78 地震工程与工程振动第 38 卷 建筑, 在地震作用下容易产生累积损伤, 发生开裂或压碎破坏, 甚至倒塌 有钢筋混凝土圈梁构造柱的砌体墙, 虽然柱子对墙体的开裂荷载提高不大, 但可以提高了墙体的抗剪承载力, 同时由于圈梁对两端构造柱的拉结作用, 形成一个弱框架, 约束墙体的变形, 从而降低了地震

Save this PDF as:
 WORD  PNG  TXT  JPG

Size: px
Start display at page:

Download "78 地震工程与工程振动第 38 卷 建筑, 在地震作用下容易产生累积损伤, 发生开裂或压碎破坏, 甚至倒塌 有钢筋混凝土圈梁构造柱的砌体墙, 虽然柱子对墙体的开裂荷载提高不大, 但可以提高了墙体的抗剪承载力, 同时由于圈梁对两端构造柱的拉结作用, 形成一个弱框架, 约束墙体的变形, 从而降低了地震"

Transcription

1 第 38 卷第 5 期 2018 年 10 月 地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.5 Oct.2018 文章编号 : (2018) DOI: /j.eeev leim.009 HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能 雷敏 1 2, 尚守平 (1. 中南林业科技大学土木工程学院, 湖南长沙 ;2. 湖南大学土木工程学院, 湖南长沙 ) 摘要 : 针对既有空斗墙砌体结构未设置圈梁 构造柱的问题, 提出采用 HPFL 条带加固形成组合圈梁构造柱的方法, 制作了 6 片 HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙和 6 片对比墙体, 进行水平往复荷载试验, 比较各墙体的破坏形态 承载力 耗能能力 刚度退化等抗震性能指标 试验结果表明 :HP FL 条带组合圈梁构造柱能大幅提高空斗墙的抗震抗剪承载力, 改善墙体的延性和耗能性能 基于试验结果, 建立有限元分析模型, 计算研究构造柱尺寸 圈梁尺寸 构造柱间距和开洞墙体构造柱设置方式等因素对空斗墙抗剪承载力的影响, 提出了 HPFL 条带组合圈梁构造柱的设计建议 关键词 :HPFL; 圈梁构造柱 ; 空斗墙 ; 抗震性能 ; 低周反复荷载试验中图分类号 :P315.9;TU362 文献标志码 :A SeismicbehaviorofcavitywalswithHPFLstripscomposite ringbeam andconstructionalcolumn LEIMin 1,SHANGShouping 2 (1.CivilEngineeringColege,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China; 2.CivilEngineeringColege,HunanUniversity,Changsha410082,China) Abstract:Aimingatnotconsideringtheseismicfortificationofthecavitymasonrystructures,amethodofcavity walswithhpflstripscompositeringbeam andconstructionalcolumnisproposed.sixcavitywalswithhpfl stripscompositeringbeamandconstructionalcolumnandsixcomparativewalsaretestedunderlowcyclereversed loadingtostudytheefectofthestrengtheningmethod.comparisonofthefailurepatern,ultimatestrength,skeleton curveandstifnesdegradationofthestrengthenedandthecomparativewalsshowsthebeneficialefectsofthe compositeringbeam andconstructionalcolumn.thetestresultsshowthatseismiccapability,ductilityandenergy disipatingcapabilityofthecavitywalswithhpflstripscompositeringbeam andconstructionalcolumnarein creasedgreatly.basedonfiniteelementcalculation,thevariousinfluencefactorsareanalyzed,suchashpfl stripscompositeconstructionalcolumndimension,compositeringbeamdimension,compositeconstructionalcolumn spacingandconstructionalcolumnsetingofcavitywals.somespecificdesignsuggestionsonhpflstripscompos iteringbeamandconstructionalcolumnareproposed. Keywords:HPFL;ringbeamandconstructionalcolumn;cavitywal;seismicbehavior;low cycleloadingtest 引言 目前, 在我国农村房屋中, 仍存在大量未按规范设置圈梁构造柱的空斗墙砌体结构 对于未设防的既有 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 湖南省自然科学基金项目 (2015J3172); 湖南省教育厅科学研究项目 (16C1664) Supportedby:NationalNaturalScienceFoundationofChina( );NaturalScienceFoundationofHunanProvinceofChina(2015J3172); ResearchFoundationofEducationalBureauofHunanProvinceofChina(16C1664) 作者简介 : 雷敏 (1979-), 女, 讲师, 博士, 主要从事结构抗震及加固研究.E 通讯作者 : 尚守平 (1953-), 男, 教授, 主要从事土 - 结构相互作用 结构抗震及加固研究.E

2 78 地震工程与工程振动第 38 卷 建筑, 在地震作用下容易产生累积损伤, 发生开裂或压碎破坏, 甚至倒塌 有钢筋混凝土圈梁构造柱的砌体墙, 虽然柱子对墙体的开裂荷载提高不大, 但可以提高了墙体的抗剪承载力, 同时由于圈梁对两端构造柱的拉结作用, 形成一个弱框架, 约束墙体的变形, 从而降低了地震作用 [1-3] 增设混凝土圈梁和构造柱存在以下问题 :(1) 新设置的圈梁和构造柱与原结构的联结问题 ;(2) 混凝土圈梁和构造柱施工 养护问题 ;(3) 对建筑使用功能 内部装修 外观的影响较大 ;(4) 造价较高, 农村居民不易接受 高性能复合砂浆钢筋网 (HP FL) 具有整体性好 易施工 对建筑使用功能和外观影响不大 经济性好等优点, 较多的应用于混凝土结构的加固改造 [4-8] 近年来,HPFL 加固法也开始在砌体结构的修复加固中使用 [9-10] 湖南大学尚守平教授提出, 后设 HPFL 条带与原砌体组合形成圈梁和构造柱, 与原结构联结良好 整体受力 为了研究 HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能, 进行了 6 片 HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙和 6 片对比墙体的水平往复荷载试验, 并建立有限元模型, 分析 HPFL 条带组合构造柱尺寸 组合圈梁尺寸 构造柱间距和带洞口墙体构造柱布置等因素对空斗墙抗震抗剪承载力的影响 1 抗震性能试验 1.1 试验模型 试验考虑一斗一眠 三斗一眠和全斗三种砌筑方式的空斗墙 墙体的宽 高 厚分别为 mm 试验共制作了 12 片墙体, 其中 6 片为对比墙体,3 片为先设 HPFL 条带组合圈梁构造柱墙体,3 片为拟静力试验破坏后再加设 HPFL 条带组合圈梁构造柱的墙体 块体采用普通黏土砖, 尺寸为 240mm 115mm 53mm, 强度 MU10 砌筑砂浆强度为 M2.5 和 M1 的混合砂浆 墙体上 下设有 C30 的混凝土顶梁和底梁, 便于荷载施加和墙体固定 HPFL 条带的高强度复合砂浆强度等级分别为 15MPa 和 30MPa 试件基本参数见表 1 墙体编号 砖实测强度 (MPa) 表 1 试件参数 Table1 Thespecimensparameters 砌筑砂浆实测强度 (MPa) 复合砂浆实测强度 (MPa) 圈梁 构造柱尺寸 (mm mm) QD H QD QD X QD D H 3D D X 3D D H 1D D X 1D 注 : 墙体编号中,X 表示先设 HPFL 条带,H 表示后设 HPFL 条带 ;QD,3D,1D 分别表示全斗无眠 三斗一眠和一斗一眠砌筑方式 图 1 试件尺寸 Fig.1 Dimensionofspecimens 图 2 试验装置 Fig.2 Testset up

3 第 5 期雷敏, 等 :HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能 加载与测量方案用千斤顶和分配梁施加垂直压力 垂直荷载一次施加, 恒载至试件破坏 水平荷载用拉压式千斤顶逐级施加于顶梁上, 墙体开裂前, 以 5kN 一级的力, 单周循环加载 墙体开裂后, 位移控制加载, 每级位移循环 3 次, 直至试件破坏 在顶梁中部 墙体中部及底梁中部均布置位移传感器 试验装置见图 试件破坏过程试件的试验结果如表 2 所示 部分墙体最终裂缝情况见图 3 表 2 试验结果 Table2 Testresults 墙体编号 竖向压应力 (MPa) 开裂荷载 (kn) 极限荷载 (kn) 开裂荷载提高幅度 极限荷载提高幅度 QD H-QD % 18.7% QD X QD % 29% 3D H-3D % 46% 3D X 3D % 6% 1D H-1D % 52% 1D X 1D % 62% 图 3 试件裂缝图 Fig.3 Crackofspecimens 对比试件墙体在水平往复荷载作用下, 当荷载达到极限荷载的 60% 以上时, 开始在下端第 2 皮或第 3 皮砖处出现少量水平裂缝 随着水平荷载增加, 墙体逐渐形成 X 形临界斜裂缝, 墙体变形急剧增加, 发生剪切破坏 先设 HPFL 组合圈梁构造柱墙体, 当水平荷载小于极限值的 60% 时, 墙体的变形很小, 荷载 - 位移曲线接近于直线 随着荷载增大, 首先在墙体两侧的组合构造柱对应第 1 皮砖高度处出现水平裂缝, 然后在构造柱其他高度位置陆续出现数条水平裂缝 荷载继续增加, 第一条水平裂缝向墙体中部扩展 延伸加宽, 形成阶梯形裂缝 达到极限荷载时, 墙体 45 方向的斜裂缝贯通, 墙体剪切破坏 后设 HPFL 组合圈梁构造柱墙体, 当水平荷载达到极限荷载的 70% 左右时, 首先在墙体两侧的组合构造柱对应第 1 皮砖高度处出现水平裂缝 裂缝发展与墙体破坏过程同先设 HPFL 组合圈梁构造柱墙体 HPFL 条带组合圈梁构造柱墙体的开裂荷载和极限荷载较对比墙体均有大幅度提高, 墙体裂缝分布更均匀, 主裂缝出现较晚, 发展速度较慢

4 80 地震工程与工程振动第 38 卷 试验现象说明, 由于构造柱是原砌体与 HPFL 条带面层组合形成的, 与砌体不会发生脱离, 两者之间协同工作性能更好 施加水平荷载开始时, 组合构造柱就参与砌体的抗剪, 显著提高了墙体的抗侧力能力 墙体开裂后, 组合圈梁构造柱形成的弱框架, 明显的起着约束砖砌体的作用, 使已有裂缝的砌体不至于向外侧推出 此时的水平荷载, 由未开裂砌体 裂缝两侧砌体的摩擦力以及组合构造柱共同承担 随着水平荷载的增大, 组合构造柱上的裂缝越来越多, 构造柱中的钢筋发挥越来越重要的作用, 墙体的变形能力也大幅提高 达到极限荷载时, 组合圈梁构造柱也不会与砌体脱开, 墙体 45 方向的主裂缝在圈梁构造柱上 下部延伸贯通 此时, 组合圈梁构造柱一方面继续与砌体共同承担水平荷载, 另一方面约束砌体塌落 随着墙体变形越来越大, 达到位移极限, 试件破坏 1.4 滞回曲线试验得到的部分墙体在往复水平荷载下滞回曲线见图 4 对比图 4(a) 与图 4(b) 或图 4(c) 与图 4(d) 都可发现, 无论是先设还是后设 HPFL 条带圈梁构造柱, 墙体的极限强度和极限位移都有很大的增加, 滞回曲线明显比对比墙体饱满, 墙体耗能性能更好 图 4 试件滞回曲线 Fig.4 Hystereticloopsofspecimens

5 第 5 期雷敏, 等 :HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能 骨架曲线各墙体的骨架曲线见图 5 设置 HPFL 条带组合圈梁构造柱后, 墙体的极限荷载和极限位移明显增大, 抗震承载力和延性更好 对比图 5(a) 与 5(b), 图 5(c) 与 5(d) 或图 5(e) 与 5(f) 可见, 先设比后设 HPFL 条带组合圈梁构造柱, 对墙体极限荷载和延性的提高幅度更大, 对墙体的侧向刚度提高更明显 因为, 先设 HPFL 条带组合圈梁构造柱的墙体, 圈梁 构造柱与墙体协同受力, 可以最大程度地发挥加固条带的作用 图 5 试件骨架曲线 Fig.5 Skeletoncurveofspecimens 2 ANSYS 有限元分析 唐山地震后, 根据震害调查结果, 钢筋混凝土圈梁与构造柱作为砌体结构抗震构造措施开始纳入建筑抗震设计规范和砌体结构设计规范 规范中, 对钢筋混凝土圈梁 构造柱的尺寸 布置间距 布置位置均有明确规定 上述试验结果表明,HPFL 条带组合圈梁 - 构造柱大幅提高了空斗墙的抗震抗剪性能 由于试件数量所限, 未对组合圈梁尺寸 构造柱尺寸 构造柱间距和带洞口墙体构造柱的布置方式进行研究, 本文建立有限元模型, 分析上述因素对空斗墙的抗剪性能影响 2.1 有限元模型 有限元分析研究砖块强度为 MU10 砂浆强度为 M1.0 高性能复合砂浆强度为 M30 钢筋网格为 60mm 250mm 条带厚度为 25mm 长 宽 厚为 2.05m 1.5m 0.24mm 的全斗空斗墙在 0.3MPa 竖向压应力下的抗剪性能 建立的空斗墙分离式有限元模型由砖块单元 砂浆单元 HPFL 条带单元和联结单元组成 砖块 砂浆 HPFL 条带采用 SOLID65 单元模拟 砖块与砂浆之间 HPFL 条带与墙体之间的黏结和摩擦作用, 采用联结单元 COMBIN39 模拟 砖块和砂浆本构模型及破坏准则 水平灰缝的联结单元本构模型及 [11] 破坏准则 HPFL 条带与墙体的联结单元本构模型及破坏准则与前一篇论文相同 考虑竖向灰缝的砂浆不易填实, 竖向灰缝的联结单元本构模型取水平灰缝本构模型计算值的 0.8 有限元模型的底面约束 X Y Z 向位移 第一荷载步在模型顶面施加竖向压应力 第二荷载步开始, 在顶梁侧面逐级施加 1MP 2MP 3MP 和 4MP 水平向压应力, 直至结构破坏 每个荷载步分为 50 个荷载子步, 打开自动时间步, 打开线性搜索, 平衡迭代次数为 150; 收敛指标以力的二阶范数收敛为主, 位移收敛为辅, 收敛误差设为 5% 以试件 H QD 1 1 为例, 计算得到的力 - 位移曲线和裂缝形式与试验结果基本一致 ( 图 6) 计算极限荷载 69.5kN 与试验值 69.2kN 接近, 计算极限位移 3.27mm 小于试验值 3.94mm 有限元计算得到的力- 位移曲线与试验得到墙体较为吻合, 本文采用修正 Newton Raphson 方法求解, 计算不出负刚度下降段, 因此无法模拟破坏段

6 82 地震工程与工程振动第 38 卷 图 6 试件 H QD 1 1 裂缝及力 - 位移曲线图 Fig.6 Crackandload displacementcurveofh QD 组合圈梁构造柱的影响因素 (1) 组合构造柱尺寸对组合构造柱宽度分别为 0 120mm 240mm 和 360mm 的全斗墙在竖向压应力和单调水平荷载下的极限抗剪承载力进行分析, 计算结果见表 3 计算表明, 加设 HPFL 条带组合圈梁构造柱后, 大幅提高了空斗墙的极限抗剪承载力 组合构造柱与原墙体协同工作, 直接参与水平荷载的分配 增大构造柱尺寸, 明显提高构造柱的作用 表 3 不同构造柱尺寸计算结果 Table3 Calculatedresultswithdiferentconstructionalcolumndimension 试件名称构造柱宽度 (mm) 圈梁高度 (mm) 圈梁 构造柱厚度 (mm) 极限抗剪承载力 (kn) 承载力提高率 (%) C1 0 C2 120 C3 240 C (2) 组合圈梁尺寸对组合圈梁高度分别为 0 120mm 240mm 和 300mm 的全斗墙在竖向压应力和单调水平荷载下的极限抗剪承载力进行分析, 计算结果见表 4 计算表明, 加设 HPFL 条带组合圈梁后, 对墙体抗剪承载力略有提高 增大圈梁尺寸, 对提高圈梁的作用不太明显 圈梁未直接参与水平荷载的分配, 而是通过与构造柱组成弱框架, 间接承担水平荷载 表 4 不同圈梁尺寸计算结果 Table4 Calculatedresultswithdiferentringbeamdimension 试件名称圈梁高度 (mm) 构造柱宽度 (mm) 圈梁 构造柱厚度 (mm) 极限抗剪承载力 (kn) 承载力提高率 (%) C5 0 C6 120 C3 240 C (3) 组合构造柱间距分析无组合构造柱 柱间距为 1.8m 和 0.9m 的全斗墙在竖向压应力和单调水平荷载下的极限抗剪承载力, 计算结果见表 5 计算表明, 加密构造柱, 缩短构造柱间距, 可使构造柱有效的承担一部分水平剪力, 从而提高墙体的水平抗剪作用 表 5 不同构造柱间距计算结果 Table5 Calculatedresultswithdiferentconstructionalcolumnspacing 试件名称构造柱间距 (m) 构造柱尺寸 (mm mm) 极限抗剪承载力 (kn) 承载力提高率 (%) C1 - C3 1.8 C

7 第 5 期雷敏, 等 :HPFL 条带组合圈梁构造柱的空斗墙抗震性能 83 (4) 带洞口空斗墙组合构造柱的设置考虑居中开有 675mm 750mm( 宽 高 ) 的窗洞的空斗墙, 组合圈梁兼做过梁 分别计算墙体两端不设构造柱 设置构造柱 洞口两侧不加设构造柱 洞口两侧加设构造柱四种情况下的极限抗剪承载力, 计算结果见表 6 计算表明, 开洞空斗墙抗剪承载力极低, 通过在墙端和洞口两侧加设构造柱可以大幅提高墙体的抗剪承载力 表 6 不同构造柱布置方式的计算结果 Table6 Calculatedresultswithdiferentconstructionalcolumnarangementmode 试件名称 墙体两端构造柱尺寸 (mm mm) 洞口两侧构造柱尺寸 (mm mm) C9 C C C 圈梁尺寸 (mm mm) 极限抗剪承载力 (kn) 承载力提高率 (%) 结论 (1)HPFL 条带组合圈梁构造柱可以提高不同砌筑方式空斗墙的开裂荷载和极限抗剪承载力, 提高墙体的延性和耗能性能 (2) 增大组合构造柱尺寸, 可以大幅提高空斗墙的极限抗剪承载力, 工程中建议采用 240mm 290mm ( 宽 厚 ) (3) 组合圈梁与组合构造柱组成弱框架来抵抗水平荷载 组合圈梁尺寸对空斗墙极限抗剪承载力影响较小, 工程中建议采用 120mm 290mm( 高 厚 ) (4) 组合构造柱间距对空斗墙抵抗水平荷载影响较大, 在实际设计计算中应予以考虑 (5) 开有洞口的空斗墙, 在墙端和洞口两侧应设置组合构造柱, 洞口两侧的构造柱尺寸建议采用 120mm 290mm( 宽 厚 ) 参考文献 : [1] 刘锡荟, 张鸿熙, 刘经伟, 等. 用钢筋混凝土构造柱加强砖房抗震性能的研究 [J]. 建筑结构学报,1981,2(6): LIUXihui,ZHANGHongxi,LIUJingwei,etal.AStudyofaseismiccharacteristicsofmasonrybuildingwithreinforcedconcretetie columns[j]. JournalofBuildingStructures,1981,2(6):47-55.(inChinese) [2] 朱伯龙, 蒋志贤, 吴明舜. 外加钢筋混凝土柱提高砖混房屋抗震能力的研究 [J]. 同济大学学报,1983,11(1): ZHUBolong,JIANGZhixian,WUMingshun.Astudyonaseismiccapacityofbrickmasonrybuildingsstrengthenedwithreinforcedconcretecol umns[j].journaloftongjiuniversity,1983,11(1):31-43.(inchinese) [3] 陈伯望, 唐楚, 邬逸夫, 等. 构造柱对蒸压粉煤灰多孔砖砌体抗震性能影响的试验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2016,36(5): CHENBowang,TANGChu,WUYifu,etc.Experimentalstudiesonseismicbehaviorofautoclavedflyashperforatedbrickwalswithconstruc tionalcolumns[j].earthquakeengineeringandengineeringdynamics,2016,36(5): (inchinese) [4] FahmyEH,ShaheenYBI,KoranyYS.Repairingreinforcedconcretecolumnsusingferocementlaminates[J].JournalofFerocement,1999, 29(2): [5] Abdulah,KatsukiTakiguchi.AninvestigationintothebehaviorandstrengthofReinforcedconcretecolumnsstrengthenedwithferocementjackets [J].Cement&ConcreteComposites,2003,25(2): [6] 蒋隆敏, 尚守平, 刘龙海. 高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层二次受力加固 RC 偏压柱试验及承载力计算方法研究 [J]. 建筑结构学报, 2011,32(4): JIANGLongmin,SHANGShouping,LIULonghai.Experimentalinvestigationandresearchoncalculationmethodofload caryingcapacityforec centricalycompresedrccolumnsstrengthenedbyhighperformanceferocementlaminatesundertwiceloading[j].journalofbuildingstruc tures,2011,32(4):72-79.(inchinese) [7] 曾令宏, 蒋朝阳.HPFL 加固受火 RC 梁刚度及挠度研究 [J]. 湖南大学学报 : 自然科学版,2017,44(5): ZENGLinghong,JIANGChaoyang.Studyonreinforcedconcretebeams stifnesanddeflectionstrengthenedwithhigh performanceferocement laminateafterthefire[j].journalofhunanuniversity:naturalsciences,2017,44(5):37-43.(inchinese) [8] 吕文龙, 许勇, 沈朝勇, 等. 钢丝网复合砂浆加固受火后钢筋混凝土框架梁的抗震性能试验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2017,

8 84 地震工程与工程振动第 38 卷 37(6): LVWenlong,XUYong,SHENChaoyong,etal.SeismicbehaviorofRCframebeamsafterfirestrengthenedwithferocement[J].EarthquakeEn gineeringandengineeringdynamics,2017,37(6): (inchinese) [9] 尚守平, 唐文浩.HPFL 加固多孔砖砌体抗震性能的试验研究 [J]. 地震工程与工程振动,2012,32(5), SHANGShouping,TANGWenhao.ExperimentalinvestigationonseismicbehaviorofperforatedbrickmasonrystrengthenedwithHPFL[J]. EarthquakeEngineeringandEngineeringDynamics,2012,32(5):73-80.(inChinese) [10] SHANGSP,HUANGXZ.Strengtheningreinforcedconcretestructureandmasonrystructurewithhighperformanceferocementlaminate(HP FL)[C]//The2ndInternationalConferenceonArchitecturalEngineeringandNewMaterials(ICAENM),2017. [11] 尚守平, 雷敏.HPFL 加固空斗墙抗震性能试验研究及有限元分析 [J]. 地震工程与工程振动,2013,33(4): SHANGShouping,LEIMin.TeststudyonseismicbehaviorandfiniteelementanalysisofrowlockwalstrengthenedwithHPFL[J].Earthquake EngineeringandEngineeringDynamics,2013,33(4): (inChinese)