不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究

2023-11-01石建光郑煌典陈周熠谢益人

世界地震工程 2023年4期

石建光,郑煌典,陈周熠,谢益人

(1. 厦门大学建筑与土木工程学院,福建厦门 361005; 2. 厦门合立道工程设计集团股份有限公司,福建厦门 361005)

0 引言

砖砌体结构指的是各种砖、砌体或石材通过砂浆组砌成一个整体的结构类型[1]。砖砌体结构在我国应用广泛,历史久远,是目前既有建筑结构的主要形式之一,尤其是历史建筑中占有重要的地位[2]。当外界环境等其他客观因素条件相同时,不同砌筑方式可改变砖砌体结构的特性,从而影响结构的使用寿命[3]。

我国有多种不同砌筑方式砌筑的实心砖墙,常见砌筑方法有:全顺式、三顺一丁式、一顺一丁式、梅花丁、全丁式和两平一侧等[4]。《砌体结构工程施工质量验收规范》(GB 50203—2011)[5]中规定:砖砌体组砌方法应正确,内外搭砌,上、下错缝。而历史建筑砌体结构中则客观存在很多砌筑方式,研究不同砌筑方式下砖墙的加固,对更好地保护历史建筑有重要意义。

王诚杰等[6]通过试验研究了全顺式、三顺一丁式、梅花丁式和全丁式4种砌筑方式对砖砌体结构抗压强度和弹性模量的影响,发现砖砌体结构的抗压强度和弹性模量由高到低依次排列为全顺式、三顺一丁式、全丁式和梅花丁式;黄斌等[7]根据二维周期性材料的概念,选取全顺式、一顺一丁式、梅花丁和全丁式 4 种不同砌筑形式进行有限元分析。结果表明:4 种等效体积单元在x和y方向上的等效弹性模量和等效泊松比与各自单元内砂浆所占体积百分比成反比关系,全丁式最小,而全顺式最大,双向压应力作用全顺式砌体的承载力较其余 3 种砌筑方式的承载力更大;胡智威[8]对不同砌筑方式的砖砌体进行抗压试验,发现砖砌体破坏时全丁式破坏后产生的裂缝数量最多,其次是一顺一丁式、梅花丁和三顺一丁式,全顺式产生的裂缝最少, 同组砌体内各砌筑方式砌体试件的抗压强度比值为:f全顺∶f三顺一丁∶f梅花丁∶f一顺一丁∶f全丁=1.058∶1.044∶1∶0.979∶0.959。从这些不同砌筑方式的试验和计算分析可以看出:砌筑方式会影响砌体抗压强度和弹性模量,而砌筑方式对抗震性能的影响研究比较少。

传统的砌体结构加固方法有:1)注浆法;2)粘钢加固;3)预应力加固法;4)钢筋网水泥砂浆;5)钢筋混凝土面层加固等[9]。

既有的砌体加固方法可以在一定程度上提高砌体墙体的抗剪承载力,但对于原建筑改动过大。尤其是历史建筑来说,这几种传统的加固方法在一定程度上都会改变墙体外观,而且需要墙体本身有一定承载力。国内外研究工作者也提出了许多新的砌体加固方法。

PETERSEN等[10-11]通过11片墙体的对角加载试验及有限元的数值模拟对 CFRP 片材嵌缝加固砖墙进行了研究,对于砌筑砂浆强度较低墙体主要采用竖向加固,砌筑砂浆强度较高墙体主要采用水平加固,加固过程中开槽位置为砖中部,不沿砌筑砂浆开槽。研究结果表明:加固后墙体的承载力得到了不同程度的提高,其中竖向加固对提高墙体的承载力及变形能力最有效;邓明科等[2]采用高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)加固无筋砌体进行了拟静力试验,证明ECC面层对无筋砌体墙内部形成良好的约束作用,可显著改善砖墙的脆性破坏模式,提高砖墙的变形能力和抗震性能;之后邓明科等[12]又采用高延性混凝土(HDC)面层加固无筋砌体墙,证明HDC面层加固对墙体的开裂和破坏有明显限制作用,对墙体的延性和耗能能力有明显提高。

随着研究的推进,人们把目光更多地投到直接提高砌体墙本身承载力的研究上。如砂浆置换、勾缝加固、注浆绑结、微生物灌浆、聚合物砂浆嵌缝、嵌筋加固和CFRP 条嵌入加固等加固技术已投入到工程实践中[13]。

鉴于已有抗震加固技术的局限性,且基于对历史建筑保护的最小干预原则,提出了用高性能砂浆置换部分旧砂浆提高砌体结构安全性的置换砂浆加固方法[14]。为确定这种方法对不同砌筑方式下的砖墙抗震性能的有效性,按是否加固及不同砌筑方式,设计了6个砖墙试件,进行了拟静力试验,研究不同的砌筑方式下置换砂浆加固对砖墙抗震性能的影响。

1 试件设计及加载方案

1.1 试件设计

此次试验的6片砖墙均采用普通烧结黏土砖,砖尺寸为 225 mm×105 mm×47 mm,实测抗压强度平均值12.31 MPa, 标准值8.96 MPa,属于MU10砖;砂浆采用模拟原有砂浆的黏土混合砂浆,实测抗压强度0.625 MPa。置换砂浆采用设计强度等级为M10的水泥砂浆,所用砂为细沙,水泥为普通42.5硅酸盐水泥。配合比为:水泥∶砂∶水=1∶3∶0.7,外加0.67%华千素EC-60(即2 kg/m3)。置换砂浆的砂浆实测抗压强度和各项指标见表1。

表1 水泥砂浆性能指标Table 1 Performance indicators of cement mortar

试件顶梁和底梁都采用强度等级 C30 的混凝土。根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T101—2015)[15]中3.3.3条规定,采用设计强度为C30的聚合物修补加固砂浆来砌筑第一层和最后一层。

此次试验的6片砖墙的尺寸为高1 000 mm,宽1 400 mm,即高宽比为0.67,平均压应力为1.0 MPa下进行加载。各组试件具体设计见表2,砌筑方式见图1。

图1 不同砌筑方式示意图Fig. 1 Schematic diagram of different masonry methods

表2 试件编号Table 2 Specimen Numbers

其中: X形加固区域带宽为255 mm(两直角边各180 mm),墙宽225 mm墙体的砂浆总置换率为18.7%,墙体105 mm墙体的砂浆总置换率20.1%(见图2)。

图2 X形加固图Fig. 2 X-type reinforcement diagram

砂浆置换的具体工艺流程为:

1)掏缝:采用特制工具人工掏缝,深度根据方案确定,深度误差控制在±2 mm以内,需要做到边掏缝边复核。

2)清孔:采用定制的水雾气枪除尘,和步骤1)交替进行。

3)墙体保护:根据砖厚切割纸胶带,选用的纸胶带与砖的粘结度应满足施工要求。

4)注浆+压实:采用枪嘴特制孔径的填缝枪注浆,并配合特制宽度的瓦刀人工压实,同时补浆至压满。

5)勾缝:压实后进行勾缝,使置换砂浆与墙体紧密连接,不留缝隙。

6)养护:采用特制的养护喷水雾装置对置换区域进行喷水养护。

具体施工效果见图3。

图3 置换砂浆施工工艺Fig. 3 Mortar replacement construction technology

1.2 试验加载制度

按照《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T101—2015)[15]相关规定, 试验加载步骤:试加载→施加竖向荷载并保持恒定→力控制等变幅混合加载施加水平荷载→位移控制等变幅混合加载施加水平荷载→水平荷载卸载→竖向荷载卸载。试验加载装置见图4。

图4 试验装置Fig. 4 Test set-up

2 试件破坏现象

各组砖墙试件破坏现象见表3。

表3 各组破坏过程和破坏形态Table 3 Failure process and mode of each group

传统砂浆墙体W1,在水平反复荷载作用下,首先,沿墙体底部外侧发生水平裂缝;其次,在墙体中部形成交叉裂缝;最后,失去承载能力。所以传统砂浆砖墙的承载能力取决于中部交叉裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

一顺一丁的加固墙体W2,由于置换砂浆后,墙体整体刚度变大,水平加载至180 kN时,沿墙体底部外侧发生水平裂缝,顶部作动器位移-8 mm,沿加固区外围出现跨砖的阶梯形斜裂缝,然后迅速形成交叉裂缝,达到承载力极限破坏。所以一顺一丁砖墙的承载能力取决于没有置换砂浆区域中部交叉裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

三顺一丁的加固墙体W3,水平加载至150 kN,沿墙体底部右侧发生水平裂缝,顶部作动器位移12 mm,墙体中部出现跨过砖的微小斜裂缝群,有明显开裂声。顶部作动器位移-16 mm,斜裂缝群向下发展,形成主斜裂缝。所以三顺一丁砖墙的承载能力取决于墙体中部的交叉裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

梅花丁的加固墙体W4,水平加载至120 kN,墙体底部左侧砂浆层开裂,加载至150 kN,左侧未加固区沿砂浆出现阶梯形裂缝,中部出现众多可观测的微小裂缝,加载至180 kN,未加固区裂缝向加固区发展,有明显的开裂声,最终形成交叉裂缝破坏。所以梅花丁砖墙的承载能力取决于未置换区域的交叉裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

全丁的加固墙体W5,水平加载至120 kN时,沿墙体底部右侧发生水平裂缝,继续加载,未置换区域出现明显斜裂缝并迅速破坏。所以全丁砖墙的承载能力取决于未置换区域的交叉裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

全顺的加固墙体W6,水平加载至80 kN,墙体底部左侧加固区砂浆出现微小裂缝,顶部作动器位移-9 mm,墙体底部形成贯通裂缝,墙体出现多条竖向裂缝和斜裂缝。所以全顺砖墙的承载能力取决于置换砂浆区域上部的多条斜裂缝和底部水平裂缝的抵抗能力。

通过对不同砌筑方式下置换砂浆加固墙体的破坏现象的进行比较分析,可以发现:对比W1和W2可以发现:破坏形式都是底部水平裂缝和墙体交叉裂缝,而置换砂浆后开裂和破坏路径大多数发生在未置换区域。在相同加固方式(X形置换40 mm)下,除W10(全顺)破坏类型为沿水平通缝破坏,其余不同砌筑方式的墙体,在同一竖向压应力下(1 MPa),破坏形式均为交叉型裂缝破坏。W10(全顺)的墙宽为105 mm,其他墙体墙宽为225 mm,说明不同墙宽会影响墙体的破坏裂缝形式,薄墙斜裂缝发展不充分,发生水平通缝破坏。而在同一墙宽,同一竖向压应力下(1 MPa),不同的砌筑方式对墙体破坏形式影响不大,故能保证破坏发展在置换区,置换砂浆加固方法对不同砌筑方式的墙体均能起到加固作用。

3 承载力分析

对不同砌筑方式的砖墙承载力和极限位移进行比较,见表4。对比W1和W2,可以看出:加固后墙体,裂缝虽大多数跑出加固区,但承载力仍提升了10.18%,但由于X置换砂浆后使得新旧砂浆弹性模量不同,极限位移缩短21.26%。加固后一顺一丁、三顺一丁、全丁和全顺四种墙体承载力相近,说明X形置换砂浆加固方式,对不同砌筑方式的墙体均有加固作用。加固后的三顺一丁墙体承载力最高,全顺按面积换算承载力第二,一顺一丁和全丁承载力相近,梅花丁承载力最低。取梅花丁受拉侧承载力为1,则加固后不同砌筑方式承载力比为F三顺一丁∶F全顺∶F一顺一丁∶F全丁∶F梅花丁=1.20∶1.18∶1.16∶1.16∶1。比较加固后的各墙体的极限位移,三顺一丁和全丁墙体的极限位移最大,梅花丁和一顺一丁的极限位移比小,全顺的最小。

表4 各组砖墙承载力及极限位移比较Table 4 Comparison of bearing capacity and ultimate displacement of each group

表5 试件的特征点以及延性比较Table 5 Comparisons of characteristic point and ductility

4 滞回曲线及骨架曲线分析

4.1 滞回曲线分析

由W1和W2,即未加固砖墙与加固后砖墙的滞回曲线进行比较。W1滞回曲线弹塑性阶段的滞回环最饱满,反映出W1的塑性变形能力最强,分析原因是未加固墙体整体刚度一致,整体变形能力较好。置换砂浆后的W2滞回环较饱满,说明X形置换的墙体仍具有良好的塑性变形能力。

对比W2、W3和W6,即不同砌筑方式的墙体的滞回曲线进行比较。由图5可以看出:W2(即一顺一丁)滞回曲线最丰满,滞回环面积最大,无明显“捏拢”现象,耗能能力最好。W3滞回环面积较大,耗能能力较差,但承载力最高。W6(即全顺)滞回曲线承载力较低,但无明显“捏拢”现象,无明显滑移现象,刚度退化慢。

图5 荷载-位移滞回曲线Fig. 5 Load-displacement hysteretic curves of specimens

4.2 骨架曲线分析

通过各砖墙的骨架曲线的对比分析可以得出如下规律:在试件出现开裂之前,基本为直线,开裂后呈现为斜率逐渐减小曲线的特征,达到极限荷载后,刚度与承载力都出现退化,曲线下降,但试件仍有一定的变形能力和承载能力。当荷载下降到极限荷载的 85%时,试件即可认为破坏,试验加载结束。对不同加固方式的墙体的骨架曲线进行分析,见图6。

图6 骨架曲线比较Fig. 6 keleton curves contrast

墙体在开裂前其骨架曲线均近似为直线,且各骨架曲线上升段的斜率基本相同,可以看出:加固与未加固的墙体的侧向刚度前期基本相同,不同砌筑方式的墙体的侧向刚度前期也基本相同。对比W1和W2曲线可以看出:加固后墙体的后期刚度比未加固墙体的大,但同时达到极限荷载后,刚度退化较快,破坏更突然。

对比W2、W3、W4、W5和W6,即不同砌筑方式的加固墙体的骨架曲线进行分析。不同砌筑方式的加固墙体在开裂之前的侧向刚度基本相同,开裂后,全顺的W6刚度退化最快,梅花丁W4较快,全丁W5和三顺一丁W3相近,一顺一丁W2刚度退化最慢,但达到承载力后下降迅速。反而全顺W2和三顺一丁W3达到承载力,仍有较长较缓的下降段。说明在不同砌筑方式的墙体中,顺砖比率越高,其达到承载力后的延性越好。

5 延性分析

以砖墙出现明显的裂缝确定开裂位移和开裂荷载;将等效屈服点作为假定屈服点,采用“通用屈服弯矩法”确定屈服荷载和屈服位移[2];以骨架曲线上最大荷载点对应的荷载和位移确定峰值荷载及峰值位移;极限位移采用骨架曲线上承载力下降到 85%峰值荷载对应的位移[2]。

对W1和W2的特征点进行比较。可以看出:加固后墙体的屈服荷载和峰值荷载较未加固墙体有了较大的提升,屈服位移也有所提升,但极限位移有所降低,即加固后墙体刚度更大,但由于裂缝未通过加固区,破坏更突然,即脆性越大。

对W2、W3、W4、W5和W6,即对不同砌筑方式的特征点及延性性能进行分析。W6(全顺)为墙宽为105 mm的墙,屈服荷载,峰值荷载相当于其他砌筑方式的墙宽为225 mm的墙的50%左右,故说明墙体W承载力与墙宽成正比。W4(梅花丁)屈服荷载最小,W5(全丁)次之,两组的屈服位移也较小,即丁砖越多,开裂越早,越早达到屈服荷载。