開(kāi)窗洞砌體墻片擬靜力試驗(yàn)研究

陳國(guó)輝　胡景波

摘 要：為了研究開(kāi)窗洞砌體墻片的抗震性能，該文依據(jù)北川電信局職工住宅樓底層開(kāi)窗洞的縱墻設(shè)計(jì)了一組開(kāi)窗洞的墻片，通過(guò)現(xiàn)澆樓板把3片平行布置的墻片連接到一起建立模型。在樓板上施加配重模擬上部5層荷載，使其與原型結(jié)構(gòu)具有相同的軸壓比。在墻片的一端施加低周水平反復(fù)荷載進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)。獲得開(kāi)窗洞墻片在分級(jí)水平荷載作用下的破壞形態(tài)和抗力特性，并提煉了反映墻片本構(gòu)關(guān)系的骨架曲線(xiàn)。研究結(jié)果表明：開(kāi)窗洞口高度范圍內(nèi)的墻肢易發(fā)生剪切破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視，加強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度；洞角處應(yīng)力集中，墻體容易在此處出現(xiàn)階梯型裂縫，若想提高砌體的開(kāi)裂荷載應(yīng)在洞角處加強(qiáng)構(gòu)造措施；豎向正應(yīng)力對(duì)砌體的破壞形態(tài)和承載力有重要影響。

關(guān)鍵詞：擬靜力試驗(yàn) 抗剪強(qiáng)度 骨架曲線(xiàn) 剪切破壞

中圖分類(lèi)號(hào)：TU36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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

砌體結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)的建筑形式，在我國(guó)學(xué)校、醫(yī)院、辦公和住宅中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來(lái)尤其是在汶川地震和廬山地震中，大量砌體結(jié)構(gòu)倒塌或者成為“站立廢墟”，這些嚴(yán)重的震害特征暴露出砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)上仍存在不足，還需進(jìn)一步開(kāi)展研究工作。在地震中，砌體結(jié)構(gòu)主要承受水平慣性力作用。由于墻體材料為脆性，整體性能差，使得砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，而在砌體結(jié)構(gòu)上開(kāi)洞更加劇了應(yīng)力分布的復(fù)雜性。該文擬模擬北川電信局職工住宅樓底層一開(kāi)窗洞縱墻建立墻片模型，研究低周反復(fù)荷載作用下開(kāi)窗洞砌體墻片的力學(xué)性能和破壞特征，為改善開(kāi)洞砌體墻片的抗震性能，以及對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固提供合理科學(xué)的參考依據(jù)。

1 開(kāi)窗洞墻片模型的設(shè)計(jì)制作

該文采用的模型是將北川電信局職工住宅樓底層開(kāi)窗洞的縱墻經(jīng)過(guò)1/5縮尺而得，經(jīng)過(guò)縮尺后的墻片尺寸如圖1所示。墻片兩端和中間各設(shè)置一根尺寸為48 mm×48 mm的構(gòu)造柱，縱筋為4Φ4，箍筋為Φ1.5@40；模型配制的混凝土為C20；底座采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20，鋼筋等級(jí)Q235。為減少試驗(yàn)中偶然性誤差和個(gè)體差異的影響，3片墻片平行布置并通過(guò)現(xiàn)澆混凝土樓板相連建立模型，其中A墻片位于南側(cè)，B墻片位于中間，C墻片位于北側(cè)。

2 模型材料力學(xué)性能

該模型采用的砌塊材料為小型混凝土砌塊，該砌塊采用質(zhì)量配合比1∶4（水泥∶砂）的水泥砂漿制作而成，其尺寸是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)砌塊按照1/4相似比縮尺所得。標(biāo)準(zhǔn)砌塊的尺寸為390 mm*190 mm*190 mm，縮尺后模型所用的砌塊尺寸為98 mm*48 mm*48 mm，芯孔尺寸為35 mm*30 mm*48 mm，孔洞率為45% 。為了模擬原型結(jié)構(gòu)實(shí)體墻，該模型采用質(zhì)量配合比為1∶5（水泥∶砂）的水泥砂漿將小型混凝土砌塊的芯孔填實(shí)；砌筑砂漿的質(zhì)量配合比為1∶4∶1（水泥∶砂∶水）；樓板和構(gòu)造柱采用的C20的質(zhì)量配合比為1∶1.3∶3.1（水泥∶砂∶石子）。依據(jù)文獻(xiàn)[2-5]，我們分別進(jìn)行混凝土空心砌塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、灌孔砂漿立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、砌筑砂漿立方體抗壓強(qiáng)度、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，混凝土砌塊抗壓強(qiáng)度為4.4 MPa；灌孔砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度為3.5 MPa；砌筑砂漿的立方體抗壓強(qiáng)度為4.0 MPa；混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為12.7 MPa；其中砂漿立方體試件抗壓強(qiáng)度是以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值的1.3倍（f2）作為該組試件的抗壓強(qiáng)度平均值（精確至0.1 MPa）。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)加載裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備

該套試驗(yàn)加載裝置主要包括水平作動(dòng)器、反力架、傳力鋼架、工字鋼梁、配重塊等設(shè)備。為了保證豎向荷載的穩(wěn)定連續(xù)性，模型通過(guò)施加配重塊模擬豎向荷載；模型的水平荷載通過(guò)作動(dòng)器控制，并通過(guò)傳力鋼架傳遞到模型樓板處。作動(dòng)器的一端通過(guò)螺栓緊密連接到反力架上一工字鋼梁上的連接板，另一端則通過(guò)螺栓緊密連接到傳力鋼架的連接板。工字鋼的中部設(shè)有一個(gè)SW-10型拉線(xiàn)位移計(jì)，方便校核水平荷載。模型的實(shí)際加載系統(tǒng)如圖2所示。

該次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括CS-1A型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、CDSP數(shù)據(jù)采集儀、DH5902動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、Kyowa-611b和Kyowa-711b型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、SW-10型拉線(xiàn)位移計(jì)、Kyowa DT-10百分表等，數(shù)據(jù)采集儀的靈敏度見(jiàn)表2。墻片位移采用SW-10相對(duì)位移傳感器測(cè)定，并輔以百分表實(shí)時(shí)監(jiān)控墻體的位移變形；應(yīng)變數(shù)據(jù)由動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀采集。

3.2 試驗(yàn)加載方案

3.2.1 豎向荷載

為了使模型與原結(jié)構(gòu)具有相同的軸壓比，通過(guò)施加配重塊模擬原型結(jié)構(gòu)的上部5層荷載。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)原型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得知，開(kāi)窗洞墻片的人工質(zhì)量實(shí)際加載9 t。

3.2.2 水平荷載

由于試驗(yàn)設(shè)備的限制，此次試驗(yàn)水平荷載加載程序采用位移控制方法，在墻片開(kāi)裂前，先施加與預(yù)估開(kāi)裂荷載的40%～60%相對(duì)應(yīng)的位移。墻體開(kāi)裂后，取開(kāi)裂時(shí)的最大位移值的3倍為級(jí)差進(jìn)行控制加載，并重復(fù)3次。

3.3 試驗(yàn)量測(cè)方案

模型的樓板的剛度遠(yuǎn)大于墻體的剛度，可以認(rèn)為樓板為剛體，墻體頂端的位移等于樓板的位移。在試驗(yàn)載荷較小時(shí)，在樓板遠(yuǎn)離施力端處布置2個(gè)精度較高的Kyowa DT-10百分表，同時(shí)在樓板縱向中線(xiàn)布置一個(gè)拉線(xiàn)位移計(jì)作為校核，在作動(dòng)器中線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)上工字鋼處布置一個(gè)拉線(xiàn)位移計(jì)測(cè)量工字鋼的變形，用以校核水平荷載。在試驗(yàn)載荷較大時(shí)，撤除Kyowa DT-10百分表，在Kyowa DT-10 百分表處布置2個(gè)SW-1相對(duì)位移傳感器。

4 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

4.1 墻片破壞形態(tài)分析

4.1.1 南側(cè)墻片A破壞分析

墻片最早在洞口角部出現(xiàn)階梯型的裂縫，隨著水平推力的增加，裂縫沿墻片向構(gòu)造柱兩端擴(kuò)展，直至裂縫沿對(duì)角線(xiàn)方向貫通；由于洞口上部水平灰縫提供的摩擦力不足，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)了水平裂縫（圖3所示）。

4.1.2 中部墻片B破壞分析

中部墻片最初也是在洞口角部出現(xiàn)階梯型裂縫，然后向構(gòu)造柱兩端發(fā)展；隨著荷載的增加，洞口高度范圍內(nèi)的墻肢被剪斷，構(gòu)造柱被貫穿。但是與南側(cè)墻片不同的是，由于其負(fù)擔(dān)的荷載更大，使其壓應(yīng)力也更大，墻片產(chǎn)生裂縫后發(fā)展速度更迅速，寬度也更大，破壞更嚴(yán)重，洞口高度范圍內(nèi)的墻肢的剪切破壞表現(xiàn)得更加明顯，其破壞形態(tài)見(jiàn)圖4。

4.1.3 北側(cè)墻片C破壞分析

從圖5墻體裂縫的分布可以看出，墻體出現(xiàn)貫穿于墻體構(gòu)造柱的X形裂縫，裂縫較小；中部構(gòu)造柱起到了銷(xiāo)鍵的作用，很好地限制了裂縫的發(fā)展；墻體窗口四角皆出現(xiàn)沿對(duì)角線(xiàn)開(kāi)展的斜向階梯形裂縫，裂縫較大，具有一定的延性破壞的特征。

綜上所述，我們可知，該開(kāi)洞砌體在水平荷載作用下，3面墻片的受力情況不盡相同，中間墻片受力情況較兩側(cè)墻片受力更大，破壞更嚴(yán)重；構(gòu)造柱能發(fā)揮銷(xiāo)鍵的作用，阻礙裂縫的開(kāi)展和延伸，對(duì)砌體有進(jìn)行有效地約束，增強(qiáng)了砌體結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高墻體的抗剪強(qiáng)度。

4.2 墻片應(yīng)變結(jié)果分析

通過(guò)在墻片不同位置設(shè)置應(yīng)變片可以得到墻體的應(yīng)變場(chǎng)，從而反映出各個(gè)區(qū)域在加載過(guò)程中墻片的變形信息，該文選取破壞最嚴(yán)重的洞口高度范圍內(nèi)的墻肢處的應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析（A/B/C墻片分別為：外側(cè)墻片/中間墻片/內(nèi)側(cè)墻片）。

4.2.1 同一墻片上3墻段等高處應(yīng)變對(duì)比

3#、5#、7#應(yīng)變片設(shè)置在墻片A洞口高度范圍內(nèi)的3段墻肢的1/2洞口高度處，12#、14#、16#應(yīng)變片設(shè)置在墻片B洞口兩側(cè)墻段的1/2洞口高度處，21#、23#、25#應(yīng)變片設(shè)置在墻片C洞口兩側(cè)墻段的1/2洞口高度處，以采集墻段的應(yīng)變信息。各應(yīng)變片方向相同，均與水平線(xiàn)呈45°夾角。同一墻體中兩個(gè)窗洞之間的墻肢比窗洞邊墻肢的應(yīng)變大；由于軸壓比較大，相比其他兩道墻體A、C發(fā)生的應(yīng)變，中間墻片B破壞時(shí)其發(fā)生的應(yīng)變?。ㄒ?jiàn)圖6～8）。

4.2.2 不同墻片相同位置處應(yīng)變比較

選取A、B、C3片墻體的右側(cè)墻肢上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，該位置處的墻肢在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)剪切斜裂縫，選取前2 000 s采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，且在加載全過(guò)程中，由于墻片A的#3應(yīng)變數(shù)據(jù)異常，因此僅對(duì)比#12和#21應(yīng)變片數(shù)據(jù)。兩應(yīng)變片在100 s、150 s、200 s、300 s、350 s、400 s及600 s和1 000 s等加載時(shí)刻應(yīng)變數(shù)值分別為：#12應(yīng)變10με、25με、40με、90με、105με、106με、117με、118με，其應(yīng)變?cè)隽俊鳓?118με；#21應(yīng)變0με、20με、35με、47με、46με、44με、62με、71με，應(yīng)變?cè)隽俊鳓?71με。由兩應(yīng)變?cè)隽靠梢?jiàn)，在試驗(yàn)加載初期墻片B承擔(dān)更多的水平力，這一結(jié)論得到了試驗(yàn)現(xiàn)象的驗(yàn)證，在試驗(yàn)過(guò)程中B墻片的中間墻段最早出現(xiàn)對(duì)角斜裂縫，隨后墻片A、C的相應(yīng)位置出現(xiàn)相似的裂縫（圖9）。

4.3 滯回曲線(xiàn)

滯回曲線(xiàn)是結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的荷載-變形曲線(xiàn)，綜合反映了結(jié)構(gòu)的變形能力，耗能能力和結(jié)構(gòu)剛度退化等力學(xué)性能。此次試驗(yàn)3道墻體的滯回曲線(xiàn)見(jiàn)圖10。

在開(kāi)裂前滯回環(huán)狹長(zhǎng)且其滯回面積小，砌體處于彈性工作階段，開(kāi)裂后砌體位移逐漸增大，滯回環(huán)面積逐漸增大，滯回環(huán)呈梭形。達(dá)到極限荷載后滯回環(huán)面積繼續(xù)增大，滯回環(huán)由梭形逐漸過(guò)渡到矩形，卸載后的殘余變形（荷載為零時(shí)）[6]也較小，顯示出較好的恢復(fù)性能。

4.4 骨架曲線(xiàn)

骨架曲線(xiàn)是荷載變形曲線(xiàn)中各加載級(jí)的峰值點(diǎn)依次相連而得到的包絡(luò)線(xiàn)。它反映了最大荷載的軌跡，結(jié)構(gòu)不同階段受力和變形的特點(diǎn)，是確定恢復(fù)力模型中力學(xué)特征點(diǎn)的重要依據(jù)。墻片模型的開(kāi)裂位移、開(kāi)裂荷載、屈服位移、屈服荷載、最大承載力及極限位移見(jiàn)表3，骨架曲線(xiàn)見(jiàn)圖11。

數(shù)據(jù)顯示，在墻體開(kāi)裂之前，骨架曲線(xiàn)趨向于一條直線(xiàn)，墻片的開(kāi)裂位移比較小；其后墻片的剛度減小，位移進(jìn)一步增大，在達(dá)到最大承載力后曲線(xiàn)經(jīng)歷一段水平階段再向位移軸彎曲，最后達(dá)到極限位移而破壞，表現(xiàn)出了一定的塑形變形特點(diǎn)。

4.5 延性系數(shù)

延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)極限位移Xu與屈服位移Xy之比。延性系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)可以發(fā)生的塑性變形越大，可以吸收更大的能量。延性系數(shù)計(jì)算如下所示。

μ=△u/△y=8.9/1.1=8.1

5 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)3組不同開(kāi)洞形式的砌體墻片進(jìn)行低周反復(fù)荷載作用下的恢復(fù)力試驗(yàn)研究及試驗(yàn)結(jié)果分析，得到如下結(jié)論。

（1）開(kāi)窗洞口高度范圍內(nèi)的墻肢易發(fā)生剪切破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠的重視，加強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度。

（2）洞角處應(yīng)力集中，墻體容易在此處出現(xiàn)階梯型裂縫，若想提高砌體的開(kāi)裂荷載應(yīng)在洞角處加強(qiáng)構(gòu)造措施。

（3）豎向正應(yīng)力對(duì)砌體的破壞形態(tài)和承載力有重要影響。

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