超高延性混凝土加固磚木結(jié)構(gòu)抗震性能試驗

董方園, 蔣芳明, 余江滔, 朱奇云, 王漢鵬

(1.同濟大學 土木工程學院,上海 200092；2.上海市房地產(chǎn)科學研究院,上海 200031)

震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，砌體結(jié)構(gòu)的抗剪強度低，剛度大而整體性差。在小震作用下，砌體墻易開裂。在大震作用下，砌體結(jié)構(gòu)的剛度會急劇下降，容易發(fā)生脆性整體破壞[1-4]。

立帖式磚木結(jié)構(gòu)是江南和西南地區(qū)民居中最為常見的結(jié)構(gòu)形式，其主要受力構(gòu)件為木梁、木柱，而填充墻多采用粘土磚砌筑而成。然而，這類建筑一般施工質(zhì)量較差，且結(jié)構(gòu)構(gòu)件常由于年久失修而老化損壞，因此需要后期的改建、加固來延長其使用壽命[5-7]。由于早期建造的磚木結(jié)構(gòu)在當時尚無抗震設(shè)計要求，所以這類建筑普遍抗震性能較弱。除此之外，這類傳統(tǒng)建筑具備優(yōu)良的歷史文化價值，在對其改建、加固的同時也要經(jīng)濟、有效地保護其原有的建筑外形與風貌。傳統(tǒng)的水泥砂漿鋼筋網(wǎng)加固、碳纖維布粘貼等方式在經(jīng)濟性和外觀保護上都無法完全滿足以上要求，因此對新加固方式的需求已迫在眉睫。

李曉琴等[8]對具有高延性的混凝土材料進行了探索性研究。鄧明科等[9]亦指出高延性混凝土材料能夠提升砌體墻的抗震性能。同濟大學的Yu等[10]在2017年研發(fā)出了一種極限拉伸應變可達8%、抗拉強度可達17 MPa的新型工程用纖維增強水泥基復合材料，并將其命名為超高延性混凝土(ultra-high ductile concrete, UHDC)。UHDC具有高抗拉強度、應變硬化和細密裂縫開展等優(yōu)勢，實現(xiàn)了高強度與高延性的匹配[11-12]。這些突破性的研究成果解決了混凝土脆性特征明顯的問題，證明UHDC有應用于結(jié)構(gòu)加固和無筋建造的潛質(zhì)[13-17]。

為探究典型磚木結(jié)構(gòu)的抗震性能及UHDC加固磚木結(jié)構(gòu)的可行性，筆者所在研究團隊對縮尺比為1/2的未加固立貼式磚木結(jié)構(gòu)模型和UHDC面層加固震損結(jié)構(gòu)模型進行了振動臺試驗，對比分析了結(jié)構(gòu)的動力特性、破壞模式、位移響應和基底剪力等抗震性能，驗證了UHDC加固磚木結(jié)構(gòu)的有效性。

1 試驗概況

1.1 模型設(shè)計與制作

本文試驗模型為三開間，七柱五落地，兩層立帖式磚木結(jié)構(gòu)帶后樓亭子間(見圖1)?？紤]振動臺尺寸和臺面承重，確定模型結(jié)構(gòu)的縮尺比為1∶2，尺寸和詳細信息見圖2，平面布置見圖3。圖中x向和y向分別為結(jié)構(gòu)的縱向和橫向。

圖1 立貼式磚木結(jié)構(gòu)

圖2 模型結(jié)構(gòu)的尺寸 (mm)

圖3 模型結(jié)構(gòu)的平面布置 (mm)

結(jié)構(gòu)設(shè)計外墻厚度120 mm，內(nèi)墻厚度60 mm，框架柱采用直徑100 mm的圓木，框架梁采用40 mm×100 mm的方木，檁條為直徑90 mm 的圓木，椽為50 mm×50 mm的方木。門洞尺寸450 mm × 1 050 mm，窗洞尺寸有600 mm×750 mm和750 mm×750 mm兩種。場地類別為III類，設(shè)計分組為第一組。模型磚采用MU10青磚切割加工而成，切割后的尺寸為240 mm×120 mm×53 mm和120 mm×60 mm×48 mm，砂漿采用石灰水泥砂漿，實測抗壓強度為3.2 MPa。試驗模型在同濟大學地震工程館制作完成。

1.2 相似關(guān)系

模型結(jié)構(gòu)的縮尺比為1/2，即長度相似系數(shù)為1/2，材料彈性模量和應力相似系數(shù)為1，加速度相似系數(shù)為1，由此確定其他的相似系數(shù)，見表 1?？s尺后的模型結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為22.15 t，為了準確模擬實際結(jié)構(gòu)的慣性力和重力， 需要在模型構(gòu)件上附加適

表1 相似常數(shù)

當?shù)姆植假|(zhì)量。本試驗模型附加質(zhì)量均勻分布在樓面和屋面，依據(jù)結(jié)構(gòu)情況和樓屋面的有效面積，在樓面和屋面的附加總質(zhì)量分別為16.43 t和5.67 t，模型的總重為44.25 t。

1.3 測點布置

由于篇幅限制，本文主要分析布置在西面和東面的8個測點上由傳感器測得的位移響應及相關(guān)結(jié)果，即圖4中的W1～W4和E1～E4點。在W1～W3和E1～E3的6個測點分別設(shè)置x向和y向的加速度計和水平位移計，在E4和W4測點僅布置y向加速度計和位移計。未加固結(jié)構(gòu)、CFRP布加固結(jié)構(gòu)和UHDC面層加固結(jié)構(gòu)的測點布置方式相同。

圖4 東、西面的測點布置

1.4 模型加固方案

在試驗前和每次輸入地震動后，對模型進行峰值加速度為0.03g的白噪聲掃頻。第一階段，對未加固結(jié)構(gòu)進行振動臺試驗，結(jié)構(gòu)的基本情況見1.1節(jié)。地震動峰值加速度依據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-9—2013《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》[18]確定。未加固結(jié)構(gòu)依次經(jīng)受了7度多遇(峰值加速度=0.035g)、7度設(shè)防(0.100g)、7.5度設(shè)防(0.150g)地震動。在設(shè)定的地震烈度下，由臺面依次輸入El Centro波、汶川波和上海人工地震波，下文相同，不再贅述。由于該結(jié)構(gòu)模式的原型房屋處于上海郊區(qū)，因此本文在第3節(jié)進行試驗數(shù)據(jù)分析時，主要以輸入上海人工波時的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，從而更加貼近房屋實際可能經(jīng)受的荷載效應。

第二階段，采用CFRP加固震損磚木結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)在第一階段震損開裂后，對開裂的木柱進行套箍加固，套箍的間距為240 mm；對出現(xiàn)滑移和剪切開裂的砌體墻，通過粘貼碳纖維布進行加固，纖維布條等間距布置，條帶寬度和凈間距為10 cm。對CFRP加固模型結(jié)構(gòu)進行第二次振動臺試驗，在振動臺臺面依次輸入7度多遇(0.035g)、7度設(shè)防(0.100g)、7.5度設(shè)防(0.150g)、7度罕遇(0.200g)、7.5度罕遇(0.280g)、8度罕遇(0.360g)和8.5度罕遇(0.460g)地震動[19]。

第三階段，拆除碳纖維布，使用UHDC對二次震損的模型結(jié)構(gòu)進行加固，為滿足提高抗震性能和保持原有建筑風貌的雙重要求，僅對外墻的內(nèi)表面采用UHDC面層加固，面層設(shè)計厚度為15 mm；內(nèi)墻采用厚度為10 mm的UHDC面層進行雙面加固；為了增強模型結(jié)構(gòu)的完整性，在二樓鋪設(shè)了厚度為20 mm的UHDC層。加固流程如下：1)在墻體中的明顯開裂處進行注漿灌封處理，見圖5 (a)；2)墻面鉆孔、植抗剪銷栓，每隔四皮磚摳水平灰縫，摳縫深度1 cm；在墻體高度范圍內(nèi)，每隔200 mm高度布置一排抗剪銷栓，抗剪銷栓的水平間距設(shè)計為900 mm，對于雙面加固的內(nèi)墻，抗剪銷栓穿墻布置；3)采用快速噴射技術(shù)，在墻面噴射UHDC面層，結(jié)合人工抹面進行抹平處理，見圖5 (c)；4)在自然環(huán)境下養(yǎng)護28 d后開展振動臺試驗。在振動臺臺面一次輸入7度多遇、7度設(shè)防、7.5度設(shè)防、7度罕遇、7.5度罕遇、8度罕遇和8.5度罕遇和9度罕遇和9度罕遇以上的地震動，相應的峰值加速度分別為0.035g、0.100g、0.150g、0.200g、0.280g、0.360g、0.460g、0.560g和0.600g。文中僅給出了未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固后結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果。

圖5 UHDC面層加固模型結(jié)構(gòu)的過程

1.5 UHDC力學性能

本文所用UHDC的組分均為國產(chǎn)原材料，包括P·O 52.5普通硅酸鹽水泥、石英砂、粉煤灰、聚乙烯纖維、水和化學外加劑等。UHDC的配合比如下，水泥∶粉煤灰∶砂∶水=1 000∶ 429∶429∶580，聚乙烯纖維的體積摻量為1.4%。UHDC的拉伸應力-應變曲線見圖6，平均峰值抗拉強度達6.7 MPa，對應應變?yōu)?.93%，大于GB 1499.2—2018規(guī)定的鋼材應變下限值。在單軸拉伸荷載下，UHDC表現(xiàn)出多裂縫開展和應變硬化的特征，其破壞模式和裂縫見圖6，抗壓試驗采用的是70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試塊，試驗采用位移控制加載，測得28 d齡期的抗壓強度為37.4 MPa。此外，成型了100 mm × 100 mm × 300 mm的棱柱體試件，在7個月齡期時的應力-應變曲線和破壞模式見圖7，其抗壓彈性模量為17.9 GPa。

圖6 UHDC的拉伸破壞模式和應力-應變曲線

圖7 UHDC軸壓破壞模式和應力-應變曲線

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 破壞模式

對于未加固模型結(jié)構(gòu)，輸入峰值加速度為0.150g的地震動后，木柱裂縫擴展明顯，砌體墻出現(xiàn)明顯的滑移裂縫，同時，山墻頂?shù)南鄬ξ灰仆蝗辉龃?。有一面填充墻喪失與木柱、梁的可靠連接，輕拍墻體頂部會出現(xiàn)輕微晃動，說明墻體在地震作用下有發(fā)生平面外倒塌的可能性。

對于CFRP修復模型結(jié)構(gòu)，當輸入峰值加速度為0.460g的地震動時，CFRP加固結(jié)構(gòu)受到嚴重破壞。正立面門窗洞口角部有損傷，出現(xiàn)磚塊松動、墻柱節(jié)點處砂漿剝落等破壞，見圖8 (a)。此外，二層東立面出現(xiàn)沿灰縫開展的剪切斜裂縫，東立面山墻上縱橫墻相交處出現(xiàn)豎向通縫，見圖8 (b)。結(jié)構(gòu)西立面的破壞模式見圖8 (c)，木柱與墻連接處的砂漿有少量剝落，一層部分墻體發(fā)生剪切破壞。

圖8 未加固結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)

對于UHDC加固結(jié)構(gòu)，在9度罕遇地震下，墻柱節(jié)點處砂漿剝落，結(jié)構(gòu)仍具有良好的完整性。結(jié)構(gòu)的破壞模式見圖9，只有在門窗角部的UHDC面層上出現(xiàn)一些細小的裂縫，二層東立面的UHDC層出現(xiàn)了一些細小的剪切裂縫。試驗結(jié)束后，結(jié)構(gòu)仍保持良好的整體性。

2.2 結(jié)構(gòu)的自振頻率和周期

未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的固有頻率和自振周期見表2。振動臺試驗前，未加固結(jié)構(gòu)x向頻率為7.41 Hz，y向頻率為3.27 Hz。x向的墻體數(shù)量比y向的多，所以x向的剛度比y向的剛度高，見圖3。由于UHDC的強度、剛度和延性均高于砌體，因此UHDC面層提高了模型結(jié)構(gòu)的雙向剛度。結(jié)果表明，UHDC加固結(jié)構(gòu)的x向和y向自振頻率分別是未加固結(jié)構(gòu)的1.78倍和1.65倍。

表2 未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的自振頻率和周期

每級地震動輸入結(jié)束，通過白噪聲掃描得到了結(jié)構(gòu)自振周期變化，見圖10。UHDC加固結(jié)構(gòu)的周期隨臺面輸入地震動的峰值加速度增加而增加，但增加幅度遠小于未加固結(jié)構(gòu)，表明UHDC加固結(jié)構(gòu)在地震作用下的剛度退化較小。此外，由于y向的結(jié)構(gòu)剛度遠小于x向，故y向的自振周期增幅大于x向。

圖10 未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的周期變化

2.3 位移反應

結(jié)構(gòu)中各個測點的相對位移值等于絕對位移減去振動臺臺面在相同方向的絕對位移。第一層的位移為E1點和W1點實測相對位移平均值，第二層的位移位E3點和W3點的實測相對位移平均值。由于結(jié)構(gòu)模型的原型處于上海郊區(qū)，所以本文以臺面輸入上海人工地震動時的結(jié)構(gòu)的位移反應的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析。不同水準地震作用下，未加固模型結(jié)構(gòu)和UHDC面層加固模型結(jié)構(gòu)的x向和y向相對位移見圖11和圖12。一層的層間位移角為W1和E1測點的相對位移均值與一層層高(基礎(chǔ)頂面到E1測點的高度)的比值，二層的層間位移角為W3和E3測點的相對位移均值減去W1和E1測點的相對位移均值后與二層層高(E1與E3測點的高度差)的比值。在臺面輸入上海人工地震動的峰值加速度從0.035g增加到0.600g，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC面層加固結(jié)構(gòu)的層間位移角見圖13。隨臺面輸入地震動強度的增加，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的層間位移角增大。

圖11 結(jié)構(gòu)的x向相對位移 (臺面輸入上海人工地震動時)

圖12 結(jié)構(gòu)的y向相對位移 (臺面輸入上海人工地震動時)

圖13 x向和y向的層間位移角(臺面輸入上海人工地震動時)

7.5度設(shè)防地震作用下，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)在W3測點的x向水平位移分別為71.12 mm和1.21 mm，在E3測點的x向水平位移分別為71.55 mm和1.34 mm。未加固結(jié)構(gòu)x向的最大層間位移角為31.07‰，而UHDC加固結(jié)構(gòu)x向的最大層間位移角僅為0.56‰，且UHDC層未出現(xiàn)明顯裂縫。即使在9度罕遇地震作用下，UHDC加固結(jié)構(gòu)在W3和E3測點的x向水平位移分別為7.42 mm和6.32 mm，最大層間位移角為3.96‰。遠小于GB 50011—2011《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對底部框架砌體房屋的彈塑性層間位移角限值1/100[20]。

對于結(jié)構(gòu)的y向，在7.5度設(shè)防地震作用下，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)在W3測點的平面外位移分別為19.70 mm和4.18 mm，在E3測點的平面外位移分別為19.44 mm和4.20 mm，UHDC結(jié)構(gòu)的最大層間位移角僅為1.78‰。在8度罕遇地震作用下，加固后結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為20‰。

在9度罕遇地震用下，UHDC加固結(jié)構(gòu)x向最大層間位移角遠小于GB 50011—2011《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中對底部框架砌體房屋的彈塑性層間位移角限值1/100[20]?？梢姡琔HDC面層修復后的立貼式磚木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，能夠滿足中國抗震設(shè)計規(guī)范的抗震要求。相同水準地震作用下，未加固模型結(jié)構(gòu)的x向和y向相對位移均明顯大于UHDC加固結(jié)構(gòu)模型中相同測點的相對位移，表明UHDC面層不僅起到修復震損結(jié)構(gòu)的目的，還提升了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使模型結(jié)構(gòu)能夠抵抗更強的地震作用。

2.4 扭轉(zhuǎn)效應

由于結(jié)構(gòu)的不對稱，以及東立面和西立面結(jié)構(gòu)形式的差異，結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，兩個立面相同高度處測點的相對位移不同。因此，依據(jù)式 (1) 和式 (2) 計算了屋頂處的扭轉(zhuǎn)位移dt,x和扭轉(zhuǎn)位移角θt,max。臺面輸入峰值加速度=0.150g(7.5度設(shè)防)和峰值加速度=0.600g(9度罕遇)的上海人工地震動時，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移時程曲線見圖14。

圖14 扭轉(zhuǎn)位移時程曲線

dt,x=de-dw

(1)

(2)

式中：de和dw分別是從E3測點和W3測點獲得的相對位移；lx是模型結(jié)構(gòu)在x向上的長度。

結(jié)構(gòu)在強震作用下發(fā)生了一定程度的扭轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)的一層、二層和山墻頂處的x向扭轉(zhuǎn)位移見表3。由結(jié)果可見，在7度多遇、7度設(shè)防和7.5度設(shè)防地震作用下，UHDC面層加固結(jié)構(gòu)的山墻頂處x向扭轉(zhuǎn)位移明顯小于未加固結(jié)構(gòu)的。當加載至7.5度設(shè)防時，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的屋頂處最大扭轉(zhuǎn)位移分別為1.54 mm和1.34 mm，相應的扭轉(zhuǎn)位移角分別為1/3 010和1/3 480。

表3 未加固結(jié)構(gòu)和UHDC面層加固結(jié)構(gòu)山墻頂處的x向扭轉(zhuǎn)位移

8度罕遇，9度罕遇和9度罕遇+地震作用下，UHDC面層加固結(jié)構(gòu)的屋頂處最大扭轉(zhuǎn)位移分別為5.15 mm、10.59 mm和13.02 mm，對應的扭轉(zhuǎn)位移角為1/661、1/439和1/357。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應隨著地震動作用的增大而增大，結(jié)構(gòu)在強震作用下的扭轉(zhuǎn)效應是不能忽略的，雖然UHDC層不能完全防止扭轉(zhuǎn)變形，但這種加固措施有效地提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能(包括抗扭轉(zhuǎn)性能)和整體性。

2.5 基底剪力

在上海人工地震動作用下，未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)一層的滯回曲線(基底剪力(Vb)與x向相對位移的關(guān)系曲線)見圖15。W為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量，包括模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量和配重。加載至7度設(shè)防和7.5度設(shè)防時，未加固結(jié)構(gòu)的峰值基底剪力分別為72.2 kN和88.7 kN。此時未加固結(jié)構(gòu)的墻體受損嚴重，無法再承受更大的地震作用。而在相同強度的地震作用下，UHDC加固結(jié)構(gòu)的極限位移較小，但抗剪承載力遠高于未加固結(jié)構(gòu)。可見，UHDC層顯著提高了模型結(jié)構(gòu)的剛度和抗剪承載力。

圖15 結(jié)構(gòu)的滯回曲線

圖16對比了未加固結(jié)構(gòu)和UHDC加固結(jié)構(gòu)的基底剪力隨地震動的變化規(guī)律。峰值加速度為0.150g和0.560g的上海人工地震動下，加固結(jié)構(gòu)的峰值基底剪力分別達到79.5 kN和460.8 kN。結(jié)構(gòu)水平承載力隨著輸入地震動峰值加速度的增加而增大。在第三階段，雖然UHDC加固結(jié)構(gòu)在地震作用下遭受了累積損傷，但其基底剪力未出現(xiàn)下降趨勢，加固后結(jié)構(gòu)未達到極限狀態(tài)，表明UHDC加固結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。

圖16 基底剪力隨臺面輸入地震動的峰值加速度的變化

3 結(jié) 論

對未加固和UHDC面層修復后的立貼式磚木結(jié)構(gòu)開展了振動臺試驗，在振動臺臺面輸入El Centro、汶川和上海人工地震動，且針對房屋原型地處上海郊區(qū)的實際情況，主要選取輸入上海人工地震動時的相關(guān)數(shù)據(jù)，對結(jié)構(gòu)加固前后的動力特性、位移反應、結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)和抗震承載力進行了對比分析，主要結(jié)論如下：

1) 在遭受7.5度設(shè)防地震作用后，未加固結(jié)構(gòu)損壞嚴重，整體性能差，已不能抵抗較強的地震，需要進行專門加固設(shè)計才能滿足結(jié)構(gòu)的安全性要求。在9度罕遇地震作用后，UHDC加固結(jié)構(gòu)的面層僅出現(xiàn)細密裂縫，未出現(xiàn)脆性破壞，且結(jié)構(gòu)保持了良好的完整性。

2) 在相同強度的地震作用下，UHDC加固結(jié)構(gòu)在x、y方向的相對位移均顯著低于未加固結(jié)構(gòu)。由于模型結(jié)構(gòu)在西向和東向的結(jié)構(gòu)形式不同，結(jié)構(gòu)不可避免地發(fā)生了扭轉(zhuǎn)，UHDC面層顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗扭性能和變形能力。

3) UHDC面層顯著提升了結(jié)構(gòu)的水平抗震承載力，在9度罕遇地震作用下，UHDC面層加固結(jié)構(gòu)的基底剪力達到460.8 kN。UHDC面層加固技術(shù)能有效地提高磚木結(jié)構(gòu)的抗震性能。

UHDC加固結(jié)構(gòu)的抗震性能可以基本恢復到地震損傷前的狀態(tài)，結(jié)構(gòu)整體滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防目標，UHDC面層對立貼式磚木結(jié)構(gòu)的加固效果良好，且施工簡單，是一種經(jīng)濟可行的加固方式。