砌體墻抗震性能偽靜力試驗研究

彭　斌,　汪瀾涯,　王冬冬,　王卓琳

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上?！?00093; 2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司,上?！?00032)

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砌體墻抗震性能偽靜力試驗研究

彭斌1,汪瀾涯1,王冬冬1,王卓琳2

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093; 2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司,上海200032)

考慮了砂漿強度等級、開洞率和高寬比3種因素,對3層砌體房屋的底層墻進行抗震性能的偽靜力試驗.分析了破壞形態(tài)、滯回耗能、抗震承載力、剛度退化和墻體側(cè)移情況.結(jié)果表明,砂漿強度等級和高寬比對破壞形態(tài)的影響類似,而開洞率稍有不同;砂漿強度等級愈低、開洞率愈大或高寬比愈大時,墻體的耗能能力及抗震承載力愈小,其中開洞率的影響更為顯著.開裂前,各因素下剛度退化均較快,且趨勢一致;開裂后,開洞率大的試件剛度退化最快;達到極限荷載時,各因素下的剛度退化較大,為初始剛度的20%左右.開裂后,開洞率大的墻肢薄弱,墻高方向的側(cè)移分布曲線明顯外凸.

砌體墻; 砂漿強度; 開洞率; 高寬比; 偽靜力試驗

砌體墻作為砌體房屋中主要承重及抗側(cè)移構(gòu)件,地震作用時,部分墻體因抗震性能差而破壞,已給人類生命財產(chǎn)造成極大損失[1].基于此,砌體墻的抗震性能研究顯得尤為重要.一方面,砌體墻受力狀態(tài)復(fù)雜且受多種因素影響,如砂漿強度等級、開洞率和高寬比等[2],給抗震性能研究帶來一定困難.另一方面,雖國外學(xué)者做過大量的試驗及理論研究[3-4],但我國既有砌體墻的使用現(xiàn)狀較國外存在差異[5],其因素水平不盡相同.為此,需結(jié)合我國砌體墻實際情況進行抗震性能研究.

考慮砂漿強度等級、開洞率和高寬比3種因素,實施偽靜力試驗.通過觀察墻體的破壞形態(tài),獲得相應(yīng)的破壞模式.對比滯回曲線,分析墻體的滯回耗能及抗震承載力特點.歸納了墻體剛度退化的過程,并進行了剛度退化因素分析.最后,指出了沿墻高方向側(cè)移分布墻體,旨在為我國砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究提供參考.

1　砌體墻偽靜力試驗

1.1試件設(shè)計及制作

據(jù)文獻[6]的統(tǒng)計,燒結(jié)普通磚具有就地取材、造價低廉的優(yōu)點,由其砌筑的2～3層的砌體房屋在我國典型地區(qū)的村鎮(zhèn)廣泛存在.設(shè)計試驗方案時以3層砌體房屋底層墻為對象,設(shè)計4片1∶2縮尺墻體試件.試件考慮砂漿強度等級、開洞率和高寬比3種因素.其中,砂漿強度等級取M5和M7.5;根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011―2010)[7]關(guān)于開洞率(即開洞面積占墻體面積比值)的限值,結(jié)合砌筑方便的目的,取開洞率分別為0(即不開洞)和11%;由于底層開間和層高根據(jù)功能需求可靈活調(diào)整,結(jié)合某重點試驗室條件,最終取高寬比為0.75和1.25.試件編號為W1,W2,W3,W4,其中W3開洞位置居中,試件因素及水平見表1.

表1試件因素及水平

Tab.1Influential factors and levels of specimens

試件編號磚強度等級磚尺寸/mm(高×寬×厚)砂漿強度等級高寬比開洞率/%開洞尺寸/mm試件尺寸/mm(高×寬×厚)W1MU10240×115×53M50.75001490×1990×240W2MU10240×115×53M7.50.75001490×1990×240W3MU10240×115×53M7.50.7511760×5101490×1990×240W4MU10240×115×53M7.51.25002490×1990×240

制作試件時,在底梁上預(yù)留吊裝孔和固定底梁所需的螺栓孔,見圖1.各試件由同一工人采用一丁一順的方式砌筑,灰縫厚度10 mm.砌筑各試件時,制備材料抗壓強度試驗所需的磚、砂漿和砌體試件.圖1(a)和圖1(b)分別為不開洞和開洞時的試件示意圖.其中開洞試件W3,為保證連續(xù)砌墻,過梁采用預(yù)制鋼筋混凝土梁,支撐長度按構(gòu)造要求取240 mm.為模擬試件在豎向承重和水平抗剪的受力狀態(tài),需制作鋼筋混凝土頂梁來施加相應(yīng)荷載.水平加載時,由于墻體與底梁(或頂梁)易發(fā)生通縫破壞,為此,采用鑿毛梁體和預(yù)留嵌固墻體的混凝土塊等措施.W4的底梁和頂梁做法與上述各試件相同.

圖1　墻體試件示意圖

1.2位移測點布置

墻體平面內(nèi)的側(cè)移是評定其抗震性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),目前多通過安裝在底梁外的位移計測得.由于水平加載時底梁易發(fā)生滑移,則位移計實測位移包含底梁滑移部分,進而影響抗震性能的合理評價.為此,在底梁兩端連接兩豎直的位移計固定板,將位移計置于位移計固定板上,見圖2.此時位移計隨底梁的滑移而移動,則位移計所測位移即為墻體的位移.

圖2　試件測點布置示意圖

圖2中位移計為拉線式位移計,在試件左右兩側(cè)對稱布置,以便數(shù)據(jù)校核.位移計測點編號為1～6,其中測點1,2位于墻高的1/3位置,測點3,4位于墻高的2/3位置,以測量沿墻高方向的水平位移變化.測點5,6用來測量墻體的最大水平位移.開洞試件W3的測點布置方法與此相同.

1.3加載裝置及加載制度

根據(jù)3層砌體房屋原型,計算底層墻的豎向荷載,此時軸壓比水平為0.3.豎向荷載采用兩豎向千斤頂施加,由鋼梁以及頂梁分配給墻體,試驗過程中維持軸壓比水平穩(wěn)定.水平荷載通過作動器施加,裝置見圖3.

水平加載分為兩階段.第一階段是預(yù)加載,即先正向(作動器前進方向)加載至5 kN,后卸載至0后反向(作動器后退方向)加載至5 kN,最終卸載至0.此過程主要檢查作動器、位移計和數(shù)據(jù)采集等設(shè)備是否工作正常.第二階段是正式加載,即力-位移混合加載,見圖4.其中V0為初始載荷;Xc為開裂位移.力-位移混合加載過程為:先進行力控制至墻體開裂,此時每級荷載循環(huán)一周;接著進行位移控制,以獲得骨架曲線的下降段,即2倍開裂位移下循環(huán)兩周,下一級位移加載遞增一倍開裂位移.當(dāng)骨架曲線上荷載下降至峰值荷載的85%后,認為墻體已破壞,停止加載.

圖3　加載裝置(W4)

圖4　力-位移混合加載制度

2　試驗結(jié)果及分析

2.1材料抗壓強度試驗

砌筑過程中,據(jù)《砌墻磚試驗方法》 GB/T 2542—2003的要求,各隨機預(yù)留一組燒結(jié)普通磚試件進行抗壓強度試驗.W1,W2,W3,W4燒結(jié)普通磚抗壓強度平均測值分別是16.3,14.5,16.0,14.1 N/mm2.同樣,按《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》 JGJ/T 70—2009相關(guān)要求,W1,W2,W3,W4在拌制砂漿過程中預(yù)留A,B兩組砂漿試件.A組養(yǎng)護28 d,W1,W2,W3,W4砂漿抗壓強度平均值分別為4.4,7.4,7.3,8.3 N/mm2.B組養(yǎng)護至墻體偽靜力試驗當(dāng)天,W1,W2,W3,W4養(yǎng)護天數(shù)分別為31,32,35,36 d,其強度平均值分別為4.7,7.5,7.7,8.5 N/mm2.由于B組砂漿較A組養(yǎng)護周期長,其抗壓強度較A組呈現(xiàn)出不同程度的增長,因此用B組評定墻體中的砂漿強度更合理.

2.2破壞形態(tài)

2.2.1試驗結(jié)果

為表述方便,在正向加載時的荷載和墻體位移前記 “+”,反向時記 “-”.由于各試件中的裂縫寬度小,所拍攝試驗照片中的裂縫分布不便觀察.為此,將實際裂縫重新描繪,結(jié)果見圖5.

W1在水平加載至-158.8 kN時,墻體右下角第1,2層磚之間的砂漿出現(xiàn)水平通縫,長約一磚,寬為0.3 mm,此時墻頂水平位移-1.2 mm.隨著水平荷載的增加,初始裂縫不斷沿墻體對角線發(fā)展,對角線上同時出現(xiàn)新裂縫,這些裂縫最終發(fā)展為臨界裂縫.當(dāng)水平位移加載至+7.20 mm時,墻體達到水平極限荷載+351.9 kN,此時裂縫基本出齊,最大裂縫寬度為2.5 mm.此后繼續(xù)增加水平位移時,墻體水平荷載逐漸減小.當(dāng)水平位移加載至+9.08 mm時,水平荷載降至峰值荷載的85%以下,對角臨界裂縫貫通,墻體宣告破壞.

圖5　試件裂縫分布

W2和W4的破壞過程與W1類似,此處不予贅述.試件W3則不同,表現(xiàn)為:首批裂縫出現(xiàn)在洞口左上角,豎向裂縫長約半磚,水平通縫長約一磚;在加載的過程中,除洞角至墻角出現(xiàn)對角斜裂縫外,墻肢也出現(xiàn)了斜裂縫.試件的特征點的荷載位移結(jié)果見表2,如Vu,Xu分別為骨架曲線峰值點水平力和水平位移.

表2試件的荷載及位移

Tab.2Loads and displacements of specimens

試件編號開裂點極限荷載點最大位移點Vc/kNXc/mmVu/kNXu/mmVm/kNXm/mmW1161.41.21351.97.20190.19.08W2180.61.41462.29.76243.312.35W3121.60.93245.64.10119.56.46W470.30.94384.514.37297.119.44

2.2.2破壞形態(tài)因素分析

從圖5可知,開洞率對破壞形態(tài)影響顯著.圖中對于開洞率為0的試件W1,W2和W4,其裂縫均為對角斜裂縫,呈現(xiàn)出明顯的壓剪破壞形態(tài);而對于開洞率為11%的墻體W3,由于開洞使得洞口角部應(yīng)力集中,同時墻肢薄弱,導(dǎo)致洞角首先出現(xiàn)裂縫并最終呈現(xiàn)出墻肢上的壓剪破壞形態(tài).

比較W2和W1,W4可知,改變砂漿強度等級或高寬比對裂縫形態(tài)的分布無明顯影響,但影響具體破壞過程.從表3可知,當(dāng)提高砂漿強度時,會增強抵抗開裂與破壞的能力,延遲墻體的開裂與破壞;相反,當(dāng)增大高寬比時,則會加速墻體的開裂與破壞.

2.3滯回耗能及抗震承載力

2.3.1滯回曲線

通過整理各試件墻頂位移與水平力的數(shù)據(jù),得到滯回曲線,見圖6(見下頁).由于各試件滯回曲線中位移幅值不同,為方便比較,坐標(biāo)軸取同一比例.圖6中各試件開裂前滯回曲線基本呈直線,滯回面積小.開裂后,墻頂位移不再隨荷載線性增長,卸載時產(chǎn)生殘余變形.達到極限荷載后,隨著位移的增加,試件裂縫迅速開展,承載力下降,宣告試件破壞.

2.3.2滯回耗能及抗震承載力因素分析

a. 砂漿強度等級

對比試件W1和W2,兩者的滯回曲線呈“弓”形,有“捏攏”現(xiàn)象.砂漿強度愈低,滯回曲線面積愈小,耗能能力愈小.同時,極限荷載和極限位移分別減小了23.9%和26.2%,承載變形能力變小.

b. 開洞率

對比試件W3和W2,W3的滯回曲線面積明顯小于W2,極限荷載和極限位移相應(yīng)減小了46.9%和58.0%.表明增加開洞率會減小耗能及承載變形能力,且較明顯.

c. 高寬比

對比試件W4和W2,W4的滯回曲線正向推時與W2不同,W4呈反“S”形,曲線形狀不如W2飽滿,極限荷載減小了16.8%,表明增大高寬比會減小耗能及承載能力.極限位移增加了46.5%,這與墻體更高有關(guān).

對比以上3種因素可知:降低砂漿強度和增加高寬比時,墻體的抗震承載力分別減小了23.9%和16.8%;而增加開洞率時,抗震承載力減小了46.9%,幅度最大,表明開洞率對墻體的抗震承載力影響較為顯著.

2.4剛度退化

2.4.1割線剛度計算

結(jié)構(gòu)損傷時,其剛度勢必發(fā)生變化[8].為獲得試件剛度,先提取出滯回曲線上各加載級首峰值點,然后連線成骨架曲線.表征骨架曲線上某點的剛度時,表征方法有切線剛度和割線剛度.由于很難直接從試件骨架曲線上獲得切線剛度,通常用割線剛度表征,其計算式為[9]

(1)

式中:Ki為試件第i級時的割線剛度;Vi,Xi分別為荷載第i級時的水平荷載和墻頂位移.此處割線剛度表征試件抵抗側(cè)移能力[10],剛度越大,抵抗位移能力越強.為評價各試件剛度退化情況,引入無量綱變量剛度退化系數(shù)ηi:

(2)

式中,K0為試件首級加載時的割線剛度.此時,試件處于彈性工作階段,剛度不退化,即剛度退化系數(shù)η0=1.

各特征點的割線剛度結(jié)果見表3.由于砌墻時,灰縫處不能保證充分飽滿,灰縫不飽滿處不可避免的存在初始損傷.加載時,初始損傷處微裂縫不斷擴張發(fā)展,微裂縫發(fā)展成可見裂縫時剛度退化明顯,各試件平均剛度退化系數(shù)為0.56.此后隨著臨界裂縫的形成,試件達到極限荷載,剛度進一步退化,各試件平均剛度退化系數(shù)為0.20.達到最大位移時,裂縫并未完全貫通墻體且裂縫兩側(cè)相互咬合,此時試件尚殘留一定的剛度,各試件平均剛度退化系數(shù)為0.11.

表3試件剛度及剛度退化系數(shù)

Tab.3Stiffness and stiffness degeneration coefficients of specimens

試件編號初始點開裂點極限荷載點最大位移點K0/(kN·mm-1)η0Kc/(kN·mm-1)ηcKu/(kN·mm-1)ηuKm/(kN·mm-1)ηmW122411320.59470.21240.11W235211520.43560.16200.06W328911790.62560.19230.08W4971560.58230.23170.17均值10.560.200.11

2.4.2剛度退化因素分析

由于試件W4高度大于W1,W2和W3,不便直接用墻頂水平位移評價試件的變形能力.為此將墻頂位移除以墻高,得到無量綱變量層間位移角θ,各試件隨層間位移角的剛度退化情況見圖7.進行剛度退化因素分析時,均以W2作為參照.

圖7　試件剛度退化曲線

a. 砂漿強度等級

試件W1與W2主要差別是砂漿強度,W1砂漿強度比W2低37.3%.初始加載時,W1砂漿與燒結(jié)普通磚間的粘結(jié)性差,其初始剛度較W2小36.3%.開裂時,兩試件層間位移角較小,工作狀態(tài)由彈性轉(zhuǎn)為塑性,前期退化趨勢一致.開裂后,由于W1初始剛度比W2小,W1剛度退化較緩,其曲線在W2上方.

b. 開洞率

試件W3與W2主要差別是開洞率.試件W3開洞后,墻體橫截面剛度減小,應(yīng)力傳遞路徑復(fù)雜,洞角存在應(yīng)力集中現(xiàn)象,W3初始剛度較W2小17.9%,塑性變形能力小,剛度退化快.

c. 高寬比

試件W4與W2主要差別是高寬比.高寬比大的試件W4易側(cè)移,其初始剛度比W2減小了72.4%.開裂后,W4裂縫開展過程緩慢,在達到破壞之前墻面裂縫分布較少.這意味著墻面更為完整,剛度退化趨勢較緩,剛度退化曲線在W2之上.

2.5墻體側(cè)移情況

試驗過程中,將所有位移計記錄的側(cè)移數(shù)據(jù)進行整理,得到各特征點時墻體側(cè)向位移隨墻高的變化趨勢,見圖8.

圖8　試件側(cè)移情況

圖8中,各試件處于開裂點時,墻體側(cè)移較小,且沿墻高方向的側(cè)移分布基本呈線性,再次說明開裂前試件處于彈性工作狀態(tài),變形以剪切變形為主.此后,隨著荷載的增大,墻體側(cè)移分布不再呈線性分布.試件W3的非線性分布尤為明顯,這主要是由于W3存在開洞,開洞處墻肢側(cè)向外鼓,從而出現(xiàn)頂端位移小于墻高位移的情況.觀察圖9(a)和圖9(b)發(fā)現(xiàn),極限荷載點與最大位移點的曲線較為接近,說明試件一旦達到極限承載能力后,其側(cè)移能力將變得有限.

3　結(jié)　論

通過考慮多種因素的砌體墻偽靜力試驗,從破壞形態(tài)、滯回耗能、抗震承載力、剛度退化和墻體側(cè)移等方面進行分析,可得出以下結(jié)論:

a. 由于洞角應(yīng)力集中及墻肢薄弱,開洞率大的墻肢上的壓剪破壞形態(tài)明顯,而砂漿強度等級和高寬比對破壞形態(tài)無明顯影響.

b. 當(dāng)降低砂漿強度等級,增大開洞率或增加高寬比時,墻體滯回曲線面積愈小,且曲線形狀越不飽滿,其耗能能力和抗震承載力愈差.

c. 降低砂漿強度等級、增大開洞率和增加高寬比時,墻體的初始剛度減小.加載至開裂過程中,各因素下剛度退化均較快.此后,增大開洞率時剛度退化最快,其次是降低砂漿強度等級時,增加高寬比能放緩剛度的退化.

d. 墻體加載至極限荷載時,各因素下墻體剛度退化均較大,約為初始剛度的20%.加載至最大位移時,由于未開裂墻體和處于剪磨狀態(tài)的裂縫仍能承受部分水平內(nèi)力,剛度并未完全退化.

e. 開裂前,各因素下的試件均處于彈性工作階段,墻體側(cè)移沿墻高呈直線分布.開裂后開洞率大的試件墻肢薄弱,墻體側(cè)移分布呈外凸曲線.

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(編輯:董偉)

Pseudo-Static Tests on the Seismic Performances of Masonry Walls

PENG Bin1,WANG Lanya1,WANG Dongdong1,WANG Zhuolin2

(1.School of Environment and Architecture,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Research Institute of Building Sciences (Group) Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China)

Considering the factors such as mortar strength,ratio of openings and aspect ratio,Psudo-static tests on the seismic performances of the bottom walls of a 3-story masonry structure were conducted.The damage models,hysteretic properties,aseismic capacities,stiffness degradations and lateral displacements of walls were analyzed.The results show the damage models are significantly influenced by the ratio of openings,and not obviously affected by the mortar strength or aspect ratio.The hysteretic properties and aseismic capacities are unfavorable under lower mortar strength,larger ratio of openings and larger aspect ratio.The ratio of openings significantly affects the aseismic capacity.Before cracking,the influence of each factor on the speed of stiffness degradation is almost the same and the degradation is rather fast.While after cracking,the ratio of openings is the most prominent factor and the specimens with larger ration of openings degradate faster.The residual stiffness is about 20% of the initial stiffness when the specimens reach their limit load state.The distribution of lateral displacement of the specimens with lager ratio of openings exhibits an outer convex curve after cracking.

masonry wall; mortar strength;ratio of openings; aspect ratio; pseudo-static test

1007-6735(2016)04-0402-07

10.13255/j.cnki.jusst.2016.04.016

2015-06-29

國家自然科學(xué)基金資助項目(51208300)

彭斌(1977-),男,副研究員.研究方向:砌體結(jié)構(gòu).E-mail:BinPeng@usst.edu.cn

TU 362; TU 317

A