冻融作用下带构造柱砖墙抗震性能试验研究

郑山锁, 朱揽奇, 郑 捷, 李 健, 梁先锋, 张秋实

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

冻融作用下带构造柱砖墙抗震性能试验研究

郑山锁, 朱揽奇, 郑 捷, 李 健, 梁先锋, 张秋实

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)

以4榀相同特性的带构造柱砖墙为研究对象,分别进行0、40、80及120次冻融循环试验和低周反复荷载试验,来研究冻融环境对砌体结构抗震性能的影响。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,裂缝出现更早,发展更为迅速,破坏程度更加严重,承载力、刚度、耗能、延性均出现明显的衰减。本文从宏观和微观两个方面对遭受冻融作用砖墙进行了损伤机理的分析。

冻融作用; 带构造柱砖墙; 低周反复; 抗震性能; 损伤机理

0 引言

我国既有砌体结构数量众多,且材料本身的强度低、延性差,再加上设计的低标准、施工的不规范操作,安全性不能得到保证。随着时间的推移,砌体结构的抗震性能会出现不同程度的退化。据历次震害统计资料显示,砌体结构在历次地震中所受的破坏比例最大,遭受的损失最为严重[1]。近年来针对砌体结构抗震性能的研究主要集中在材性和构造两个方面,例如采用不同类型的砖和砌块、改变砂浆强度等来考虑砌体整体性能的改善,或通过改变构造柱的尺寸及配筋来研究其抗震性能的改善或研究冻融对砂浆的性能和不同砖块性能[2-4]的影响。然而对于环境因素的考虑,例如冻融等不利自然因素对砖砌体构件的影响规律的研究几乎为零。因此研究冻融作用下砌体结构的力学性能和抗震性能对在役砌体结构的抗震评估具有重要意义。

为研究冻融作用对砌体结构抗震性能的影响,本文以4榀1/4比例的带构造柱砖墙为研究对象,分别对其进行0次、40次、80次120次冻融循环试验和低周反复荷载试验,通过观测和分析带构造柱砖墙的破坏形态和受力性能,得到其随冻融循环次数的增加所表现出的性能退化特征,为在役砌体结构的抗震性能评估提供依据。

1 墙体试验研究

1.1 试件设计与制作

1.2 材性试验

根据《建筑砂浆配合比速查手册》和《砌筑砂浆配合比设计规程》中的相关规定,确定砂浆配合比见表2。

图1 试件模型(单位:mm)Fig.1 Specimen model (Unit:mm)

编号混凝土强度高宽比压应力/MPa加载方式循环次数WZF-1C300．50．43变幅循环0WZF-2C300．50．43变幅循环40WZF-3C300．50．43变幅循环80WZF-4C300．50．43变幅循环120

表2 水泥砂浆配合比(单位:kg/m3)

将遭受冻融作用的砖试块和水泥砂浆立方体抗压试块分别根据相关标准进行抗压强度试验,其抗压强度见表3。

表3 砂浆、砖力学性能

根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228-2002)中要求进行拉伸试验:每种钢筋标号采用三个标准试件进行拉伸试验,取其平均值。钢筋性能如表4所列。

表4 实测钢筋力学性能

1.3 试验装置及加载制度

试验采用悬臂梁式单方向加载,由1 000 kN液压千斤顶在组合墙顶施加恒定的竖向荷载,由500 kN电液伺服作动器来施加水平方向的反复荷载。组合墙现场加载装置示意如图2所示。

图2 墙体试验装置Fig.2 Test device

本次试验采用水平荷载作用下低周往复循环加载。如图2(b)所示,作动器前端由单向铰与上一级连接,使得作动器在施加荷载和位移时与墙体之间可以产生微小转动,以保证水平加载过程中墙体的稳定。为了保证竖向荷载作用点在试验过程中始终作用在试件中心,使得作用点与试件的变形一致,在顶梁上安装滑动支座,将千斤顶倒置固定在滑动支座上。并在竖向千斤顶与试件之间放置刚性垫梁,刚性垫梁与圈梁之间再铺一层细砂,以使组合墙截面受到均匀压应力。

加载过程参照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-96)进行,采用力-位移混合控制加载制度。水平荷载施加的具体过程:在正式施加水平荷载之前,预加10 kN的水平荷载,正反施加三次,检查试验装置、量测仪器是否正常工作,固定装置是否牢靠,一切正常后将荷载归零,然后正式加载。在试件开裂之前按荷载控制逐级施加水平荷载,每级荷载循环一次(即在正反两个方向上加、卸载各一次),第一级荷载取为20 kN,荷载级差为20 kN;在试件开裂并且加载曲线发生明显弯曲后改用位移控制加载,每级位移取Δcr=2 mm,每级循环三次,直到荷载达到极限荷载,且目测荷载下降至最大荷载的85%后试验结束。整个试件的加载制度如图3所示。

图3 加载制度Fig.3 Loading procedure

1.4 冻融环境模拟

试验中所有试件的冻融循环试验均在ZHT/W2300气候模拟实验系统(图4)进行。该模拟室的制冷系统由2套独立“谷轮”全封闭压缩机并联机组组成,采用风冷的冷凝方式模拟外界寒冷气候,气候室内最低温度可降至-20 ℃,最高温度可达+80 ℃;将其对外部寒冷气候和高温气候的模拟分别编程,然后将程序链接便可成功实现对试件的加速冻融循环模拟。

考虑到大气实验室的实际情况,冻融循环制度在结合相关规范[5-7]的基础上稍作改动,具体方案如下:将已编号的试件放入冻融室中,间断喷水(为保证试件的饱水度,实际喷淋时间为15分钟)使试件完全浸湿,之后降温至-15 ℃持续4个小时,再升温至45 ℃高温烘干2小时,至此一个冻融循环结束。每个冻融循环需要6小时。为保证冷冻效果,在前一循环结束后将温度降至10℃后进行喷淋。加速冻融循环制度示意见图5。

图4 气候模拟实验室Fig.4 Weather simulation lab

图5 冻融循环制度Fig.5 Freeze-thaw cycles

2 试验现象

2.1 外观损伤

随着冻融循环次数的增加,砖墙的表观会发生一些肉眼可见的变化(图6):

(1) 墙体局部泛白和砖块局部剥落。

(2) 墙体局部会沿着砖缝出现微小裂缝,墙体表面变得粗糙。

(3) 墙体表面沿砖缝有大量裂缝出现,且不断扩展,局部有裂缝贯穿现象。

(4) 局部墙体表面剥落明显,伴随着砖和灰缝的大面积脱落,墙面凹凸不平。

2.2 破坏特征

由试验过程可以看出,试件的整体破坏形态为剪切型破坏。试件大体的破坏过程为:首先当荷载达到极限荷载的60%～70%时,墙片开始出现明显裂缝并开始延伸,由左右构造柱延伸下来的阶梯型裂缝直到中柱底部,形成比较明显的“V”字型裂缝。随着“V”字型裂缝的变宽变大,出现与之平行的一些次要裂缝并向中柱延伸,随着荷载和位移的增加,左右两侧柱端出现向上延伸的阶梯型裂缝并向中柱延伸,紧接着会在中柱形成交叉裂缝,最后在整个墙片上形成明显的大“X”型裂缝。随着所有裂缝的变宽,柱端混凝土和局部砖墙发生非常明显的剥落,试件达到完全破坏。

图6 不同冻融循环后墙体外观损伤Fig.6 External damage of walls under different freeze-thaw cycles

随着试件冻融次数的增加,试件中水平裂缝也随之增加,中柱的交叉裂缝由中部向中上部延伸。不同冻融循环次数的最终破坏状态的对比结果如图7所示。

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

在确定试件的开裂荷载和开裂位移时采用荷载-挠度试验方法[8]:取试验加载时荷载-位移曲线上斜率首次发生突变时所对应的荷载和位移,同时参考试验加载观测时肉眼观测到的第一条裂缝所对应的荷载和位移,综合考虑确定开裂荷载Pcr和开裂位移Δcr。极限荷载Pu取正反方向各级加载步中最大荷载值的平均值,极限位移Δu取正反方向各级加载步中最大荷载值所对应的位移平均值。荷载下降到极限荷载85%时的荷载为破坏荷载P0.85,其所对应的位移为试件的破坏位移Δ0.85。试验结果见表5。

由表5可得:

图7 不同冻融循环作用下墙体破坏形态Fig.7 Failure mode of walls under different freeze-thaw cycles

墙体编号Pcr/kNΔcr/mmPu/kNΔu/mmP0．85/kNΔ0．85/mmWZF-1179．812．61267．057．99227．5611．99WZF-2158．683．01231．987．98197．1812．37WZF-3139．303．29189．748．21161．2312．83WZF-4101．613．45163．108．54138．6413．48

(1) 随着冻融循环次数的增加,试件的开裂荷载和极限荷载都出现了明显降低。冻融最严重(120次)的墙片的开裂荷载和极限荷载较未冻融墙片分别下降了44%和39%。

(2) 随着冻融循环次数的增加,试件的开裂位移和极限位移大致呈增长趋势。冻融最严重(120次)的墙片的开裂位移和极限位移较未冻融墙片分别上升了32%和7%。

3.2 滞回曲线

由图8可以看出:

(1) 试件开裂之前,各个试件的滞回曲线环比较小,滞回环狭长,各滞回环基本重合,耗能较小。

(2) 随着荷载增加,滞回曲线上明显出现弯曲,滞回环包围的面积逐渐变大,滞回环的形状也由直线形向梭形和弓形转换,开始出现明显的“捏缩”现象。

(3) 随着控制位移的逐级增大,试件达到极限荷载之后,试件承载力的逐渐降低,墙片基本形成双“X”型裂缝,卸载刚度逐渐降低,残余变形逐渐增大,此时滞回环面积进一步增大,耗能能力明显变大,滞回环向反S型转变。

(4) 随着冻融循环次数的增加,试件的开裂荷载、极限荷载、刚度逐渐减小,滞回环的面积呈减小趋势,整体耗能能力逐渐减小。

图8 墙片滞回曲线Fig.8 Hysteretic curves of walls

3.3 构件的骨架曲线

各试件的骨架曲线见图9。从图中可以看出:(1) 试件开裂前,骨架曲线基本为直线,处于弹性阶段,开裂后墙体骨架曲线稍有弯曲,刚度有所降低,但荷载仍会上升,当到达极限荷载后,曲线开始下降,承载力和刚度都出现退化现象,而荷载值并未急剧下降,当荷载下降到极限荷载的85%时,试件仍然具有一定的承载能力和变形能力。(2) 随着冻融循环次数的增加,墙体的开裂荷载、极限荷载以及对应的开裂刚度、极限刚度都有所降低,且在极限荷载之后下降速度更快。

图9 试件骨架曲线对比图Fig.9 Comparison between skeleton curves of specimens

3.4 刚度退化

各试件的初始刚度K0、刚度-位移回归公式及其相关系数如表6所列。

表6 各试件初始刚度和回归幂函数

各试件刚度退化曲线的对比如图10所示。

图10 试件刚度退化对比图Fig.10 Comparison between stiffness degradation of specimens

从图10可以看出:

(1) 随着荷载和位移循环次数的增加,刚度逐渐下降。刚度在加载初期下降很快,通常在开裂前后就已经降到很低,开裂荷载之后下降速度降低,尤其是极限荷载之后刚度下降非常慢,越往后刚度退化越缓慢,最终趋于稳定,这是因为极限荷载之后试件的主要裂缝都已形成,刚度退化主要由一些次要裂缝的开展造成。

(2) 试件的刚度退化曲线随着冻融循环次数的增加呈现出降低的趋势,而且初始刚度的下降最为明显,这是由于冻融作用下,随着试件的砖块与砂浆之间黏结力减弱,在同等位移情况下试件的抗水平荷载作用减小。

3.5 能量耗散

3.5.1 等效黏滞阻尼系数

通过计算等效黏滞阻尼系数he的值来判别结构耗能能力。he越大表明结构的变形和耗能能力越大,抗震能力越强。计算见式(1)和图11。

(1)

其中:SABC和SOBD分别代表图中阴影部分滞回环和三角形的面积。表7给出了各个试件开裂荷载、极限荷载和破坏荷载时的等效黏滞阻尼系数。

图11 黏滞阻尼系数计算示意图Fig.11 Calculation diagram of viscous damping coefficient

试件编号he(开裂荷载)he(极限荷载)he(破坏荷载)WZF-10．1120．1170．122WZF-20．0900．1090．120WZF-30．0680．0830．217WZF-40．0690．0760．119

各个试件从开裂荷载到极限荷载再到破坏荷载,即从裂缝开展到试验破坏,随着位移的逐渐增大,其等效黏滞阻尼系数呈逐渐增大的趋势,说明试件在加载过程中,随着位移的增大,耗能能力逐渐增强。

随着冻融循环次数的增加,试件的极限荷载所对应的黏滞阻尼系数呈下降趋势,而开裂荷载和破坏荷载所对应的阻尼系数并未发现这样的规律。这是因为墙片的耗能主要发生在试件开裂之后,开裂之前可以认为是线性弹性阶段,因此从开裂荷载到极限荷载这个过程是主要的耗能阶段。虽然极限荷载到破坏荷载过程中也在耗能,但是由于到试验后期,墙片裂缝的瞬间增大等因素使得破坏荷载对应的位移无法较为准确的控制,因此破坏荷载的等效黏滞阻尼系数也可以发现下降的规律,只是有些突变。

3.5.2 滞回环总耗能

从试件开裂荷载开始,计算每一次循环滞回环的面积,依次累加,直到破坏荷载截止,以计算试件从加载开始到破坏的总耗能。各个试件总耗能如表8所列。

表8 各试件的总耗能

由表8可以得出:从试件开裂到承载力达到极限承载力的85%这整个加载过程来看,随着冻融循环次数的增加,砂浆和砖块的削弱和二者之间黏结力的减弱,使得整个试件的整体耗能减小,且经过最严重的冻融影响后,总耗能减小约83%。

3.6 延性分析

由于砌体结构属于砖块跟砂浆组合的复合材料,没有明显的屈服点,屈服位移难以界定,通常是用能量等值法和通用屈服弯矩法[9]来粗略地界定屈服点。本文由于开裂位移与屈服位移比较接近,采用比较容易确定的开裂位移来代替屈服位移,因此位移比采用式(2)计算:

(2)

式中:Δ0.85为85%极限荷载所对应的破损位移;Δcr为构件开裂时的位移。

各试件延性系数如表9所列。

表9 各试件延性系数

从表9中可以看出:随着冻融循环次数的增加,试件破坏位移和开裂位移的比值,即试件延性系数大致呈现出下降的趋势,说明在冻融循环作用下,试件砂浆和砖块强度及两者之间黏结力的减弱导致试件变得更“脆”了。

4 冻融损伤机理分析

4.1 微观分析

(1) 目前国内外学者认可度较高的是由美国学者T.C.Powers[10]提出的膨胀压渗透压理论。该理论可知:由于砂浆和块体中存在大量气泡,在冻融循环过程中,孔隙中较小的毛细孔先吸水饱和,而其他气泡虽然也会吸水,但尚未达到饱水状态,所以当温度降低到一定程度后,毛细孔中的水将结冰,体积膨胀导致未结冰的水自发地向较大气泡处流动,形成静水压力。

(2) 由于冰的饱和蒸汽压比水小,产生的微小气压差就会把未结冰的水推向已结冰区,从而形成渗透压力,砌体内部将同时产生膨胀压力和渗透压力。当压力超过材料的承受能力时,材料内部的微裂缝会逐渐增大、扩展并互相连通,造成强度逐渐降低,直至材料破坏。

4.2 宏观分析

(1) 泛碱现象的影响

泛碱发生的外部条件是低温、较大的湿度及适度的风[11],而冻融循环作用下的砌体试件恰好符合上述三个条件。

由于水泥中CaO含量占60%～70%,在试件浸水后,水化生成C-S-H凝胶的同时,也生成大量可溶性很强的Ca(OH)2;冻融循环进入融化阶段后,伴随着水分的不断蒸发,在试件表面或试件的孔隙缝隙中与空气中的CO2等作用生成CaCO3,随着循环次数的不断增加,CaCO3不断累积而出现成片的白色沉积物。

图12 冻融结合面泛碱现象Fig.12 Efflorescence phenomenon on joint surface of freezing and thawing

由于砌体试件的制作过程中不可避免地会出现灰缝与块体黏结面的不完全接触,这就导致砌体试件在冻融循环之后在孔隙中(特别是黏结面处)会出现不同程度的泛碱现象,而这些白色析出物必然会影响结合面的黏结强度。随着循环次数的增加泛碱现象会越来越严重,在一定程度上导致砌体内部的损伤。

(2) 冻融对砂浆和块体黏结面的影响

由于试件制作和养护等不确定因素的影响,砂浆层与块体黏结面处的孔隙要大于材料内部的孔隙,这就导致同样的冻融条件下黏结面所受孔隙水冻胀力要大于材料内部。这样,在冻融环境下就会使砌体在黏结面处更加薄弱,随着冻融循环次数的增加,黏结面处更容易产生微裂缝,甚至产生黏结面局部脱离的情况,最终导致砌体内部不同程度的损伤。泛碱现象也会对冻融时黏结面的破坏产生一定的促进作用。

5 结论

(1) 经过冻融的组合墙片与原始墙片的实验现象对比发现:前者裂缝出现得较早,裂缝扩展和延伸得较快,且前者破坏得更快,破坏程度较后者更严重。

(2) 随着冻融循环次数的增加,试件的开裂荷载和极限荷载都出现了明显的降低,开裂位移和极限位移大致呈增长趋势。试件的刚度、承载力、耗能能力及延性都有不同程度的下降。说明冻融对砌体结构的抗震性能有较大影响,理应得到砌体耐久性研究者的重视。

(3) 分别从微观和宏观两个方面分析冻融损伤。微观方面,由于材料内部的孔隙水结冰,体积膨胀导致未结冰水向较大气泡处流动形成的静水压力以及未结冰水向结冰区流动产生的膨胀压力和渗透压力导致材料内部产生裂缝。宏观方面,冻融结合面的泛碱现象使得结合面的黏结强度降低,且结合面处空隙大于内部,在冻融作用下容易产生裂缝,甚至脱落。

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Experimental Research of Seismic Performance of Brick Wall with Constructional Column under Freeze Thaw Action

ZHENG Shan-suo, ZHU Lan-qi, ZHENG Jie, LI Jian, LIANG Xian-feng, ZHANG Qiu-shi

(SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710055,Shaanxi,China)

To investigate the effect of freeze thaw action on the seismic behavior of masonry structures,in this study,we investigated the responses of four pieces of brick walls with a constructional column,all having the same properties.We conducted freeze thaw action experiments and low cyclic loading experiments for freeze thaw cycles numbering 0,40,80,and 120.By observation and analysis of the failure modes and mechanical properties of the brick walls with a constructional column,we obtained the performance degradation characteristics associated with an increase in the number of freeze thaw cycles in brick walls.The results show that the failure modes of brick walls under freeze thaw action differ from those that remain intact.With an increase in the number of freeze thaw cycles,cracks appeared earlier and developed more quickly,and the specimens were damaged more seriously.The bearing capacity,stiffness,and ductility of the specimens also decreased significantly and their dissipation capability decreased with an increase in the number of cycles.To gain a more in-depth understanding of the effect of freeze thaw cycles on brick walls,in this paper,we analyze the damage mechanism of the brick wall from both the microcosmic and macroscopic perspectives.The main microcosmic factor influencing the walls is the hydrostatic pressure result from freezing,and the main macroscopic factors are the efflorescence phenomenon and the interface damage caused by freezing.

freeze-thaw action; brick wall with constructional column; low cyclic; seismic performance; damage mechanism

2015-10-19 基金项目:国家科技支撑计划(2013BAJ08B03);国家自然科学基金(51678475);教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20136120110003)

郑山锁(1960-),男,教授,博士生导师,主要从事工程结构及其抗震研究。E-mail:zhengshansuo@263.net。

郑 捷(1988-)，女，讲师，主要从事建筑与结构设计研究。E-mail：julie1314fl@126.com。

TU362; TU317.1

A

1000-0844(2016)06-0854-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0854