开窗洞砌体墙片拟静力试验研究

2016-05-12陈国辉胡景波

科技资讯 2015年33期

陈国辉　胡景波

摘要：为了研究开窗洞砌体墙片的抗震性能，该文依据北川电信局职工住宅楼底层开窗洞的纵墙设计了一组开窗洞的墙片，通过现浇楼板把3片平行布置的墙片连接到一起建立模型。在楼板上施加配重模拟上部5层荷载，使其与原型结构具有相同的轴压比。在墙片的一端施加低周水平反复荷载进行拟静力试验。获得开窗洞墙片在分级水平荷载作用下的破坏形态和抗力特性，并提炼了反映墙片本构关系的骨架曲线。研究结果表明：开窗洞口高度范围内的墙肢易发生剪切破坏，在结构设计中应引起足够的重视，加强其抗剪强度；洞角处应力集中，墙体容易在此处出现阶梯型裂缝，若想提高砌体的开裂荷载应在洞角处加强构造措施；竖向正应力对砌体的破坏形态和承载力有重要影响。

关键词：拟静力试验抗剪强度骨架曲线剪切破坏

中图分类号：TU36 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0075-05

Abstract：In order to study the seismic performance of masonry walls with window openings， according to the bottom longitudinal wall with window openings of Beichuan Bureau staff residential building ，we design three pieces wall with window openings， arranged in parallel way and connected by cast-in-place floor to be a model. The counterweight in the simulation of the five layer floor apply on the floor so that the model has the same axial compression ratio with the prototype structure. In order to obtain the failure model and resistance characteristic of the window opening wall under the horizontal load， and the skeleton curve of the constitutive relation，low cyclic horizontal load is applied at one end of the wall to perform quasi static test. The results of the test show that：within the height range of the window openings wall limb， shear failure easily occurs. We should pay enough attention to it in the structural design，and strengthen the shear strength of wall limb； stress concentrated in hole corners，and ladder type cracks are easy to appear here.If you want to improve cracking load of the masonry，measures to strengthen the structure should be taken in the openings angle；Vertical normal stress of masonry has important influences on the failure patterns and bearing capacity.

Key Words：Quasi static test；Shear strength；Skeleton curve；Shear failure

砌体结构作为传统的建筑形式，在我国学校、医院、办公和住宅中发挥着举足轻重的作用。近年来尤其是在汶川地震和庐山地震中，大量砌体结构倒塌或者成为“站立废墟”，这些严重的震害特征暴露出砌体结构抗震设计上仍存在不足，还需进一步开展研究工作。在地震中，砌体结构主要承受水平惯性力作用。由于墙体材料为脆性，整体性能差，使得砌体结构应力分布不均匀，而在砌体结构上开洞更加剧了应力分布的复杂性。该文拟模拟北川电信局职工住宅楼底层一开窗洞纵墙建立墙片模型，研究低周反复荷载作用下开窗洞砌体墙片的力学性能和破坏特征，为改善开洞砌体墙片的抗震性能，以及对砌体结构进行加固提供合理科学的参考依据。

1 开窗洞墙片模型的设计制作

该文采用的模型是将北川电信局职工住宅楼底层开窗洞的纵墙经过1/5缩尺而得，经过缩尺后的墙片尺寸如图1所示。墙片两端和中间各设置一根尺寸为48 mm×48 mm的构造柱，纵筋为4Φ4，箍筋为Φ1.5@40；模型配制的混凝土为C20；底座采用的混凝土强度等级C20，钢筋等级Q235。为减少试验中偶然性误差和个体差异的影响，3片墙片平行布置并通过现浇混凝土楼板相连建立模型，其中A墙片位于南侧，B墙片位于中间，C墙片位于北侧。

2 模型材料力学性能

该模型采用的砌块材料为小型混凝土砌块，该砌块采用质量配合比1∶4（水泥∶砂）的水泥砂浆制作而成，其尺寸是依据标准砌块按照1/4相似比缩尺所得。标准砌块的尺寸为390 mm*190 mm*190 mm，缩尺后模型所用的砌块尺寸为98 mm*48 mm*48 mm，芯孔尺寸为35 mm*30 mm*48 mm，孔洞率为45% 。为了模拟原型结构实体墙，该模型采用质量配合比为1∶5（水泥∶砂）的水泥砂浆将小型混凝土砌块的芯孔填实；砌筑砂浆的质量配合比为1∶4∶1（水泥∶砂∶水）；楼板和构造柱采用的C20的质量配合比为1∶1.3∶3.1（水泥∶砂∶石子）。依据文献[2-5]，我们分别进行混凝土空心砌块抗压强度试验、灌孔砂浆立方体抗压强度试验、砌筑砂浆立方体抗压强度、混凝土立方体抗压强度试验和砌体试件抗压强度试验，试验结果见表1，依据试验结果，混凝土砌块抗压强度为4.4 MPa；灌孔砂浆的立方体抗压强度为3.5 MPa；砌筑砂浆的立方体抗压强度为4.0 MPa；混凝土的立方体抗压强度为12.7 MPa；其中砂浆立方体试件抗压强度是以3个试件测值的算术平均值的1.3倍（f2）作为该组试件的抗压强度平均值（精确至0.1 MPa）。

3 试验方案

3.1 试验加载装置和数据采集设备

该套试验加载装置主要包括水平作动器、反力架、传力钢架、工字钢梁、配重块等设备。为了保证竖向荷载的稳定连续性，模型通过施加配重块模拟竖向荷载；模型的水平荷载通过作动器控制，并通过传力钢架传递到模型楼板处。作动器的一端通过螺栓紧密连接到反力架上一工字钢梁上的连接板，另一端则通过螺栓紧密连接到传力钢架的连接板。工字钢的中部设有一个SW-10型拉线位移计，方便校核水平荷载。模型的实际加载系统如图2所示。

该次试验的数据采集设备包括CS-1A型动态电阻应变仪、CDSP数据采集仪、DH5902动态电阻应变仪、Kyowa-611b和Kyowa-711b型动态应变仪、SW-10型拉线位移计、Kyowa DT-10百分表等，数据采集仪的灵敏度见表2。墙片位移采用SW-10相对位移传感器测定，并辅以百分表实时监控墙体的位移变形；应变数据由动态应变仪采集。

3.2 试验加载方案

3.2.1 竖向荷载

为了使模型与原结构具有相同的轴压比，通过施加配重块模拟原型结构的上部5层荷载。依据设计图纸对原型结构的质量得知，开窗洞墙片的人工质量实际加载9 t。

3.2.2 水平荷载

由于试验设备的限制，此次试验水平荷载加载程序采用位移控制方法，在墙片开裂前，先施加与预估开裂荷载的40%～60%相对应的位移。墙体开裂后，取开裂时的最大位移值的3倍为级差进行控制加载，并重复3次。

3.3 试验量测方案

模型的楼板的刚度远大于墙体的刚度，可以认为楼板为刚体，墙体顶端的位移等于楼板的位移。在试验载荷较小时，在楼板远离施力端处布置2个精度较高的Kyowa DT-10百分表，同时在楼板纵向中线布置一个拉线位移计作为校核，在作动器中线延长线上工字钢处布置一个拉线位移计测量工字钢的变形，用以校核水平荷载。在试验载荷较大时，撤除Kyowa DT-10百分表，在Kyowa DT-10 百分表处布置2个SW-1相对位移传感器。

4 试验结果及其分析

4.1 墙片破坏形态分析

4.1.1 南侧墙片A破坏分析

墙片最早在洞口角部出现阶梯型的裂缝，随着水平推力的增加，裂缝沿墙片向构造柱两端扩展，直至裂缝沿对角线方向贯通；由于洞口上部水平灰缝提供的摩擦力不足，导致墙体出现了水平裂缝（图3所示）。

4.1.2 中部墙片B破坏分析

中部墙片最初也是在洞口角部出现阶梯型裂缝，然后向构造柱两端发展；随着荷载的增加，洞口高度范围内的墙肢被剪断，构造柱被贯穿。但是与南侧墙片不同的是，由于其负担的荷载更大，使其压应力也更大，墙片产生裂缝后发展速度更迅速，宽度也更大，破坏更严重，洞口高度范围内的墙肢的剪切破坏表现得更加明显，其破坏形态见图4。

4.1.3 北侧墙片C破坏分析

从图5墙体裂缝的分布可以看出，墙体出现贯穿于墙体构造柱的X形裂缝，裂缝较小；中部构造柱起到了销键的作用，很好地限制了裂缝的发展；墙体窗口四角皆出现沿对角线开展的斜向阶梯形裂缝，裂缝较大，具有一定的延性破坏的特征。

综上所述，我们可知，该开洞砌体在水平荷载作用下，3面墙片的受力情况不尽相同，中间墙片受力情况较两侧墙片受力更大，破坏更严重；构造柱能发挥销键的作用，阻碍裂缝的开展和延伸，对砌体有进行有效地约束，增强了砌体结构的整体刚度，提高墙体的抗剪强度。

4.2 墙片应变结果分析

通过在墙片不同位置设置应变片可以得到墙体的应变场，从而反映出各个区域在加载过程中墙片的变形信息，该文选取破坏最严重的洞口高度范围内的墙肢处的应变片数据进行了分析（A/B/C墙片分别为：外侧墙片/中间墙片/内侧墙片）。

4.2.1 同一墙片上3墙段等高处应变对比

3#、5#、7#应变片设置在墙片A洞口高度范围内的3段墙肢的1/2洞口高度处，12#、14#、16#应变片设置在墙片B洞口两侧墙段的1/2洞口高度处，21#、23#、25#应变片设置在墙片C洞口两侧墙段的1/2洞口高度处，以采集墙段的应变信息。各应变片方向相同，均与水平线呈45°夹角。同一墙体中两个窗洞之间的墙肢比窗洞边墙肢的应变大；由于轴压比较大，相比其他两道墙体A、C发生的应变，中间墙片B破坏时其发生的应变小（见图6～8）。

4.2.2 不同墙片相同位置处应变比较

选取A、B、C3片墙体的右侧墙肢上的应变片数据进行对比分析，该位置处的墙肢在试验过程中出现剪切斜裂缝，选取前2 000 s采集的数据进行分析，且在加载全过程中，由于墙片A的#3应变数据异常，因此仅对比#12和#21应变片数据。两应变片在100 s、150 s、200 s、300 s、350 s、400 s及600 s和1 000 s等加载时刻应变数值分别为：#12应变10με、25με、40με、90με、105με、106με、117με、118με，其应变增量△μ=118με；#21应变0με、20με、35με、47με、46με、44με、62με、71με，应变增量△μ=71με。由两应变增量可见，在试验加载初期墙片B承担更多的水平力，这一结论得到了试验现象的验证，在试验过程中B墙片的中间墙段最早出现对角斜裂缝，随后墙片A、C的相应位置出现相似的裂缝（图9）。

4.3 滞回曲线

滞回曲线是结构在反复荷载作用下的荷载-变形曲线，综合反映了结构的变形能力，耗能能力和结构刚度退化等力学性能。此次试验3道墙体的滞回曲线见图10。

在开裂前滞回环狭长且其滞回面积小，砌体处于弹性工作阶段，开裂后砌体位移逐渐增大，滞回环面积逐渐增大，滞回环呈梭形。达到极限荷载后滞回环面积继续增大，滞回环由梭形逐渐过渡到矩形，卸载后的残余变形（荷载为零时）[6]也较小，显示出较好的恢复性能。

4.4 骨架曲线

骨架曲线是荷载变形曲线中各加载级的峰值点依次相连而得到的包络线。它反映了最大荷载的轨迹，结构不同阶段受力和变形的特点，是确定恢复力模型中力学特征点的重要依据。墙片模型的开裂位移、开裂荷载、屈服位移、屈服荷载、最大承载力及极限位移见表3，骨架曲线见图11。

数据显示，在墙体开裂之前，骨架曲线趋向于一条直线，墙片的开裂位移比较小；其后墙片的刚度减小，位移进一步增大，在达到最大承载力后曲线经历一段水平阶段再向位移轴弯曲，最后达到极限位移而破坏，表现出了一定的塑形变形特点。

4.5 延性系数

延性系数是结构极限位移Xu与屈服位移Xy之比。延性系数越大，表明结构可以发生的塑性变形越大，可以吸收更大的能量。延性系数计算如下所示。

μ=△u/△y=8.9/1.1=8.1

5 结语

该文通过对3组不同开洞形式的砌体墙片进行低周反复荷载作用下的恢复力试验研究及试验结果分析，得到如下结论。

（1）开窗洞口高度范围内的墙肢易发生剪切破坏，在结构设计中应引起足够的重视，加强其抗剪强度。