李勇志，許子宜，陳俊馳

(1.中電建重慶勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 401329; 2.西南交通大學(xué),四川 成都 610031)

1 研究背景

近年來(lái),我國(guó)既有砌體結(jié)構(gòu)房屋在地震作用下出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,主要發(fā)生3種破壞模式[1]:窗間墻破壞模式、窗間墻和窗下墻混合破壞模式、窗下墻破壞模式,其中窗間墻破壞模式震害最為嚴(yán)重,呈現(xiàn)較強(qiáng)的“脆性破壞”特征,易形成倒塌機(jī)制;而窗下墻破壞模式震害最輕,窗下墻裂縫發(fā)展較為緩慢,類似于框架結(jié)構(gòu)中“強(qiáng)柱弱梁”的屈服機(jī)制,易實(shí)現(xiàn)“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)(見(jiàn)圖1)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的加固方法做了大量的研究,王亞勇[2]提出采用高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)對(duì)砌體結(jié)構(gòu)墻體進(jìn)行加固方法,并通過(guò)試驗(yàn)研究得出通過(guò)該加固方法可以提高砌體抗剪承載力約1.5倍;Mohammad A[3]提出利用鋼絲網(wǎng)加固受損墻體,使之加固后的承載力可達(dá)到加固前的兩倍之多;劉培[4-5]和李明[6]通過(guò)試驗(yàn)研究得出鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固砌體墻體可提高墻體抗剪承載力及抗側(cè)移剛度,并研究了不同參數(shù)對(duì)墻體抗震性能的影響程度,并給出通過(guò)該加固方法提高墻體抗剪承載力的理論計(jì)算公式;Razavizadeh A[7]采用鋼筋網(wǎng)灌漿技術(shù)對(duì)砌體墻體進(jìn)行加固,通過(guò)試驗(yàn)研究得出該加固方法可有效提高砌體墻體的抗震性能,驗(yàn)證該方法的優(yōu)越性;孟凡龍[8]通過(guò)對(duì)砌體墻體嵌筋加固的試驗(yàn)研究,分析了不同高寬比下嵌筋加固墻體的極限承載力和破壞特征,得出嵌筋加固可顯著提高墻體極限承載力。傳統(tǒng)的砌體結(jié)構(gòu)加固方法著重于提高各構(gòu)件的承載力,使結(jié)構(gòu)去“硬抗”地震荷載,并沒(méi)有從破壞模式出發(fā),控制砌體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)合理的破壞形式,因此本文通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)3種基于窗下墻破壞形式的加固方法進(jìn)行研究,得出了該方法可有效提高墻體抗震性能,實(shí)現(xiàn)窗下墻破壞的破環(huán)形式,利于抗震目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

2 抗震加固方法

2.1 混凝土條帶加固法

混凝土條帶加固法減小了結(jié)構(gòu)抗震加固對(duì)建筑功能的影響,對(duì)建筑外觀無(wú)太大改變,適用于既有砌體結(jié)構(gòu)和新建砌體結(jié)構(gòu)。其做法是在窗洞兩側(cè)加兩個(gè)豎向混凝土條帶(100 mm×240 mm),在混凝土條帶中設(shè)置豎向鋼筋,并沿水泥灰縫設(shè)置水平鋼筋,水平鋼筋一端錨固于構(gòu)造柱中,一端與豎向鋼筋綁扎在一起,如圖2所示。

2.2 窗下墻設(shè)縫加固

窗下墻設(shè)縫加固施工簡(jiǎn)單且工期短,對(duì)建筑功能影響不大,易實(shí)現(xiàn)窗下墻的破壞模式,但設(shè)縫長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得窗下墻過(guò)早破壞,影響使用。其做法是在窗下墻兩邊設(shè)置同樣大小的縫,削弱窗下墻使之相較于窗間墻率先破壞,如圖3所示。

2.3 窗間墻寬度增大加固

窗間墻寬度增大加固法是通過(guò)提高窗間墻剛度,使其落后于窗下墻發(fā)生破壞,實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的破壞模式,如圖4所示。該方法施工復(fù)雜,影響建筑美觀,適用于窗間墻剛度不足的約束砌體墻體。

根據(jù)上述加固方案的特點(diǎn),從施工難易程度,工期長(zhǎng)短,造價(jià)高低以及建筑功能方面進(jìn)行比較,如表1所示。

表1 加固方法對(duì)比

3 數(shù)值模擬參數(shù)驗(yàn)證

本節(jié)選取文獻(xiàn)[9]中的M2試驗(yàn)墻體作為研究目標(biāo),采用ABAQUS有限元軟件建立整體式模型,通過(guò)觀察其最終的破壞形態(tài),進(jìn)行材料本構(gòu)和建模方法的論證。文獻(xiàn)[9]中M2試驗(yàn)墻體參數(shù)如表2所示。

表2 文獻(xiàn)[9]中M2試驗(yàn)墻體參數(shù)表

根據(jù)試驗(yàn)墻體參數(shù),在ABAQUS軟件中選擇合理的本構(gòu)模型進(jìn)行模擬,具體模型參數(shù)如表3所示。

表3 各構(gòu)件本構(gòu)模型參數(shù)表

有限元模型加載方案同文獻(xiàn)[9]保持一致,在模型頂部施加豎向均布荷載,一側(cè)設(shè)置耦合參考點(diǎn),施加水平位移,最終通過(guò)受拉損傷參數(shù)云圖(DANAGET)來(lái)近似模擬砌體墻的開(kāi)裂程度。對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

有限元模擬結(jié)果顯示的“裂縫”破壞狀態(tài)與試驗(yàn)基本相同,窗間墻呈現(xiàn)明顯的“X型”破壞,窗下墻也出現(xiàn)明顯剪切破壞,驗(yàn)證了所采用模型參數(shù)的可靠性。

為進(jìn)一步驗(yàn)證加固方案的有效性,建立3個(gè)不同的加固模型,采用相同的加載方案,得到不同的破壞形態(tài),如圖6所示。

采用加固方法后,窗下墻破壞最為嚴(yán)重,而窗間墻基本完好無(wú)損,類似于框架結(jié)構(gòu)中“強(qiáng)柱弱梁”的破壞形態(tài)。因此,采用合理的加固方法可控制窗下墻破壞模式的發(fā)生,提高砌體墻體的抗震性能,達(dá)到設(shè)防預(yù)期的目的。

4 加固方法參數(shù)分析

為進(jìn)一步研究加固方案中條帶配筋率、設(shè)縫深度、窗間墻寬度對(duì)加固方法的影響,引入墻體破壞率β來(lái)描述墻體的破壞情況,β越大,墻體受損越嚴(yán)重,一般墻體β大于50%即可認(rèn)為該墻體已發(fā)生破壞。

本文砌體墻體的破壞準(zhǔn)則是依據(jù)文獻(xiàn)[12]推導(dǎo)的砌體墻體抗剪強(qiáng)度平均值的計(jì)算公式,并結(jié)合GB 50003—2011砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范表B.0.1-2計(jì)算得到墻體的抗剪強(qiáng)度計(jì)算值為0.74 MPa,當(dāng)主拉應(yīng)力大于0.74 MPa,砌體墻體發(fā)生破壞(見(jiàn)式(1))。

(1)

其中,Ad為墻體已破壞的面積;A為墻體總面積。

為模擬地震作用下約束砌體墻體的破壞情況,本次加載采用汶川什邡-八角地震波進(jìn)行模擬加載,具體加載方式如圖7所示。

4.1 條帶配筋率

條帶配筋率是混凝土條帶加固法中的重要影響參數(shù),本節(jié)通過(guò)改變條帶鋼筋直徑大小建立5個(gè)不同條帶配筋率(0.23%,0.42%,0.65%,0.94%,1.67%)的約束砌體墻體模型,模型中混凝土條帶均為100 mm×240 mm(長(zhǎng)度×寬度),窗洞尺寸均為1 800 mm×1 500 mm(高度×長(zhǎng)度)。通過(guò)對(duì)比主應(yīng)力云圖,研究不同條帶配筋率下墻體的破壞情況,結(jié)果如圖8所示。

當(dāng)條帶配筋率小時(shí),約束砌體墻體出現(xiàn)窗下墻和窗間墻的破壞模式,且窗間墻破壞最為嚴(yán)重;隨著條帶配筋率的提高,窗間墻破壞程度逐漸降低,明顯向窗下墻破壞模式發(fā)展。根據(jù)式(1)分別計(jì)算墻體的破壞率,結(jié)果如表4所示,并繪制墻體破壞率和條帶配筋率的曲線,如圖9所示。

表4 混凝土條帶加固模擬結(jié)果

當(dāng)條帶配筋率大于0.42時(shí),窗間墻的破壞率逐漸降低,而窗下墻的破壞率基本保持在0.72左右,其變化幅度較小,因此混凝土條帶加固法能夠有效的限制窗間墻的破壞,建議條帶配筋率合理取值為大于0.42%。

4.2 設(shè)縫深度

設(shè)縫深度是窗下墻設(shè)縫加固法中的重要影響參數(shù),本節(jié)通過(guò)改變?cè)O(shè)縫深度建立5個(gè)不同窗下墻設(shè)縫深度的約束砌體墻體模型,設(shè)縫深度分別取值為100 mm,150 mm,200 mm,300 mm,400 mm,其他材料信息均相同。通過(guò)在地震波的作用下得到不同的主應(yīng)力云圖,對(duì)比不同設(shè)縫深度墻體的破壞情況,如圖10所示。

當(dāng)設(shè)縫深度較小時(shí),墻體出現(xiàn)窗下墻和窗間墻的混合破壞,且窗間墻破壞最為嚴(yán)重,隨著設(shè)縫深度的加大,窗間墻破壞逐漸減小,窗下墻的破壞加劇,出現(xiàn)合理的窗下墻破壞模式,但隨著設(shè)縫深度繼續(xù)加大,窗間墻高度增加,窗下墻和窗間墻均出現(xiàn)了破壞。根據(jù)式(1)分別計(jì)算墻體的破壞率,結(jié)果如表5所示,并繪制墻體破壞率和設(shè)縫深度的曲線,如圖11所示。

表5 窗下墻設(shè)縫深度加固的模擬結(jié)果

當(dāng)設(shè)縫深度大于150 mm時(shí),窗間墻破壞明顯減小,窗下墻破壞加劇,隨著設(shè)縫深度逐漸加大,窗間墻破壞率維持在0.15左右,基本不發(fā)生破壞,而窗下墻破壞率維持在0.9左右,均發(fā)生明顯破壞,當(dāng)設(shè)縫深度大于300 mm時(shí),窗間墻與窗下墻的連接減弱,使得窗間墻破壞率加大,而窗間墻破壞率基本不變,因此設(shè)縫深度不宜過(guò)小且不宜過(guò)大,建議設(shè)縫深度合理取值范圍為150 mm～300 mm。

4.3 窗間墻寬度增大

窗間墻寬度能夠影響窗間墻剛度,從而影響墻體的破壞模式。本節(jié)建立4個(gè)不同窗間墻寬度的約束砌體模型,窗間墻寬度分別為800 mm,900 mm,1 000 mm,1 200 mm,其他材料信息均相同。通過(guò)在地震波的作用下得到不同的主應(yīng)力云圖,對(duì)比不同窗間墻寬度墻體的破壞情況,如圖12所示。

當(dāng)窗間墻寬度較小時(shí),墻體出現(xiàn)窗間墻和窗下墻混合破壞模式,且窗間墻破壞程度最大,隨著窗間墻寬度加大,窗間墻破壞程度逐漸減小,窗下墻破壞基本不變[11-12]。根據(jù)式(1)分別計(jì)算墻體的破壞率,結(jié)果如表6所示,并繪制墻體破壞率和窗間墻寬度的關(guān)系曲線,如圖13所示。

表6 窗間墻寬度加固的模擬結(jié)果

當(dāng)窗間墻寬度大于800 mm時(shí),窗間墻破壞明顯減小,而窗下墻破壞明顯增強(qiáng),而隨著窗間墻寬度的加大,窗間墻剛度加大,破壞基本不變,墻體破壞率維持在0.1左右,同時(shí)窗下墻寬度減小,墻體破壞率維持在0.8左右,但最終均出現(xiàn)窗下墻破壞的合理模式,因此,建議窗間墻寬度合理取值范圍為大于800 mm。

4.4 條帶配筋率和設(shè)縫深度

為研究條帶配筋率和窗下墻設(shè)縫深度等雙因素對(duì)砌體墻體抗震性能的影響,本節(jié)建立9個(gè)不同條帶配筋率和窗下墻設(shè)縫深度的約束砌體墻體模型,如表7所示。在地震波的作用下得到不同的主應(yīng)力云圖,對(duì)比9個(gè)約束砌體墻體的破壞情況,如圖14所示。

表7 約束砌體墻體模型信息

在雙因素作用下,砌體墻體均發(fā)生窗下墻破壞模式,且隨著設(shè)縫深度的增加,窗下墻破壞程度加劇,而窗間墻由于受到混凝土條帶的約束作用,窗間墻破壞程度較低;隨著條帶配筋率的增加,窗間墻及窗下墻破壞程度降低。根據(jù)式(1)分別計(jì)算墻體的破壞率,如表8所示;并繪制不同條帶配筋率下,墻體破壞率和窗下墻設(shè)縫深度的關(guān)系曲線以及不同窗下墻設(shè)縫深度下,墻體破壞率和條帶配筋率的關(guān)系曲線,如圖15,圖16所示。

表8 雙因素加固墻體的模擬結(jié)果

在兩種加固方法作用下,墻體破壞率變化幅度均不大。當(dāng)條帶配筋率小于0.94%時(shí),隨著設(shè)縫深度的增加,窗下墻破壞率呈下降趨勢(shì),而當(dāng)條帶配筋率等于2.62%時(shí)窗下墻破壞率反而呈上升趨勢(shì),窗間墻破壞率在不同條帶配筋率下隨設(shè)縫深度的加大均呈下降趨勢(shì);當(dāng)設(shè)縫深度為200 mm時(shí),隨著條帶配筋率的增加,窗下墻破壞率呈下降趨勢(shì),窗間墻破壞率先呈下降再呈上升趨勢(shì);當(dāng)設(shè)縫深度為300 mm時(shí),窗下墻的破壞呈下降趨勢(shì),窗間墻破壞率反而呈上升趨勢(shì),但上升幅度明顯變緩;當(dāng)設(shè)縫深度為400 mm時(shí),窗下墻破壞率呈上升趨勢(shì),窗間墻破壞率先呈下降再呈上升趨勢(shì),結(jié)合本文的模擬數(shù)據(jù),在條帶配筋率為0.94%,設(shè)縫深度為200 mm的條件下,窗間墻的破壞率最小,窗下墻的破壞率最大,為典型的窗下墻破壞模式,因此建議在混凝土條帶加固和窗下墻設(shè)縫深度加固的作用下,混凝土條帶配筋率0.94%且窗下墻設(shè)縫深度為200 mm。

5 結(jié)論

本文通過(guò)總結(jié)砌體結(jié)構(gòu)相關(guān)地震震害現(xiàn)象,提出3種基于破壞模式的砌體結(jié)構(gòu)加固方法,并通過(guò)有限元軟件在驗(yàn)證了相關(guān)模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,建立4組約束砌體墻體有限元模型,通過(guò)對(duì)比破壞形態(tài)及墻體破壞率,探究了單因素(條帶配筋率、窗下墻設(shè)縫深度、窗間墻寬度)和雙因素(條帶配筋率和窗下墻設(shè)縫深度)變化對(duì)約束砌體墻體的破壞模式的影響,得到結(jié)論如下:

1)3種加固方法可以有效控制窗間墻的破壞,實(shí)現(xiàn)合理的窗下墻破壞模式,提高了砌體墻體的抗震性能,達(dá)到設(shè)防預(yù)期的目的。

2)在混凝土條帶加固法中,隨著條帶配筋率的增大,砌體墻體的破壞模式從窗間墻和窗下墻混合破壞模式逐步轉(zhuǎn)變成窗下墻的破壞模式。因此混凝土條帶加固法能夠有效的限制窗間墻的破壞,建議條帶配筋率合理取值為大于0.42%。

3)在窗下墻設(shè)縫加固法中,隨著設(shè)縫深度的增大,砌體墻體的破壞模式從窗間墻和窗下墻混合破壞模式逐步轉(zhuǎn)變成窗下墻的破壞模式,但設(shè)縫深度不宜過(guò)大,否則窗間墻和窗下墻的相互約束會(huì)不斷減弱,使得窗下墻過(guò)早破壞,同樣不利于破壞模式的控制。因此建議設(shè)縫深度合理取值范圍為150 mm～300 mm。

4)在窗間墻寬度增大加固法中,當(dāng)窗間墻寬度小于800 mm時(shí),墻體出現(xiàn)窗間墻和窗下墻混合破壞模式,隨著窗間墻寬度的加大,窗間墻的破壞程度逐步降低,窗下墻的破壞程度基本不變,最終呈現(xiàn)為窗下墻的破壞模式。因此建議窗間墻寬度合理取值范圍為大于800 mm。

5)混凝土條帶加固法和窗下墻設(shè)縫加固法雙重作用下,可以有效的控制破壞模式的出現(xiàn),建議混凝土條帶配筋率0.94%且窗下墻設(shè)縫深度為200 mm。