陳國輝　胡景波

摘 要：為了研究開窗洞砌體墻片的抗震性能，該文依據(jù)北川電信局職工住宅樓底層開窗洞的縱墻設(shè)計了一組開窗洞的墻片，通過現(xiàn)澆樓板把3片平行布置的墻片連接到一起建立模型。在樓板上施加配重模擬上部5層荷載，使其與原型結(jié)構(gòu)具有相同的軸壓比。在墻片的一端施加低周水平反復(fù)荷載進行擬靜力試驗。獲得開窗洞墻片在分級水平荷載作用下的破壞形態(tài)和抗力特性，并提煉了反映墻片本構(gòu)關(guān)系的骨架曲線。研究結(jié)果表明：開窗洞口高度范圍內(nèi)的墻肢易發(fā)生剪切破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)引起足夠的重視，加強其抗剪強度；洞角處應(yīng)力集中，墻體容易在此處出現(xiàn)階梯型裂縫，若想提高砌體的開裂荷載應(yīng)在洞角處加強構(gòu)造措施；豎向正應(yīng)力對砌體的破壞形態(tài)和承載力有重要影響。

關(guān)鍵詞：擬靜力試驗 抗剪強度 骨架曲線 剪切破壞

中圖分類號：TU36 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0075-05

Abstract：In order to study the seismic performance of masonry walls with window openings， according to the bottom longitudinal wall with window openings of Beichuan Bureau staff residential building ，we design three pieces wall with window openings， arranged in parallel way and connected by cast-in-place floor to be a model. The counterweight in the simulation of the five layer floor apply on the floor so that the model has the same axial compression ratio with the prototype structure. In order to obtain the failure model and resistance characteristic of the window opening wall under the horizontal load， and the skeleton curve of the constitutive relation，low cyclic horizontal load is applied at one end of the wall to perform quasi static test. The results of the test show that：within the height range of the window openings wall limb， shear failure easily occurs. We should pay enough attention to it in the structural design，and strengthen the shear strength of wall limb； stress concentrated in hole corners，and ladder type cracks are easy to appear here.If you want to improve cracking load of the masonry，measures to strengthen the structure should be taken in the openings angle；Vertical normal stress of masonry has important influences on the failure patterns and bearing capacity.

Key Words：Quasi static test；Shear strength；Skeleton curve；Shear failure

砌體結(jié)構(gòu)作為傳統(tǒng)的建筑形式，在我國學(xué)校、醫(yī)院、辦公和住宅中發(fā)揮著舉足輕重的作用。近年來尤其是在汶川地震和廬山地震中，大量砌體結(jié)構(gòu)倒塌或者成為“站立廢墟”，這些嚴重的震害特征暴露出砌體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計上仍存在不足，還需進一步開展研究工作。在地震中，砌體結(jié)構(gòu)主要承受水平慣性力作用。由于墻體材料為脆性，整體性能差，使得砌體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布不均勻，而在砌體結(jié)構(gòu)上開洞更加劇了應(yīng)力分布的復(fù)雜性。該文擬模擬北川電信局職工住宅樓底層一開窗洞縱墻建立墻片模型，研究低周反復(fù)荷載作用下開窗洞砌體墻片的力學(xué)性能和破壞特征，為改善開洞砌體墻片的抗震性能，以及對砌體結(jié)構(gòu)進行加固提供合理科學(xué)的參考依據(jù)。

1 開窗洞墻片模型的設(shè)計制作

該文采用的模型是將北川電信局職工住宅樓底層開窗洞的縱墻經(jīng)過1/5縮尺而得，經(jīng)過縮尺后的墻片尺寸如圖1所示。墻片兩端和中間各設(shè)置一根尺寸為48 mm×48 mm的構(gòu)造柱，縱筋為4Φ4，箍筋為Φ1.5@40；模型配制的混凝土為C20；底座采用的混凝土強度等級C20，鋼筋等級Q235。為減少試驗中偶然性誤差和個體差異的影響，3片墻片平行布置并通過現(xiàn)澆混凝土樓板相連建立模型，其中A墻片位于南側(cè)，B墻片位于中間，C墻片位于北側(cè)。

2 模型材料力學(xué)性能

該模型采用的砌塊材料為小型混凝土砌塊，該砌塊采用質(zhì)量配合比1∶4（水泥∶砂）的水泥砂漿制作而成，其尺寸是依據(jù)標準砌塊按照1/4相似比縮尺所得。標準砌塊的尺寸為390 mm*190 mm*190 mm，縮尺后模型所用的砌塊尺寸為98 mm*48 mm*48 mm，芯孔尺寸為35 mm*30 mm*48 mm，孔洞率為45% 。為了模擬原型結(jié)構(gòu)實體墻，該模型采用質(zhì)量配合比為1∶5（水泥∶砂）的水泥砂漿將小型混凝土砌塊的芯孔填實；砌筑砂漿的質(zhì)量配合比為1∶4∶1（水泥∶砂∶水）；樓板和構(gòu)造柱采用的C20的質(zhì)量配合比為1∶1.3∶3.1（水泥∶砂∶石子）。依據(jù)文獻[2-5]，我們分別進行混凝土空心砌塊抗壓強度試驗、灌孔砂漿立方體抗壓強度試驗、砌筑砂漿立方體抗壓強度、混凝土立方體抗壓強度試驗和砌體試件抗壓強度試驗，試驗結(jié)果見表1，依據(jù)試驗結(jié)果，混凝土砌塊抗壓強度為4.4 MPa；灌孔砂漿的立方體抗壓強度為3.5 MPa；砌筑砂漿的立方體抗壓強度為4.0 MPa；混凝土的立方體抗壓強度為12.7 MPa；其中砂漿立方體試件抗壓強度是以3個試件測值的算術(shù)平均值的1.3倍（f2）作為該組試件的抗壓強度平均值（精確至0.1 MPa）。

3 試驗方案

3.1 試驗加載裝置和數(shù)據(jù)采集設(shè)備

該套試驗加載裝置主要包括水平作動器、反力架、傳力鋼架、工字鋼梁、配重塊等設(shè)備。為了保證豎向荷載的穩(wěn)定連續(xù)性，模型通過施加配重塊模擬豎向荷載；模型的水平荷載通過作動器控制，并通過傳力鋼架傳遞到模型樓板處。作動器的一端通過螺栓緊密連接到反力架上一工字鋼梁上的連接板，另一端則通過螺栓緊密連接到傳力鋼架的連接板。工字鋼的中部設(shè)有一個SW-10型拉線位移計，方便校核水平荷載。模型的實際加載系統(tǒng)如圖2所示。

該次試驗的數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括CS-1A型動態(tài)電阻應(yīng)變儀、CDSP數(shù)據(jù)采集儀、DH5902動態(tài)電阻應(yīng)變儀、Kyowa-611b和Kyowa-711b型動態(tài)應(yīng)變儀、SW-10型拉線位移計、Kyowa DT-10百分表等，數(shù)據(jù)采集儀的靈敏度見表2。墻片位移采用SW-10相對位移傳感器測定，并輔以百分表實時監(jiān)控墻體的位移變形；應(yīng)變數(shù)據(jù)由動態(tài)應(yīng)變儀采集。

3.2 試驗加載方案

3.2.1 豎向荷載

為了使模型與原結(jié)構(gòu)具有相同的軸壓比，通過施加配重塊模擬原型結(jié)構(gòu)的上部5層荷載。依據(jù)設(shè)計圖紙對原型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量得知，開窗洞墻片的人工質(zhì)量實際加載9 t。

3.2.2 水平荷載

由于試驗設(shè)備的限制，此次試驗水平荷載加載程序采用位移控制方法，在墻片開裂前，先施加與預(yù)估開裂荷載的40%～60%相對應(yīng)的位移。墻體開裂后，取開裂時的最大位移值的3倍為級差進行控制加載，并重復(fù)3次。

3.3 試驗量測方案

模型的樓板的剛度遠大于墻體的剛度，可以認為樓板為剛體，墻體頂端的位移等于樓板的位移。在試驗載荷較小時，在樓板遠離施力端處布置2個精度較高的Kyowa DT-10百分表，同時在樓板縱向中線布置一個拉線位移計作為校核，在作動器中線延長線上工字鋼處布置一個拉線位移計測量工字鋼的變形，用以校核水平荷載。在試驗載荷較大時，撤除Kyowa DT-10百分表，在Kyowa DT-10 百分表處布置2個SW-1相對位移傳感器。

4 試驗結(jié)果及其分析

4.1 墻片破壞形態(tài)分析

4.1.1 南側(cè)墻片A破壞分析

墻片最早在洞口角部出現(xiàn)階梯型的裂縫，隨著水平推力的增加，裂縫沿墻片向構(gòu)造柱兩端擴展，直至裂縫沿對角線方向貫通；由于洞口上部水平灰縫提供的摩擦力不足，導(dǎo)致墻體出現(xiàn)了水平裂縫（圖3所示）。

4.1.2 中部墻片B破壞分析

中部墻片最初也是在洞口角部出現(xiàn)階梯型裂縫，然后向構(gòu)造柱兩端發(fā)展；隨著荷載的增加，洞口高度范圍內(nèi)的墻肢被剪斷，構(gòu)造柱被貫穿。但是與南側(cè)墻片不同的是，由于其負擔的荷載更大，使其壓應(yīng)力也更大，墻片產(chǎn)生裂縫后發(fā)展速度更迅速，寬度也更大，破壞更嚴重，洞口高度范圍內(nèi)的墻肢的剪切破壞表現(xiàn)得更加明顯，其破壞形態(tài)見圖4。

4.1.3 北側(cè)墻片C破壞分析

從圖5墻體裂縫的分布可以看出，墻體出現(xiàn)貫穿于墻體構(gòu)造柱的X形裂縫，裂縫較??；中部構(gòu)造柱起到了銷鍵的作用，很好地限制了裂縫的發(fā)展；墻體窗口四角皆出現(xiàn)沿對角線開展的斜向階梯形裂縫，裂縫較大，具有一定的延性破壞的特征。

綜上所述，我們可知，該開洞砌體在水平荷載作用下，3面墻片的受力情況不盡相同，中間墻片受力情況較兩側(cè)墻片受力更大，破壞更嚴重；構(gòu)造柱能發(fā)揮銷鍵的作用，阻礙裂縫的開展和延伸，對砌體有進行有效地約束，增強了砌體結(jié)構(gòu)的整體剛度，提高墻體的抗剪強度。

4.2 墻片應(yīng)變結(jié)果分析

通過在墻片不同位置設(shè)置應(yīng)變片可以得到墻體的應(yīng)變場，從而反映出各個區(qū)域在加載過程中墻片的變形信息，該文選取破壞最嚴重的洞口高度范圍內(nèi)的墻肢處的應(yīng)變片數(shù)據(jù)進行了分析（A/B/C墻片分別為：外側(cè)墻片/中間墻片/內(nèi)側(cè)墻片）。

4.2.1 同一墻片上3墻段等高處應(yīng)變對比

3#、5#、7#應(yīng)變片設(shè)置在墻片A洞口高度范圍內(nèi)的3段墻肢的1/2洞口高度處，12#、14#、16#應(yīng)變片設(shè)置在墻片B洞口兩側(cè)墻段的1/2洞口高度處，21#、23#、25#應(yīng)變片設(shè)置在墻片C洞口兩側(cè)墻段的1/2洞口高度處，以采集墻段的應(yīng)變信息。各應(yīng)變片方向相同，均與水平線呈45°夾角。同一墻體中兩個窗洞之間的墻肢比窗洞邊墻肢的應(yīng)變大；由于軸壓比較大，相比其他兩道墻體A、C發(fā)生的應(yīng)變，中間墻片B破壞時其發(fā)生的應(yīng)變?。ㄒ妶D6～8）。

4.2.2 不同墻片相同位置處應(yīng)變比較

選取A、B、C3片墻體的右側(cè)墻肢上的應(yīng)變片數(shù)據(jù)進行對比分析，該位置處的墻肢在試驗過程中出現(xiàn)剪切斜裂縫，選取前2 000 s采集的數(shù)據(jù)進行分析，且在加載全過程中，由于墻片A的#3應(yīng)變數(shù)據(jù)異常，因此僅對比#12和#21應(yīng)變片數(shù)據(jù)。兩應(yīng)變片在100 s、150 s、200 s、300 s、350 s、400 s及600 s和1 000 s等加載時刻應(yīng)變數(shù)值分別為：#12應(yīng)變10με、25με、40με、90με、105με、106με、117με、118με，其應(yīng)變增量△μ=118με；#21應(yīng)變0με、20με、35με、47με、46με、44με、62με、71με，應(yīng)變增量△μ=71με。由兩應(yīng)變增量可見，在試驗加載初期墻片B承擔更多的水平力，這一結(jié)論得到了試驗現(xiàn)象的驗證，在試驗過程中B墻片的中間墻段最早出現(xiàn)對角斜裂縫，隨后墻片A、C的相應(yīng)位置出現(xiàn)相似的裂縫（圖9）。

4.3 滯回曲線

滯回曲線是結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的荷載-變形曲線，綜合反映了結(jié)構(gòu)的變形能力，耗能能力和結(jié)構(gòu)剛度退化等力學(xué)性能。此次試驗3道墻體的滯回曲線見圖10。

在開裂前滯回環(huán)狹長且其滯回面積小，砌體處于彈性工作階段，開裂后砌體位移逐漸增大，滯回環(huán)面積逐漸增大，滯回環(huán)呈梭形。達到極限荷載后滯回環(huán)面積繼續(xù)增大，滯回環(huán)由梭形逐漸過渡到矩形，卸載后的殘余變形（荷載為零時）[6]也較小，顯示出較好的恢復(fù)性能。

4.4 骨架曲線

骨架曲線是荷載變形曲線中各加載級的峰值點依次相連而得到的包絡(luò)線。它反映了最大荷載的軌跡，結(jié)構(gòu)不同階段受力和變形的特點，是確定恢復(fù)力模型中力學(xué)特征點的重要依據(jù)。墻片模型的開裂位移、開裂荷載、屈服位移、屈服荷載、最大承載力及極限位移見表3，骨架曲線見圖11。

數(shù)據(jù)顯示，在墻體開裂之前，骨架曲線趨向于一條直線，墻片的開裂位移比較?。黄浜髩ζ膭偠葴p小，位移進一步增大，在達到最大承載力后曲線經(jīng)歷一段水平階段再向位移軸彎曲，最后達到極限位移而破壞，表現(xiàn)出了一定的塑形變形特點。

4.5 延性系數(shù)

延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)極限位移Xu與屈服位移Xy之比。延性系數(shù)越大，表明結(jié)構(gòu)可以發(fā)生的塑性變形越大，可以吸收更大的能量。延性系數(shù)計算如下所示。

μ=△u/△y=8.9/1.1=8.1

5 結(jié)語

該文通過對3組不同開洞形式的砌體墻片進行低周反復(fù)荷載作用下的恢復(fù)力試驗研究及試驗結(jié)果分析，得到如下結(jié)論。

（1）開窗洞口高度范圍內(nèi)的墻肢易發(fā)生剪切破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)引起足夠的重視，加強其抗剪強度。

（2）洞角處應(yīng)力集中，墻體容易在此處出現(xiàn)階梯型裂縫，若想提高砌體的開裂荷載應(yīng)在洞角處加強構(gòu)造措施。

（3）豎向正應(yīng)力對砌體的破壞形態(tài)和承載力有重要影響。

參考文獻

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