第一作者 屈鐵軍 男，博士，教授，1960年生

外加鋼筋混凝土梁柱磚砌體房屋抗震性能試驗(yàn)研究

屈鐵軍1，安棟2

(1.北方工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，北京100144； 2. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津300072)

摘要：分別對(duì)外加鋼筋混凝土梁柱加固的磚砌體結(jié)構(gòu)、未采取抗震設(shè)防措施的普通磚砌體結(jié)構(gòu)、按現(xiàn)行抗震規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的磚砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了擬動(dòng)力抗震試驗(yàn)和低周反復(fù)加載試驗(yàn)，對(duì)比研究了這三類結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、滯回曲線、骨架曲線、極限承載力、極限變形及剛度退化曲線等特性。研究表明，經(jīng)外加鋼筋混凝土梁柱加固的磚砌體房屋能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)要求，外加的鋼筋混凝土梁和柱能有效約束墻體和預(yù)制板，提高磚砌體結(jié)構(gòu)的承載力和變形能力，并延緩結(jié)構(gòu)的剛度下降。

關(guān)鍵詞：砌體結(jié)構(gòu)；抗震加固；骨架曲線；剛度退化

基金項(xiàng)目：北京市自然科學(xué)基金(8142015);北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教深化計(jì)劃(PHR201106106)

收稿日期：2013-09-10修改稿收到日期：2014-03-03

中圖分類號(hào):TU362；TU317.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Tests for aseismic behavior of masonry buildings strengthened with RC beam-column

QUTie-jun1,ANDong2(1. College of Architecture and Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China；2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Abstract:The pseudo-dynamic aseismic tests and low-cyclic loading tests for fired common brick masonry structures, masonry structures confined with tie-columns and ring-beams according to the current aseismic code requirements and masonry structures strengthened with RC beam-column were carried out. The structures’ cracks propagation pattern, hysteretic curves, skeleton curves, ultimate load-bearing capacity, ultimate deformation and stiffness degradation curves were studied comparatively. The results showed that the brick buildings strengthened with RC beam-column can satisfy the requirements of the current aseismic fortification code; the RC beam and column can effectively enhance the load-bearing capacity and deformation reduction ability of brick masonry structures, delay their stiffness degradation.

Key words: masonry structure; aseismic strengthening; skeleton curve; stiffness degradation

2008年汶川地震中砌體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞[1-2]。我國目前仍有大量的磚砌體結(jié)構(gòu)房屋，其中有許多是20世紀(jì)70年代以前建造的，由于當(dāng)時(shí)我國還沒有頒布建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，所以當(dāng)時(shí)建造的這些砌體結(jié)構(gòu)房屋基本沒采取抗震設(shè)防措施。直到1974年，我國才正式頒布了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》(TJ11-74)，砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)才有了依據(jù)。1976年唐山地震后，我國的一些城市對(duì)原有未采取抗震設(shè)防措施的磚砌體房屋進(jìn)行了抗震加固，當(dāng)時(shí)多采用外加鋼筋混凝土梁柱的加固方法，目前這些房屋仍在使用。近30年，抗震規(guī)范多次修訂，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)也逐漸提高，這些早期加固的砌體房屋能否符合現(xiàn)行規(guī)范要求，是否還能正常使用，或許還需二次加固，這些問題都需要試驗(yàn)數(shù)據(jù)做支撐才能得出結(jié)論。在我國的小城鎮(zhèn)或農(nóng)村還有許多未采取抗震措施的砌體結(jié)構(gòu)民房，這些民房能承受多大級(jí)別的地震，也需要研究。

20世紀(jì)80年代，我國學(xué)者曾開展大量采用構(gòu)造柱加強(qiáng)磚墻或磚砌體房屋整體抗震性能的試驗(yàn)研究[3-6]。近年來，對(duì)砌體結(jié)構(gòu)抗震性能的研究更加深入，手段也更加先進(jìn)，宗周紅等[7]對(duì)一棟兩層單開間預(yù)制板磚砌體結(jié)構(gòu)房屋，采用1∶2模型進(jìn)行了雙向擬動(dòng)力試驗(yàn)和非線性地震響應(yīng)分析，研究結(jié)果表明房屋能夠滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的抗震要求。譚曉晶等[8]進(jìn)行了單開間帶圈梁和構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)足尺模型的擬動(dòng)力試驗(yàn)。此外，不同抗震加固的方法也逐漸成為研究的熱點(diǎn)，主要的加固方法有：體外預(yù)應(yīng)力法加固[9-10]，加設(shè)鋼門窗框及鋼板圈梁、鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固[11]，外套預(yù)制鋼筋混凝土墻板加固[12]、減隔震裝置[13]、粘貼纖維復(fù)合材料[14]等，這些方法應(yīng)用較為廣泛，加固效果較好。然而，對(duì)早期采用的外加鋼筋混凝土梁柱的加固砌體房屋的試驗(yàn)研究和理論研究都不充分。而且以往的研究中，單片墻體試驗(yàn)研究較多，整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究較少；小比例模型試驗(yàn)較多，足尺模型試驗(yàn)較少。

通過設(shè)計(jì)制作采用外加鋼筋混凝土梁柱進(jìn)行抗震加固的磚砌體房屋模型，與按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的磚砌體結(jié)構(gòu)以及未采取抗震設(shè)防措施的普通磚砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋壤咏?∶1，對(duì)外加鋼筋混凝土梁柱磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能及加固效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1模型設(shè)計(jì)與制作

選擇兩層單開間砌體房屋，為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠，本試驗(yàn)采用接近足尺的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＝Y(jié)構(gòu)平面尺寸為2 400 mm×3 600 mm，層高取2 300 mm。磚墻采用燒結(jié)普通粘土磚，混合砂漿砌筑，墻體厚度240 mm。屋面板和樓板采用預(yù)制鋼筋混凝土圓孔板。共制作三個(gè)模型，分別為未采取抗震設(shè)防措施的普通磚砌體結(jié)構(gòu)、按現(xiàn)行規(guī)范[15-16]要求設(shè)計(jì)的帶構(gòu)造柱和圈梁的磚砌體結(jié)構(gòu)、外加鋼筋混凝土梁柱加固[17]的磚砌體結(jié)構(gòu)。構(gòu)造柱、圈梁和加固用的外加梁柱均采用C25混凝土澆筑。磚墻砌筑在混凝土底板上，混凝土底板由地腳螺栓錨固在實(shí)驗(yàn)室地面。三個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖1　外加鋼筋混凝土柱與原有磚墻體的連接 Fig.1 Joints of masonry wall-to-concrete-columns

為便于表述，BM代表普通磚砌體結(jié)構(gòu)，不設(shè)構(gòu)造柱和圈梁；CM代表按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的帶構(gòu)造柱和圈梁的磚砌體結(jié)構(gòu)，構(gòu)造柱在砌體結(jié)構(gòu)的四角設(shè)置，截面尺寸為240 mm×240 mm，圈梁截面為150 mm×240 mm，梁柱的縱筋和箍筋均為4φ12，φ6@200 mm，按規(guī)范要求構(gòu)造柱與磚墻設(shè)馬牙槎和拉結(jié)筋；用RM代表外加鋼筋混凝土梁柱加固的磚砌體結(jié)構(gòu)，根據(jù)加固規(guī)程[15]，外墻角部位外加的鋼筋混凝土柱采用L型截面，長(zhǎng)邊600 mm，短邊200 mm，縱筋12φ12，箍筋φ6@200 mm，梁截面150 mm×200 mm，縱筋4φ12，箍筋φ6@200 mm，外加鋼筋混凝土梁柱與原有磚墻體的連接構(gòu)造見圖1和圖2。三個(gè)模型的門窗洞口完全相同，安裝木質(zhì)門窗框。

圖2　外加鋼筋混凝土梁與原有磚墻體的連接 Fig.2 Joints of masonry wall-to-concrete-beams

圖3　試驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.3 Experimental models

2材料力學(xué)性能測(cè)試

模型在抗震試驗(yàn)前，進(jìn)行了材料力學(xué)性能測(cè)試：燒結(jié)普通粘土磚抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，砂漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，磚砌體抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，鋼筋拉伸試驗(yàn)。測(cè)得的材料強(qiáng)度平均值見表1。試驗(yàn)裝置見圖4。

圖4　材料力學(xué)性能測(cè)試裝置 Fig.4 Specimen for material tests

表1　材料強(qiáng)度平均值

3抗震試驗(yàn)

3.1擬動(dòng)力試驗(yàn)

圖5　試驗(yàn)加載裝置示意圖 Fig.5 Loading system for horizontal load

3.1.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

擬動(dòng)力試驗(yàn)比較適合大比例模型或足尺模型。擬動(dòng)力試驗(yàn)是通過作動(dòng)器給模型施加作用，使施加的作用產(chǎn)生的效應(yīng)與真實(shí)的地震作用效應(yīng)相同。對(duì)于多層或高層建筑，應(yīng)該在每一層安裝作動(dòng)器，施加作用。但由于擬動(dòng)力試驗(yàn)的本質(zhì)是靜力試驗(yàn)，是通過靜力加載，使其效果與地震作用相同，擬動(dòng)力試驗(yàn)采用位移控制，對(duì)于多個(gè)作動(dòng)器加載，使每個(gè)作動(dòng)器加載部位的位移都等于預(yù)先給出的控制位移，在技術(shù)上有困難，原因是各作動(dòng)器部位的位移相互影響。因此，我國《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》規(guī)定[18]，對(duì)于多質(zhì)點(diǎn)模型，可以采用等效的單質(zhì)點(diǎn)模型。因此，本試驗(yàn)采用等效單質(zhì)點(diǎn)模型，即一點(diǎn)加載。

我國的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，一般結(jié)構(gòu)可在兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用，參照規(guī)范規(guī)定，選擇采用單主軸方向加載。

3.1.2加載裝置

擬動(dòng)力試驗(yàn)是計(jì)算機(jī)-作動(dòng)器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，使用的水平液壓伺服作動(dòng)器水平額定載荷±500 kN、行程±250 mm。試驗(yàn)加載裝置見圖5。結(jié)構(gòu)的變形由布置在結(jié)構(gòu)樓板和屋面板標(biāo)高處的位移計(jì)量測(cè)。另外，混凝土底板兩側(cè)同樣布置位移計(jì)，以監(jiān)視其水平位移，避免出現(xiàn)底板與地面相對(duì)滑移。

3.1.3地震波的選取

為了與抗震設(shè)計(jì)規(guī)范相對(duì)應(yīng)，以規(guī)范給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)反應(yīng)譜，采用迭代法生成與目標(biāo)反應(yīng)譜相對(duì)應(yīng)的地震波。生成地震波的條件為7度罕遇烈度、Ⅱ類場(chǎng)地、設(shè)計(jì)地震第一組，生成地震波采用的參數(shù)值見表2。生成的地震波、反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的擬合效果見圖6、圖7。

圖6　試驗(yàn)使用的加速度時(shí)程曲線 Fig.6 Acceleration time-history used in pseudo-dynamicseismic test

圖7　反應(yīng)譜擬合圖 Fig.7 Comparison of response spectrum with design response spectrum

峰值加速度PGA/(cm·s-2)水平地震影響系數(shù)αmax特征周期Tg/s2200.90.35上升段/s平穩(wěn)段/s持續(xù)時(shí)間t/s衰減系數(shù)c時(shí)間間隔Δt/s0～88～15300.80.02

3.1.4結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)

在7度罕遇地震作用下三個(gè)模型二層樓板處的加速度、位移及恢復(fù)力最大值見表3。圖8給出了三個(gè)模型的位移反應(yīng)時(shí)程曲線?？梢钥闯觯床扇∪魏慰拐鸫胧┑钠胀ùu砌體結(jié)構(gòu)房屋(BM)，在地震作用下出現(xiàn)明顯的殘余變形，導(dǎo)致其位移曲線出現(xiàn)偏移，模型的外觀也出現(xiàn)了明顯的裂縫，模型接近破壞。按現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的房屋(CM)和經(jīng)過梁柱加固的房屋(RM)基本完好，甚至不加處理仍可繼續(xù)使用。從表3知，未采取抗震措施的房屋模型，在地震作用下產(chǎn)生較大的位移，但恢復(fù)力小，說明房屋的剛度小，整體性差；按現(xiàn)行抗震規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的房屋位移較小，恢復(fù)力較大；采用梁柱加固的房屋位移最小，恢復(fù)力最大，剛度也最大。

表3　地震反應(yīng)最大值

圖8　試驗(yàn)結(jié)構(gòu)二層頂板位移時(shí)程曲線 Fig.8 Time history curves of displacement response on second floor of experiment models

3.2低周反復(fù)加載試驗(yàn)

擬動(dòng)力抗震試驗(yàn)完成后，三個(gè)模型雖然發(fā)生了不同程度的破壞，但并沒有完全破壞或倒塌。為全面了解結(jié)構(gòu)的抗震能力，繼續(xù)對(duì)三個(gè)模型進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，直至完全破壞。

3.2.1裂縫開展及破壞形態(tài)

圖9為低周反復(fù)加載試驗(yàn)后模型墻體的裂縫分布圖。三個(gè)模型破壞過程的共同點(diǎn)是墻體裂縫首先出現(xiàn)在門窗洞口的四角處；隨位移增大，墻體裂縫沿磚縫呈45°延伸，形成交叉斜裂縫。

三個(gè)模型的破壞過程有很大差別。從圖10可知，BM模型墻體裂縫沿45°貫通；CM模型雖也有斜裂縫的延伸，但大都沒有貫通；RM模型由外加的鋼筋混凝土梁柱形成一個(gè)整體，更接近框架結(jié)構(gòu)，有效限制了墻體裂縫的延伸，僅框架梁端出現(xiàn)了豎向裂縫(見圖10(g))。另外，窗洞口有外加鋼筋混凝土柱的拉結(jié)鋼筋與墻體的錨固出現(xiàn)脫開的現(xiàn)象(見圖10(h))，由此導(dǎo)致部分墻體裂縫較寬。

圖9　模型結(jié)構(gòu)裂縫圖 Fig.9 Crack propagation pattern

3.2.2滯回曲線

低周反復(fù)加載試驗(yàn)的滯回曲線見圖11。

BM模型的墻體在地震作用下開裂已經(jīng)很明顯。低周反復(fù)加載時(shí)觀察到，正、反向加載的極限荷載不相等。在達(dá)到極限荷載后，剛度迅速下降，結(jié)構(gòu)承載力持續(xù)下降。滯回曲線不以原點(diǎn)對(duì)稱。

CM模型在磚墻開裂后，剛度下降較快，但荷載仍在增加，卸載時(shí)有少量殘余變形，滯回曲線有“捏攏”現(xiàn)象。達(dá)到極限荷載后，荷載不再顯著增大，但由于構(gòu)造柱和圈梁的約束作用，承載力并不急速下降。滯回曲線也不完全以原點(diǎn)對(duì)稱。

圖10　模型結(jié)構(gòu)典型裂縫照片 Fig.10 Photos of cracks

RM模型與CM模型的滯回曲線相似，外加的鋼筋混凝土梁柱起到了約束墻體的作用，在磚墻體開裂后，結(jié)構(gòu)主要由外加鋼筋混凝土梁柱承擔(dān)水平荷載。在加載過程中，磚墻裂縫較明顯，但由于鋼筋混凝土梁柱的作用，極限荷載后，荷載也并不急速下降。RM模型的極限位移和極限荷載都比CM模型大得多。滯回曲線基本以原點(diǎn)對(duì)稱。

3.2.3骨架曲線和延性

骨架曲線取低周反復(fù)各級(jí)加載荷載峰值連成的包絡(luò)線，三個(gè)模型的骨架曲線見圖12。

BM模型，正反加載方向的骨架曲線明顯不對(duì)稱。

CM模型，正向加載時(shí)，骨架曲線在位移接近10 mm時(shí)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的荷載值接近135 kN，隨后骨架曲線趨于平緩，顯示了較好的延性。反向加載位移值10 mm后，荷載有稍有增大，位移加至20 mm時(shí)，預(yù)制樓板與墻體連接處出現(xiàn)開裂，結(jié)構(gòu)破壞。

RM模型，荷載接近290 kN后，荷載不再隨位移明顯增加或減小，保持在最大值附近，最后因變形過大，墻體出現(xiàn)貫通交叉裂縫，試驗(yàn)停止。但整體結(jié)構(gòu)并無倒塌危險(xiǎn)，只是墻體局部破壞嚴(yán)重，接近傾倒。

圖11　低周反復(fù)加載下的滯回曲線 Fig.11 Hysteretic curves during low cyclic tests

圖12　低周反復(fù)加載下的骨架曲線 Fig.12 Skeleton curves during low cyclic tests

圖13　理想化的結(jié)構(gòu)骨架曲線 Fig.13 Idealization of skeleton curve

文獻(xiàn)[20]對(duì)約束砌體結(jié)構(gòu)的骨架曲線近似用三折線模型表示(見圖13)。圖13中的三個(gè)特征點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)開裂點(diǎn)、極限荷載點(diǎn)和極限位移點(diǎn)。據(jù)此，將骨架曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)作為開裂點(diǎn)，極限荷載取最大荷載，極限位移取荷載降至最大荷載的85%時(shí)對(duì)應(yīng)的位移。對(duì)每個(gè)模型的骨架曲線正、負(fù)兩個(gè)方向的特征點(diǎn)的絕對(duì)值進(jìn)行平均，得到了三個(gè)模型骨架曲線的特征值(見表4)。

表4　骨架曲線特征值

注:Pcr：開裂荷載；dcr：開裂荷載對(duì)應(yīng)的位移；Pmax：極限荷載；dpmax：極限荷載對(duì)應(yīng)的位移；dmax：極限位移；Pdmax：極限位移對(duì)應(yīng)的荷載。

延性系數(shù)為極限位移和屈服位移之比。未采取抗震設(shè)防措施的BM模型的延性系數(shù)為4.40，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的CM模型的延性系數(shù)為7.41，外加鋼筋混凝土梁柱加固的RM模型的延性系數(shù)為8.15?？梢?，采用鋼筋混凝土梁柱加固對(duì)磚砌體房屋延性的提高作用是明顯的。

從三個(gè)模型的骨架曲線可以看出，按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的CM模型承載力遠(yuǎn)大于未采取抗震設(shè)防措施的BM模型，經(jīng)鋼筋混凝土梁柱加固的RM模型，無論是承載能力還是延性都能達(dá)到或超過現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

圖14　模型結(jié)構(gòu)的剛度退化曲線 Fig.14 Stiffness degradation of model structures

3.2.4剛度退化和承載力降低

模型剛度采用割線剛度[18]，荷載和位移取正向、負(fù)向的平均值，剛度退化曲線見圖14。從圖14可知，各模型加載初期剛度退化規(guī)律基本一致。未采取抗震措施的BM模型和按抗震規(guī)范設(shè)置構(gòu)造柱圈梁的CM模型的初始剛度基本相同，但隨變形增大，BM模型的剛度退化很快，CM模型剛度退化較緩慢。相比RM模型的剛度退化要緩慢得多。

表5　荷載降低系數(shù)

4結(jié)論

(1) 在罕遇的7度地震作用下，未采取任何抗震措施的磚砌體結(jié)構(gòu)的殘余變形明顯，破壞較嚴(yán)重，而按現(xiàn)行抗震規(guī)范設(shè)計(jì)的磚砌體結(jié)構(gòu)和經(jīng)外加鋼筋混凝土梁柱加固的磚砌體結(jié)構(gòu)基本完好，可見在7度及以上設(shè)防地震區(qū)，未采取抗震措施的砌體房屋必須進(jìn)行加固處理。

(2) 采用外加鋼筋混凝土梁柱加固的磚砌體結(jié)構(gòu)，其抗震性能符合現(xiàn)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求，從試驗(yàn)結(jié)果看，這類磚砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能甚至好于按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)的房屋，可以不進(jìn)行二次加固。

(3) 無論是與砌體結(jié)構(gòu)同時(shí)施工的鋼筋混凝土構(gòu)造柱和圈梁，還是后加的鋼筋混凝土梁柱，對(duì)改善砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能的作用非常顯著。試驗(yàn)結(jié)果知未采取抗震措施的砌體結(jié)構(gòu)的極限承載力為40.50 kN，設(shè)構(gòu)造柱和圈梁的砌體結(jié)構(gòu)和后加鋼筋混凝土梁柱的砌體結(jié)構(gòu)的極限承載力分別為134.96 kN和294.84 kN。三個(gè)模型的極限位移分別為11.98 mm、19.04 mm和72.29 mm。可見承載力和延性都有顯著提高。

(4) 未采取抗震措施的普通砌體結(jié)構(gòu)的剛度退化速度很快，按抗震規(guī)范要求設(shè)置構(gòu)造柱和圈梁的砌體結(jié)構(gòu)的初始剛度與普通砌體結(jié)構(gòu)基本相同，但剛度退化較緩慢，后加鋼筋混凝土梁柱的砌體結(jié)構(gòu)的初始剛度大于前兩種砌體結(jié)構(gòu)，而且剛度退化緩慢，延性更好。

(5) 采用鋼筋混凝土梁柱加固的砌體結(jié)構(gòu)雖能滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，但后澆注的鋼筋混凝土梁柱的拉結(jié)筋與磚墻內(nèi)側(cè)的錨固易破壞，可能影響加固效果。因此，對(duì)于早期采用后澆注鋼筋混凝土梁柱進(jìn)行抗震加固的砌體房屋，應(yīng)重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)梁柱的拉結(jié)筋與墻體的錨固質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

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