钢筋网水泥砂浆面层加固石墙抗剪性能试验研究

2018-05-09李梁峰

水利与建筑工程学报 2018年2期

李梁峰

(1.福建省建筑科学研究院，福建福州 350025；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州 350025)

石结构建筑是福建省闽南地区常见的传统房屋样式之一。由于石结构建筑大多采用干砌甩浆方法砌筑，其结构整体性和抗震性能很差[1-3]。由于福建地处我国东南地震带，进行此类建筑加固是当前建设部分的工作重点之一。

对于砌体结构的抗震加固，目前有斜拉筋加固[4-5]、竖向预应力加固[6]、钢筋网水泥砂浆加固[7-9]、钢筋混凝土面层[10-12]、机织土工布[13]等多种加固方法。此外，针对石结构灰缝强度低的特点，黄凯等[14]提出了丁字销键拉结加固法，郭子雄等[15-17]提出了嵌缝加固方法。在这些方法中，钢筋网水泥砂浆加固应用的最为广泛，成熟。但目前尚未有学者对钢筋网水泥砂浆加固干砌甩浆条石墙的抗剪性能进行研究。

本文按传统方法制作了9片闽南地区常见的干砌甩浆条石墙，并采用钢筋网水泥砂浆面层对其进行加固。通过压剪试验对其加固效果进行试验研究。

1 试验概况

1.1 试件情况

本次试验的石墙由福建省惠安的匠人砌筑，采用当地常见的有垫片干砌甩浆砌筑工艺。砌筑条石选用从惠安当地旧房拆下的花岗岩粗料石，实测石材平均立方体抗压强度为149.5 MPa。由于在不同建筑时间，石砌体灌缝砂浆的强度差别较大。为模拟实际情况，本次试验按照闽南地区民间施工工艺，分别采用高强度和低强度的两种砂浆进行甩浆填缝。高强度砂浆为水泥砂浆，其体积配比为黄土∶水泥∶砂=1∶3∶9，其实测立方体抗压强度为25.6 MPa；低强度砂浆为白灰(生石灰)砂浆，其体积配比为水泥∶砂∶白灰∶黄土=1∶2∶2∶2，强度极低，其实测立方体抗压强度为0.4 MPa。

采用钢筋网水泥砂浆面层对石砌体进行加固。加固砂浆质量配比为水泥∶砂=1∶2，实测立方体抗压强度为22.2 MPa。加固用的水平钢筋采用直径为6 mm的HPB300钢筋，其实测屈服强度为423.5 MPa，极限强度为660.5 MPa，弹性模量为214.5 GPa。竖直钢筋采用直径为8 mm的HPB300级钢筋，实测其屈服强度为382 MPa，极限强度为603 MPa，弹性模量为211.4 GPa。

本试验共制作了9个石墙试件，参照《砌体结构加固设计规范》[18](GB 50702—2011)对石墙进行加固，相关参数见表1。按石墙砌筑用砂浆可分为水泥砂浆与白灰砂浆两类条石墙，分别进行加固施工和试验研究。每个试件由钢筋混凝土地梁、5皮条石砌筑的墙体和钢筋混凝土顶梁组成，砌筑灰缝厚度约为30 mm。未加固试件见图1，单面加固或双面加固构造试件施工过程及配筋见图2、图3。双面钢筋网水泥砂浆加固试件采用穿过灰缝的S形拉结筋进行拉结，单面加固的试件采用L型筋进行拉结，L型拉结筋植入石墙体内120 mm。钢筋网的竖向钢筋植入到了地梁及压梁中。

1.2 加载制度及量测内容

试验装置见图4。竖向荷载由位于基础之下的千斤顶施加，通过预应力钢绞线和钢梁将荷载加到试件顶梁上。为使试件在水平荷载下不出现拉应力，竖向荷载为偏心荷载，加载位置离试件顶梁端部200 mm。

试件水平荷载由油压千斤顶施加，且垂直荷载始终维持为水平荷载的1.5倍。试验中，每级加载10 kN。

为测量墙体应变，在加固面层，水平钢筋、竖直钢筋及拉结筋布置钢筋电阻应变片。为量测试件的水平剪切变形，在试件底部和顶部均布置了水平位移计。

表1 试件参数

图1 未加固试件图

图2试件钢筋网加工图

图3 钢筋网砂浆面层加固构造做法

图4试验装置

2 试验现象

2.1 未加固试件

GQ-1、GQ-2、GQ-3为未加固试件。墙体出现裂缝之前，试件没有明显的变化。当水平荷载接近初裂荷载时，可以听到石材和垫块相互摩擦发出的细微响声。至初裂荷载时，伴随着劈裂的声音，试件的水平向灰缝先出现细小裂缝；继续加载，裂缝不断扩展延伸，并逐渐出现竖向灰缝上的裂缝，裂缝逐渐贯通，形成阶梯型的破坏裂缝。在接近极限荷载时，砂浆灰缝因裂缝太大而脱落，见图5。

由试验可知，未加固试件的破坏水平荷载低，由水泥砂浆灌缝的石砌体墙分别为80 kN和120 kN；由白灰砂浆灌缝的石砌体墙为10 kN，白灰砂浆砌筑石墙的初裂荷载远小于水泥砂浆石墙。石墙在压剪荷载下的破坏模式均为剪切破坏，灰缝为墙体的薄弱部分，主裂缝区域的垫块出现了不同程度的滑移和压碎。

2.2 单面加固试件

图5未加固试件破坏形态

GQ-6、GQ-9为单面加固试件。单面钢筋网砂浆面层加固的构件的裂缝均先出现在未加固面的灰缝处。随着水平荷载的增加，加固面也出现裂缝。随荷载继续增加，裂缝不断发展，未加固面的裂缝沿阶梯型发展，加固面的裂缝大致沿试件的对角线发展。当水平荷载增加到极限荷载时，加固面的砂浆裂缝迅速发展，部分砂浆脱落，主裂缝附近的砂浆面层出现大面积的空鼓现象；未加固面的砌筑砂浆在极限荷载下呈阶梯状贯通，部分灰缝砂浆脱落，试件的破坏形态见图6。

图6单面加固试件破坏形态

试验结束后剥开砂浆面层，发现原石墙体的裂缝沿灰缝呈现阶梯状，走向与面层砂浆裂缝基本一致，裂缝内部垫块出现轻微的滑移和压碎现象。而砌筑用条石并没有出现裂缝。钢筋网与原石墙体锚固良好，没有拉结筋被拔出的现象。此外，在单面加固试件加载过程中，未出现受力不对称而产生的明显平面外变形。可见，钢筋网水泥砂浆的单面加固是可行的。

2.3 双面加固试件

双面加固试件GQ-4、GQ-5、GQ-7、GQ-8为双面加固试件。在面层出现初裂缝之前，加载过程中可听到石头脆裂声音，可见原石墙较加固面层更易发生错位变形。初裂时，双面加固试件均在两侧同时出现细小裂缝，裂缝沿试件对角线方向。随着水平荷载的增加，可以持续的听到砂浆面层劈裂及裂缝扩展的声音，且裂缝不断沿对角线延伸发展。达到极限荷载时，加固面层的裂缝迅速扩展，砂浆裂缝附近出现明显的空鼓与隆起现象，部分面积砂浆发生脱落。双面加固构件的破坏形态见图7。

在试件结束之后剥开砂浆加固面层，原石墙砌体的砌筑砂浆灰缝裂缝较细小，呈阶梯型，其走向和加固面层的裂缝走向基本一致，内部的垫块未出现明显的滑移和压碎现象。钢筋网与原石墙体锚固良好，不存在拉结筋被拔出的现象。竖向的钢筋没有变形，但位于试件中部的水平向钢筋出现了弯曲现象，与黄忠邦[9]实验结果相似。

3 试验结果分析

3.1 试件承载能力及延性

未加固试件的初裂荷载和极限荷载结果如表2所示，表中Pcr表示初裂时对应的水平荷载，Pmax表示极限水平荷载。由表2可知GQ-1和GQ-2的开裂荷载分别为80 kN和120 kN，相差50%，而极限荷载分别为150 kN和170 kN，相差13.3%。开裂荷载的离散性大于极限荷载，其主要原因是开裂荷载受垫块数量、灰缝的饱满程度等因素较大。

图7 双面加固试件破坏形态

此外，对比GQ-1和GQ-3可以发现，砂浆强度对墙体开裂荷载和极限强度的影响极大，试件GQ-1的极限荷载是GQ-3的3倍。

采用钢筋网水泥砂浆单面加固或双面加固的方式均能大幅度提高石砌体的初裂荷载及极限荷载。表2计算了加固后极限荷载的提高幅度，两种不同砂浆强度的墙体分别以GQ-1和GQ-3为基准。从表2中可以看出改变水平钢筋的间距或者增加加固砂浆面层的厚度，都能明显增强加固效果。

各试件初裂和极限荷载时对应的顶点位移值见表3，表中Δcr、Δmax分别表示初裂荷载时对应的顶点侧移值、极限荷载时对应的顶点侧移值。采用峰值位移延性比μ=Δmax/Δcr来计算试件的延性。

表3 各试件初裂和极限荷载时对应的顶点位移值

由表3可知，经钢筋网水泥砂浆面层加固后，试件的峰值位移延性比有所降低。白灰砂浆砌筑的试件位移延性比下降明显。双面加固试件的位移延性比小于单面加固试件。说明用钢筋网水泥砂浆面层加固之后，原石墙体的延性有了增加且采用单面加固与双面加固类型对加固后墙体的延性影响不大。

各试件顶点侧移和荷水平荷载关系曲线图如图8、图9所示。从顶点位移随水平荷载的变化曲线可知，原石墙砌体经加固之后抗侧刚度和水平极限荷载都有大幅提高。从图9中可见双面加固试件的抗侧移刚度提升更为明显。GQ-4试件刚度提高较少，其原因是其原石砌体砌筑过程中，灰缝填塞不饱满，在竖向荷载作用下，石砌块被压裂，加固面层产生空鼓，因而降低了加固效果。

图8 水泥砂浆砌筑石墙顶点位移和水平荷载关系曲线图

图9白灰砂浆砌筑石墙砌顶点位移和水平荷载关系曲线图

3.2 水平、竖直钢筋应变

在加固钢筋网水平、竖直钢筋上布置应变片(见图10)，了解钢筋在加载过程中的受力情况。由于试件中钢筋的受力情况大体类似，本文以GQ-9为例进行说明。GQ-9的应变布置如图11所示。图中H表示水平钢筋应变片，V表示竖直钢筋应变片。竖直钢筋应变和水平钢筋见图11、图12。

从钢筋应变图中可看出，在试件初裂前，水平钢筋和竖向钢筋的应变均处于一个较低的应力水平。当试件出现裂缝后，钢筋的应变开始迅速增加。

由图11可以看出竖向钢筋主要承受压应力。加载初期，V4应变片所在位置位于离加载点较远侧的底部，此时竖直钢筋处于受拉状态，其余竖向钢筋在加载初期均为受压状态。当试件产生裂缝后，位于试件中部的大部分竖向钢筋的应力转为受拉状态，如V2、V3应变片所在位置的竖向钢筋。这是因为当试件开裂以后，竖向钢筋承担拉力，以产生抵抗弯矩。同时从V3，V4的应变变化上分析，由于墙体较长，延水平截面的应变情况不完全符合平截面假定。

图10 水平及竖直钢筋应变布置图

图11 GQ-9竖直钢筋应变图

图12 GQ-9水平钢筋应变变化图

由图12可以看出，在加载初期，水平钢筋处于较低的应力水平。由于应变片均布置于斜向压力区间内，水平钢筋主要承受压应力。位于竖向加载点下的水平钢筋更为明显。随水平荷载的增加，试件裂缝逐渐出现，此时水平钢筋的受力由压力逐渐转变为拉力，而墙体抗剪机制逐渐转变成混凝土斜向受压，钢筋受拉的桁架模式。

试件初裂时，各构件水平钢筋及竖向钢筋的应变分别见表4、表5。极限荷载时，各构件水平钢筋的应变值见表6。其中，横向及竖向的1号及4号均为位于试件角部的钢筋，2号、3号为位于试件中部的钢筋。从表4～表6中可知，初裂时绝大多数钢筋均处于较低的应力水平下，说明试件的抗剪承载能力最开始时主要由加固面层的砂浆来承担，当砂浆出现裂缝后，钢筋逐渐地在承担水平荷载时起主要作用。