不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:作者简介:石建光()男教授博士硕导主要从事结构工程研究:.文章编号:():./.不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究石建光郑煌典陈周熠谢益人(.厦门大学 建筑与土木工程学院福建 厦门 .厦门合立道工程设计集团股份有限公司福建 厦门)摘 要:在现存的历史风貌建筑中存在许多砂浆强度降低而砖仍然具有较高强度造成砌体墙体的承载力不满足要求的现象 基于“最小干预”原则提出了通过用高性能砂浆置换部分旧砂浆提高结构安全性的砌体结构保护性加固技术 在前期置换砂浆加固砌体性能研究的基础上选择 形置换砂浆的方式对一顺一丁、三顺一丁、梅花丁、全丁和全顺等砌筑方式设计了 个墙体进行了拟静力试验 试验结果表明:置换砂浆能有效提高墙体的抗剪承载力且在不同砌筑方式的砖墙中均能起到加固作用加固后砖墙的承载力取决于未加固区的交叉裂缝或者底部水平裂缝的抵抗能力砖墙中顺砖占比率越高墙体刚度退化越慢后期延性也越好关键词:置换砂浆砌体加固拟静力试验抗震性能砌筑方式中图分类号:文献标识码:(.):.:世 界 地 震 工 程第 卷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 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 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 砌体结构工程施工质量验收规范()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通过试验研究了全顺式、三顺一丁式、梅花丁式和全丁式 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 种不同砌筑形式进行有限元分析 结果表明:种等效体积单元在 和 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 种砌筑方式的承载力更大胡智威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:全顺 三顺一丁 梅花丁一顺一丁 全丁.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:)注浆法)粘钢加固)预应力加固法)钢筋网水泥砂浆)钢筋混凝土面层加固等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 等通过 片墙体的对角加载试验及有限元的数值模拟对 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采用高延性纤维增强水泥基复合材料()加固无筋砌体进行了拟静力试验证明 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又采用高延性混凝土()面层加固无筋砌体墙证明 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 条嵌入加固等加固技术已投入到工程实践中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 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 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试件设计及加载方案.试件设计此次试验的 片砖墙均采用普通烧结黏土砖砖尺寸为 实测抗压强度平均值.标准值.属于 砖砂浆采用模拟原有砂浆的黏土混合砂浆实测抗压强度.置换砂浆采用设计强度等级为 的水泥砂浆所用砂为细沙水泥为普通.硅酸盐水泥第 期石建光等:不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究配合比为:水泥砂水.外加.华千素(即 /)置换砂浆的砂浆实测抗压强度和各项指标见表 表 水泥砂浆性能指标 粘聚性稠度/保水性抗压强度/抗折强度/收缩变形()/良好.良好.试件顶梁和底梁都采用强度等级 的混凝土 根据建筑抗震试验方法规程(/)中.条规定采用设计强度为 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 片砖墙的尺寸为高 宽 即高宽比为.平均压应力为.下进行加载 各组试件具体设计见表 砌筑方式见图 表 试件编号 组号/砌筑方式是否换缝换缝形式换缝深度/一顺一丁否一顺一丁是 形(双面)三顺一丁是 形(双面)梅花丁是 形(双面)全丁是 形(双面)全顺是 形(单面)图 不同砌筑方式示意图.图 形加固图.其中:形加固区域带宽为 (两直角边各)墙宽 墙体的砂浆总置换率为.墙体 墙体的砂浆总置换率.(见图)砂浆置换的具体工艺流程为:)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 以内需要做到边掏缝边复核)清孔:采用定制的水雾气枪除尘和步骤)交替进行)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)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)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)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 世 界 地 震 工 程第 卷图 置换砂浆施工工艺.试验加载制度图 试验装置.按照建筑抗震试验方法规程(/)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 试件破坏现象各组砖墙试件破坏现象见表 传统砂浆墙体 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 由于置换砂浆后墙体整体刚度变大水平加载至 时沿墙体底部外侧发生水平裂缝顶部作动器位移 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 水平加载至 沿墙体底部右侧发生水平裂缝顶部作动器位移 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 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 水平加载至 墙体底部左侧砂浆层开裂加载至 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 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 水平加载至 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第 期石建光等:不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究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 水平加载至 墙体底部左侧加固区砂浆出现微小裂缝顶部作动器位移 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表 各组破坏过程和破坏形态 编号开裂位置裂缝发展破坏形态世 界 地 震 工 程第 卷 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 和 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(形置换 )下除(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()破坏形式均为交叉型裂缝破坏(全顺)的墙宽为 其他墙体墙宽为 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()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 对比 和 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.但由于 置换砂浆后使得新旧砂浆弹性模量不同极限位移缩短.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 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 则加固后不同砌筑方式承载力比为 三顺一丁全顺一顺一丁全丁梅花丁.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 各组砖墙承载力及极限位移比较 编号承载力/承载力比较(/)/极限位移/极限位移比较(/)/.注:宽的全顺墙的承载力按照面积比换算成 宽的墙体承载力滞回曲线及骨架曲线分析.滞回曲线分析由 和 即未加固砖墙与加固后砖墙的滞回曲线进行比较 滞回曲线弹塑性阶段的滞回环最饱满反映出 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 滞回环较饱满说明 形置换的墙体仍具有良好的塑性变形能力第 期石建光等:不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究图 荷载位移滞回曲线.对比、和 即不同砌筑方式的墙体的滞回曲线进行比较 由图 可以看出:(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 滞回环面积较大耗能能力较差但承载力最高(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.骨架曲线分析图 骨架曲线比较.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 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 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 和 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、和 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 刚度退化最快梅花丁 较快全丁 和三顺一丁 相近一顺一丁 刚度退化最慢但达到承载力后下降迅速 反而全顺 和三顺一丁 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 峰值荷载对应的位移对 和 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、和 即对不同砌筑方式的特征点及延性性能进行分析(全顺)为墙宽为 的墙屈服荷载峰值荷载相当于其他砌筑方式的墙宽为 的墙的 左右故说明墙体 承世 界 地 震 工 程第 卷载力与墙宽成正比(梅花丁)屈服荷载最小(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表 试件的特征点以及延性比较 试件编号屈服荷载/屈服位移/峰值荷载/峰值位移/极限位移/延性系数极限位移角././././././刚度退化根据滞回曲线、骨架曲线以及试验记录的数据以等效刚度来研究试件的刚度退化规律 各组砖墙的刚度退化曲线见下图 从图 可以看出:不同砌筑方式的加固后砖墙前期刚度退化趋势相近三顺一丁的曲线后期下降最长且较缓说明三顺一丁的墙体后期刚度退化慢延性较好图 等效刚度退化.结论与建议通过对 片砖墙试验研究对于平均压应力.高宽比.的不同砌筑方式的砂浆置换加固砖墙抗震性能可以得到以下结论:)不同砌筑方式墙体破坏形式相同最终的破坏形式都是底部水平裂缝和墙体交叉裂缝的薄弱区 梅花丁承载力会有降低而全顺、全丁、三顺一丁和一顺一丁基本相同)置换砂浆能提高墙体的开裂荷载和破坏荷载能有效的改变墙体开裂位置和破坏形式使得开裂和破坏路径发生改变控制置换砂浆范围可以有效防范开裂和破坏区域)砂浆置换可以提高承载能力提高的幅度取决于置换砂浆的范围如果避免底部通缝的出现和中部交叉裂缝发生在置换区域置换砂浆加固墙体可以发挥更大作用)不同砌筑方式耗能相近顺砖比率越高开裂越晚越晚达到屈服荷载其达到承载力后的延性越好)不同砌筑方式的试件前期刚度退化趋势相近三顺一丁试件后期刚度退化慢延性较好)置换砂浆对不同砌筑方式的砖墙均能起到加固作用提高幅度为 加固后承载力比为三顺一丁 全顺 一顺一丁 全丁 梅花丁.基于墙体试验的结论可对历史建筑砌体结构的修缮加固提出以下建议:)对于抗剪承载力不足的砖墙可采用置换砂浆提高其抗震承载力该加固方法对不同砌筑方式的砖第 期石建光等:不同砌筑方式下置换砂浆加固砖墙体的抗震性能研究墙均适用)通过控制置换砂浆的范围和区域可以控制开裂位置和破坏路径有效提高墙体承载力能力参考文献:何祥国 宋功河.屋面板与砖砌体的温度应力及裂缝机理分析.江西煤炭科技():.():.()邓明科 樊鑫淼 高晓军 等.面层加固受损砖砌体墙抗震性能试验研究.工程力学 ():.():.()董明海 宋丽.砌体结构设计原理.西安:西安交通大学出版社.:.()姜晨光.土木工程概论.北京:化学工业出版社.:.()砌体结构工程施工质量验收规范.北京:中国建筑工业出版社.:.()王诚杰 贾悦 宋杨 等.不同砌筑方式下砖砌体特性研究.中外企业家():.():.()黄斌 阿肯江托呼提 胡荻.砌体组砌形式对材料性质的影响.建筑科学 ():.():.()胡智威.砖砌体砌筑方式对其力学性能影响的研究.长沙:长沙理工大学.:.().:.:.():.:.():.邓明科 杨铄 梁兴文.高延性混凝土单面加固构造柱约束砖砌体墙抗震性能试验研究.土木工程学报 ():.():.()石建光谢益人.历史建筑砌体结构修缮与加固中保护技术的回顾与展望.中国文物保护技术协会第十次学术年会 .()邓华.震后建筑垃圾估算与再利用和砌体注浆加固方法研究厦门:厦门大学.:.()/建筑抗震试验方法规程.北京:中国建筑工业出版社./.:.()