1试件提高了18%,双面加固的H7试件则提高了36%,这表明交叉条带法双面加固优于单面。但高窄填充墙组的加固效果并不明显,这可能受结构高宽比影响,条带对整体承载力的提高作用并不显著,反而由于加固部分增大了结构刚度,使得结构的破坏位移比加固前有所降低。采用单面或双面交叉条带加固法均可有效提高带填充墙框架结构的延性,且双面加固效果更为显著,加固后试件的延性系数最高可提升1.5倍。

4 加固后带填充墙框架受剪承载力

基于上述分析,钢筋-砂浆面层交叉条带加固带填充墙框架的水平承载力可视为原框架、填充墙和交叉条带形成的拉压杆体系三部分提供的承载力之和。填充墙不仅提高了框架的受剪承载力,也改善了整体结构的延性和耗能能力,因此带填充墙框架结构应分别对空框架和墙体承载力乘以协同系数,然后再叠加计算受剪承载力[17]。课题组前期通过有限元分析提出带填充墙框架的受剪承载力V可按下式计算[13]:

(1)

式中:M1、M2分别为框架结构柱底和柱顶的弯矩;H为框架柱高度;f2为填充墙砌筑砂浆抗压强度平均值;Aw为填充墙水平截面面积。

采用钢筋-砂浆面层交叉条带加固后,在式(1)基础上加上条带部分提供的承载力,并考虑加固条带对带填充墙框架的影响,重新拟合协同系数,即可得到结构整体的受剪承载力。此外,由于加固条带的水平截面面积过小(仅为0.01m2),因此条带部分忽略砂浆作用,只考虑钢筋项的水平分量。经试验数据拟合得公式如下:

(2)

式中:Vu为加固后带填充墙框架受剪承载力;fj为加固钢筋屈服强度平均值;Aj为加固钢筋截面面积;θ为加固条带与水平方向的夹角。

各试件的式(2)计算值与试验承载力峰值对比见表4。由表可见,除H7试件和J组试件外,其余试件的计算误差较为理想。H7试件使用角钢在条带上穿孔拉结,角钢的作用面较大,对砂浆条带和砌体填充墙都有不同程度的增强作用,故H7试件在试验中表现出超预期的承载能力。J组试件的加固试件数量过少,试验偶然性较大,不足以拟合出准确计算公式。此外,高宽比改变应当计入受剪承载力的影响因素当中。

表4 试验值与计算值对比

5 结论

(1)钢筋-砂浆面层交叉条带加固可有效提高带填充墙框架结构的受剪承载力,加固后平均可提高60%左右。其中,框架柱截面尺寸、混凝土强度和加固配筋量对受剪承载力的影响较大,而砌筑和面层砂浆强度对受剪承载力的影响较小。

(2)条带在墙体塑性阶段有效限制了裂缝的延伸发展,加固后部分试件的滞回曲线更为饱满,滞回环面积更大,说明交叉条带法在一定程度上可提高带填充墙框架的耗能能力,同时对结构的延性性能也有所改善。

(3)通过分别考虑空框架、填充墙和加固条带三部分对受剪承载力的贡献,并对试验数据拟合得到的加固后带填充墙(高宽比为1)框架结构受剪承载力公式的计算值和试验值吻合较好。

(4)试验过程中,交叉条带与填充墙之间始终保持良好的整体性,说明本文采用的对拉螺杆在构造上是合理的,可有效发挥条带的加固作用。

(5)加载过程中,填充墙变形弱于框架,导致墙体和框架柱之间较易出现空隙,致使条带内加固钢筋不能更好发挥拉杆作用。因此实际工程中,宜将条带上、下端部锚在框架梁上,加固效果会更好。