劉祖強, 梁鈺強, 張風(fēng)亮, 薛建陽

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室,西安 710055;3.陜西省建筑科學(xué)研究院有限公司,西安 710082)

砌體結(jié)構(gòu)在我國房屋建造體系中充當(dāng)著極為重要的角色。它取材方便、造價低、耐火性能好,因而得到廣泛應(yīng)用。特別是在發(fā)展相對滯后的一些縣城及我國的絕大部分農(nóng)村,砌體結(jié)構(gòu)房屋是應(yīng)用最多的結(jié)構(gòu)形式[1]。

我國地震區(qū)域廣闊,地震活動頻繁而強烈[2]。在地震作用下,砌體結(jié)構(gòu)因其延性和整體性差而受損嚴(yán)重[3-4]。近年來國家已將“地震易發(fā)區(qū)房屋設(shè)施加固工程”列入自然災(zāi)害防治的“九大”工程,上升到國家戰(zhàn)略層面[5]。砌體結(jié)構(gòu)大多位于經(jīng)濟水平相對落后的地區(qū)。因此,如何保證砌體結(jié)構(gòu)抗震加固效果并有效降低工程成本成為關(guān)鍵。

打包帶網(wǎng)價格低廉、取材方便,并且變形能力強、耐久性好[6],在砌體結(jié)構(gòu)加固中得到應(yīng)用。Sathiparan等先后采用打包帶網(wǎng)對單層石砌體房屋[7]、帶拱形屋頂?shù)膯螌哟u砌體房屋[8]和兩層磚砌體房屋[9]進行加固,并對加固模型進行振動臺試驗。結(jié)果表明,未加固模型的墻體會發(fā)生突然的脆性破壞,導(dǎo)致模型整體破壞,而打包帶網(wǎng)能夠有效防止墻體脆性破壞,并有助于墻體內(nèi)部載荷重新分配,使得加固模型具有較大的延性儲備;孫柏濤等[10]對采用打包帶網(wǎng)加固的西藏典型單層混凝土砌塊房屋進行振動臺試驗,結(jié)果表明,打包帶網(wǎng)加固能夠顯著提高墻體的整體性,減輕墻體震損;周強等[11]對打包帶網(wǎng)加固磚砌體墻進行低周反復(fù)加載試驗,結(jié)果表明,打包帶網(wǎng)可有效改善磚砌體墻的抗震性能,對于提高墻體的承載、變形和耗能能力效果顯著;張風(fēng)亮等[12]采用打包帶網(wǎng)對殘損磚箍窯洞進行加固,并對加固模型進行振動臺試驗,結(jié)果表明,打包帶網(wǎng)加固磚箍窯洞抗震性能良好、耗能能力強、成本低廉,可在殘損砌體結(jié)構(gòu)加固中推廣應(yīng)用。

聚丙烯網(wǎng)與打包帶網(wǎng)的材料組成和價格均相近,但前者的整體受力性能和施工性能比后者更優(yōu)越,如圖1所示。因為聚丙烯網(wǎng)為成品材料,可批量化生產(chǎn),連接強度高,平整度好,而打包帶網(wǎng)是由縱、橫向打包帶人工連接而成,耗時長,連接強度不易保證,且在施工過程中容易起鼓。因此,在前期研究基礎(chǔ)上,提出采用聚丙烯網(wǎng)對磚砌體結(jié)構(gòu)進行抗震加固,既能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,又能顯著降低施工造價,便于在經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)的砌體結(jié)構(gòu)房屋加固中全面推廣。

(a) 聚丙烯網(wǎng)

以陜西省藍田縣典型的單層兩開間磚砌體結(jié)構(gòu)房屋為原型,制作1∶2的縮尺模型,對其進行聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固,并對加固模型進行地震模擬振動臺試驗及其有限元模擬,研究加固模型的破壞特征、動力特性和地震響應(yīng)變化規(guī)律,分析是否加固、面層砂漿強度、聚丙烯網(wǎng)格間距等對磚砌體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,結(jié)果可為聚丙烯網(wǎng)加固磚砌體結(jié)構(gòu)房屋的設(shè)計與施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 模型設(shè)計

以陜西省藍田縣典型的單層雙開間磚砌體結(jié)構(gòu)房屋為試驗原型。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計基本地震加速度值為0.2g,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計地震分組為第二組。

限于加載設(shè)備尺寸及承載能力的限制,本試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為欠人工質(zhì)量模型[13]。試驗?zāi)Ｐ偷膸缀蜗嗨票热?.5,加速度相似比取1.5,彈性模量相似比取1,其他參數(shù)的相似比根據(jù)量綱分析法確定,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗?zāi)Ｐ拖嗨脐P(guān)系

縮尺后,試驗?zāi)Ｐ偷钠矫娉叽鐬? 600 mm×2 250 mm,檐口高度為1 500 mm,山墻尖高度為1 900 mm,具體幾何尺寸如圖2所示。

(a) 平面

根據(jù)實地調(diào)研結(jié)果,確定試驗?zāi)Ｐ筒捎玫臒Y(jié)黏土磚和砌筑砂漿的強度等級分別為MU10和M1,實測磚塊的抗壓強度平均值為10.51 MPa,砌筑砂漿的立方體(70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)抗壓強度平均值為1.27 MPa。

試驗?zāi)Ｐ偷募庸淘O(shè)計根據(jù)DB 61/T 5005—2021 《聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿抗震加固砌體農(nóng)房墻體應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》進行。聚丙烯網(wǎng)格間距選40 mm,根據(jù)單肋法[14]測定其極限拉應(yīng)力和彈性模量分別171.2 MPa和2 006 MPa。抹面砂漿的強度等級確定為M10,實測其立方體抗壓強度平均值為14.1 MPa。

經(jīng)過設(shè)計,橫墻作為承重墻體,采用雙側(cè)加固;縱墻作為自承重墻體,采用外側(cè)加固。在此基礎(chǔ)上,沿門窗洞口四周,在縱墻的兩側(cè)分別增設(shè)一層寬度為120 mm的聚丙烯網(wǎng),以防止洞口角部過早開裂;同時,在檐口高度和墻底部,沿模型四周在內(nèi)外兩側(cè)分別增設(shè)120 mm的聚丙烯網(wǎng),并在縱橫墻交接處的內(nèi)外兩側(cè)分別增設(shè)240 mm的聚丙烯網(wǎng),以加強結(jié)構(gòu)的整體性。

根據(jù)等效密度相似比,計算試驗?zāi)Ｐ托枰┘拥娜斯づ渲觅|(zhì)量為2.6 t。

1.2 模型制作

模型砌筑在混凝土基礎(chǔ)上。根據(jù)幾何縮尺比,標(biāo)準(zhǔn)磚被切割成模型磚使用,考慮切割磨損,模型磚的實際尺寸為115 mm×53 mm×26 mm;砌筑灰縫厚度取5 mm。砌筑過程中,建筑模型砌筑細節(jié)如圖3所示?？v橫墻交接處留馬牙槎(見圖3(a)),門窗洞口上部設(shè)置鋼筋磚過梁(見圖3(b))。砌筑完成后,圓木檁條擱置在橫墻頂部(見圖3(c))。

(a) 馬牙槎

模型加固時,先去除墻面灰塵和異物,并對其澆水;待墻面沒有明水之后,涂抹第一層抹面砂漿,厚度為8 mm;第一層抹面砂漿完成1～2 h后,鋪設(shè)聚丙烯網(wǎng),如圖4所示。采用長度不小于50 mm的鋼釘按梅花狀釘入磚墻,深度不小于20 mm,間距不大于300 mm,以增強加固層與砌體墻的粘結(jié),并輔助聚丙烯網(wǎng)固定;聚丙烯網(wǎng)安裝完成后,立即涂抹第二層抹面砂漿,厚度為12 mm,分2～3遍抹壓,保證聚丙烯網(wǎng)無外漏;最后抹面砂漿收光,確保墻面平整。

(a) 外側(cè)

模型采用木板作為屋面板。人工配重采用鉛塊,為便于放置,在屋面板上采用方木條制作限位框,如圖5所示。待人工配重施加完成后,安裝硬紙板打印的瓦面,試驗?zāi)Ｐ椭谱魍瓿?如圖6所示。

1.3 加載與測試

依據(jù)現(xiàn)行GB 50011—2010 《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》,時程分析時天然地震波的數(shù)量不應(yīng)少于輸入地震波總數(shù)的2/3,故本文根據(jù)原型結(jié)構(gòu)所在地區(qū)的場地類別和設(shè)計地震分組,選取El Centro波、Taft波和藍田波作為輸入地震波,其中前兩者為天然地震波,后者為人工模擬而成的地震波。三條地震波在八度設(shè)防(0.2g)地震下加速度反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜的對比,如圖7所示。由圖7可知,三條地震波的加速度反應(yīng)譜和設(shè)計反應(yīng)譜符合較好,滿足試驗要求。

圖7 反應(yīng)譜對比

加載分10級進行,輸入的地震波峰值地面加速度(peak ground acceleration,PGA)依次為0.053g、0.105g、0.15g、0.21g、0.3g、0.465g、0.6g、0.75g、0.93g和1.0g。每級按X向、Y向、XY雙向和XYZ三向分別輸入地震波(其中,X向、Y向和Z向分別為模型的縱墻方向、模型的橫墻方向和豎向),各方向的輸入加速度峰值,如表2所示。1～6級在每個加載方向依次輸入藍田波、Taft波和El Centro波,7～10級僅輸入El Centro波。每級加載前后均對試驗?zāi)Ｐ瓦M行白噪聲掃頻,以獲取模型的動力特性。

表2 輸入加速度峰值

加載過程中,試驗?zāi)Ｐ偷募铀俣群臀灰祈憫?yīng)分別采用加速度傳感器和位移傳感器拾取,主要在基礎(chǔ)頂面、墻根、縱墻和橫墻的形心、檐口高度和山墻尖布置,數(shù)量分別為36個和12個。

2 加載過程及破壞現(xiàn)象

當(dāng)輸入地震波峰值加速度從0.053g增加到0.15g,試驗?zāi)Ｐ头磻?yīng)較小,各部位均未出現(xiàn)開裂與明顯變形,試驗?zāi)Ｐ吞幱趶椥怨ぷ鳡顟B(tài)。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.21g(九度多遇地震)時,試驗?zāi)Ｐ烷_始有動力反應(yīng),細微裂縫在南、北縱墻窗角、北縱墻的檁條下部及縱橫墻交接處出現(xiàn)。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.3g(八度設(shè)防地震)時,試驗?zāi)Ｐ土芽p未見明顯擴張和延伸,地震損傷較為輕微。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.465g(7.5度罕遇地震)時,門角開裂,南、北縱墻的檁條下方新增數(shù)條裂縫,原有裂縫均有延伸。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.6g(8度罕遇地震)時,試驗?zāi)Ｐ头磻?yīng)比較劇烈,門窗角部裂縫進一步擴張,東、西山墻開始出現(xiàn)裂縫。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.75g時,窗角及門角新增數(shù)條微裂縫,縱橫墻交接處裂縫有較大延伸。當(dāng)輸入地震波峰值達到0.93g(9度罕遇地震)時,原有裂縫進一步擴張,并新增數(shù)條裂縫,部分裂縫周圍出現(xiàn)掉皮現(xiàn)象。當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到1.0g時,試驗?zāi)Ｐ头磻?yīng)劇烈,原有裂縫進一步延伸和擴展,并有多條新裂縫出現(xiàn)在門窗角部及縱橫墻交接處。試驗?zāi)Ｐ妥罱K的裂縫分布,如圖8所示。

(a) 南縱墻

由圖8可知,試驗?zāi)Ｐ偷牧芽p主要集中分布在門窗角部、縱橫墻交接處及縱墻的檁條下方,盡管這些部位在加固時均進行了局部加強處理,但仍然是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。與自承重的縱墻相比,承重橫墻裂縫少得多,這主要是因為橫墻為雙側(cè)加固,而縱墻為單側(cè)加固,另外,門窗洞口集中分布在縱墻上。試驗?zāi)Ｐ驼w損傷輕微,抹面砂漿層、聚丙烯網(wǎng)、砌體墻之間共同工作性能良好,并未發(fā)生明顯的粘結(jié)破壞。

3 有限元模型的建立

采用ABAQUS建立聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)有限元模型,該模型包括3個非獨立的部件,分別是磚砌體、聚丙烯網(wǎng)和水泥砂漿面層。

砌體結(jié)構(gòu)常見的有限元建模方式有整體式和離散式兩種?？紤]到模型的復(fù)雜性,且本文主要關(guān)注的是磚砌體結(jié)構(gòu)加載前后的宏觀變化,故這里采用整體式建模。劃分單元時,磚砌體和水泥砂漿面層選用實體單元C3D8R,聚丙烯網(wǎng)選用殼單元S4R。磚砌體與水泥砂漿面層之間的接觸為綁定,聚丙烯網(wǎng)與水泥砂漿面層的接觸定義為嵌入。

試驗?zāi)Ｐ褪┘尤斯づ渲觅|(zhì)量是為了滿足動力相似關(guān)系,其中人工配置的質(zhì)量根據(jù)等效密度相似比確定的。有限元建模時,采用直接增加材料密度的方式與試驗?zāi)Ｐ偷娜斯づ渲觅|(zhì)量相匹配,既可滿足動力相似關(guān)系,又能簡化建模過程。建成后的有限元模型,如圖9所示。

圖9 單層磚砌體結(jié)構(gòu)有限元模型

對于磚砌體的受壓本構(gòu),選用楊衛(wèi)忠[15]提出的砌體單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,如式(1)所示。

(1)

式中:εcm為砌體的受壓峰值應(yīng)變,按式(2)計算;η為系數(shù),取1.633;fcm為砌體的受壓峰值應(yīng)力,按式(3)計算;f1、f2分別指砌塊和水泥砂漿的抗壓強度平均值。

(2)

(3)

砌體受拉破壞通常由砂漿灰縫開裂引起,并發(fā)展迅速,破壞情況與混凝土結(jié)構(gòu)的受拉破壞極為相似,故本文的磚砌體受拉本構(gòu)關(guān)系采用GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系,其抗拉強度平均值按式(4)計算。

(4)

式中,k3為系數(shù),取0.075。

目前,可靠度較高的水泥砂漿本構(gòu)關(guān)系尚未見報道?？紤]到水泥砂漿的受力性能與混凝土存在較多相似性,采用Desayi和Krishnan提出的混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系來描述水泥砂漿的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[16],如式(5)所示。

(5)

式中:εcp0為水泥砂漿的受壓峰值應(yīng)變,取εcp0=2f2/Ep0;Ep0為水泥砂漿的初始彈性模量,取Ep0=1.25Ep;Ep為水泥砂漿的彈性模量,按式(6)計算[17]。

(6)

水泥砂漿的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Hiberborg提出的混凝土受拉線彈性模型來描述,即上升段和下降段均為直線,具體如式(7)所示。

(7)

式中:εtp0為水泥砂漿的單軸受拉峰值應(yīng)變;εtpu為水泥砂漿的單軸受拉極限應(yīng)變,取εtpu=4εtp0。

根據(jù)材性試驗可知,聚丙烯網(wǎng)的單軸受拉荷載-位移曲線近似呈一條直線,因此將聚丙烯網(wǎng)視為一種線彈性材料,其受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系見式(8)。

σ=Egε

(8)

式中,Eg為聚丙烯網(wǎng)的彈性模量。

4 有限元模型計算結(jié)果的驗證與分析

4.1 動力特性對比分析

利用ABAQUS中的線性攝動對加固磚砌體結(jié)構(gòu)進行自振頻率計算,得出模型的一階和二階自振頻率,并將其與試驗數(shù)據(jù)進行對比,如表3所示。其中,試驗?zāi)Ｐ偷淖哉耦l率通過白噪聲掃頻測得。

由表3可知,模擬與試驗在X向和Y向自振頻率的誤差分別為15.32%和20.74%。產(chǎn)生誤差的原因主要有:①試驗?zāi)Ｐ痛嬖谥谱髡`差,使得試驗?zāi)Ｐ偷纳皾{面層厚度、墻體厚度均與有限元模型存在一定的偏差;②材料參數(shù)的測定存在一定誤差,使得試驗?zāi)Ｐ团c有限元模型的各種材料性能存在一定偏差;③有限元軟件中自振頻率測定是以材料無損傷為基礎(chǔ),而試驗?zāi)Ｐ痛嬖谝欢ǖ膿p傷。

4.2 動力響應(yīng)對比分析

考慮到加載工況較多,本節(jié)只對試驗和模擬得到的部分加速度與位移響應(yīng)進行對比分析。在輸入加速度峰值為0.105g(八度多遇)、0.3g(八度設(shè)防)和0.6g(八度罕遇)的X向El Centro波作用下,試驗?zāi)Ｐ团c有限元模型的西山墻尖X向加速度曲線與位移曲線對比,如圖10和圖11所示,相應(yīng)的加速度峰值與位移峰值對比,如表4和表5所示。

表4 El Centro波作用下西山墻尖加速度峰值對比

表5 El Centro波作用下西山墻尖位移峰值對比

(a) 輸入地震波峰值加速度0.105g

(a) 輸入地震波峰值加速度0.105g

由圖10和圖11及表4和表5可知,模擬與試驗得到的加速度和位移時程曲線的吻合度較高、峰值點數(shù)據(jù)接近。二者的動力響應(yīng)存在一定偏差的原因是試驗?zāi)Ｐ团c有限元模型在幾何尺寸、材料參數(shù)等方面均有差異,同時,隨著輸入地震波峰值加速度的增加,試驗?zāi)Ｐ痛嬖诶鄯e損傷,而有限元模型在每次加載前均為無損傷模型。

4.3 地震損傷對比分析

有限元模型產(chǎn)生的裂縫雖然無法直接輸出,但可通過模型的塑性損傷情況判斷有限元模型產(chǎn)生破壞的部位。由于砂漿、砌塊等均是受拉破壞應(yīng)力遠小于受壓破壞應(yīng)力,因此可采用受拉損傷進行模型的塑性損傷分析。模型在輸入加速度峰值為0.105g(八度多遇)、0.3g(八度設(shè)防)和0.6g(八度罕遇)的El Cento波作用下,受拉損傷分布如圖12所示。

(a) 加速度峰值0.105g(八度多遇)

由圖12可知:有限元模型在輸入地震波峰值加速度為0.105g時模型基本無損傷;在輸入地震波峰值加速度達到0.3g時,模型橫墻基本無損傷,北縱墻與東山墻交接處發(fā)生破壞;在輸入地震波峰值加速度達到0.6g(八度罕遇)時,模型出現(xiàn)較為明顯的損傷,縱橫墻交接處及門洞角部均發(fā)生破壞。上述有限元模型的受拉損傷情況與相同加載工況下試驗?zāi)Ｐ偷牧芽p分布總體上較為一致,縱橫墻交接處及洞口角部損傷相對嚴(yán)重。

從動力特性、動力響應(yīng)及地震損傷對比結(jié)果可知,有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果符合較好,能夠滿足精度要求,表明本文建立的有限元模型能夠較好地模擬聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力響應(yīng)。

4.4 聚丙烯網(wǎng)應(yīng)力分析

聚丙烯網(wǎng)的應(yīng)力在試驗過程中實測較為困難,因此本文根據(jù)有限元計算結(jié)果對聚丙烯網(wǎng)的應(yīng)力進行分析。模型在輸入加速度峰值為0.105g(八度多遇)、0.3g(八度設(shè)防)和0.6g(八度罕遇)的三向El Centro波作用下峰值加速度對應(yīng)的東山墻和北縱墻的聚丙烯網(wǎng)應(yīng)力分布,如圖13所示。

(a) 輸入地震波峰值加速度0.105g

由圖13可知,隨著輸入地震波峰值加速度的增加,聚丙烯網(wǎng)的應(yīng)力逐漸增加,但當(dāng)輸入地震波峰值加速度達到0.6g時,聚丙烯網(wǎng)的應(yīng)力仍然較小,遠低于其極限抗拉強度,表明加固模型的聚丙烯網(wǎng)布置較多,有待對其進行優(yōu)化。聚丙烯網(wǎng)的應(yīng)力在洞口角部最大,這與試驗中該處開裂較為嚴(yán)重相吻合,再次說明洞口角部是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),在抗震加固中需要重點關(guān)注。

5 參數(shù)分析

基于所建立的聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)有限元模型,對是否加固、面層水泥砂漿強度、聚丙烯網(wǎng)格間距等進行參數(shù)分析,提出加固設(shè)計與施工建議。

5.1 聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固效果分析

將聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型(試驗?zāi)Ｐ?、水泥砂漿面層加固模型(在試驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)上去掉聚丙烯網(wǎng))和未加固模型(在試驗?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上去掉加固面層)的地震響應(yīng)進行對比,分析聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固對磚砌體結(jié)構(gòu)抗震能力的提升效果。

輸入加速度峰值為0.6g(八度罕遇)的X向El Centro波作用下,三個模型的西山墻形心加速度時程曲線如圖14所示。受拉損傷塑性分布如圖15所示。

(a) 聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型

(a) 聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型

由圖14可知,輸入加速度峰值為0.6g的X向El Centro波作用下,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型、水泥砂漿面層加固模型和未加固模型在西山墻形心處的加速度時程曲線不僅形狀有差異,加速度峰值差距更大,水泥砂漿面層加固模型和未加固模型的加速度峰值平均值分別為聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型的3.02倍和4.87倍。由此表明,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固能夠顯著提升磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能,其中聚丙烯網(wǎng)作用明顯。

由圖15可知:輸入加速度峰值為0.6g的X向El Centro波作用下,未加固模型出現(xiàn)嚴(yán)重破壞,南面縱墻在門窗洞口角部開裂,且門上墻斷裂,縱橫墻交接處的裂縫較長,部分裂縫沿房屋高度貫穿整個墻截面;水泥砂漿面層加固模型在門窗洞口角部及縱橫墻交接處均出現(xiàn)裂縫,但未出現(xiàn)貫穿裂縫,破壞較未加固模型輕微;聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固模型的裂縫少且短,在三個模型中破壞最輕微。由此表明,聚丙烯網(wǎng)能夠有效抑制地震作用下磚砌體結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生及延伸,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固效果良好。

5.2 面層水泥砂漿強度

試驗?zāi)Ｐ偷拿鎸铀嗌皾{強度為M10,在此基礎(chǔ)上增加面層水泥砂漿強度為M20和M30的模型,對3個模型輸入加速度峰值為0.6g(八度罕遇)的X向El Centro波,得到西山墻尖和檐口高度(西山墻南側(cè)、中部和北側(cè))的最大相對位移,以及受拉損傷塑性分布,分別如表6和圖16所示。

表6 不同面層水泥砂漿強度模型的最大相對位移

(a) M10面層水泥砂漿

由表6可知,隨著面層水泥砂漿強度增加,西山墻尖和檐口高度的最大相對位移逐漸減小,尤其是面層水泥砂漿強度達到M30時,最大相對位移減小幅度較大;盡管如此,檐口高度在西山墻南側(cè)和北側(cè)的最大相對位移差值卻隨著面層水泥砂漿強度的提高而增大(強度等級M10、M20和M30對應(yīng)的最大位移差值分別為0.651 mm、0.818 mm和0.827 mm),這主要是因為面層水泥砂漿強度的提高,使得南北縱墻抗側(cè)剛度的差值增加。與試驗結(jié)果一樣,山墻中部的最大相對位移比兩側(cè)大,山墻外閃明顯,且隨著面層水泥砂漿強度增加,這種現(xiàn)象并未得到緩解,反而更顯著。

由圖16可知,在輸入加速度峰值為0.6g的X向El Centro波作用下,模型的損傷隨著面層水泥砂漿強度的提高而逐漸減輕。采用M10的面層水泥砂漿時,模型在縱橫墻交接處及門窗洞口附近出現(xiàn)局部破壞,但模型整體損傷較小;當(dāng)面層水泥砂漿強度達到M20后,模型表面基本無損壞。

由上述分析可知,對于抗震設(shè)防烈度不高于八度的地區(qū),磚砌體結(jié)構(gòu)加固中建議采用M10等級的面層水泥砂漿;對于抗震設(shè)防烈度高于八度的地區(qū),建議采用強度等級不低于M30的面層水泥砂漿。

5.3 聚丙烯網(wǎng)格間距

試驗?zāi)Ｐ筒捎玫木郾┚W(wǎng)格間距為40 mm×40 mm,基于此增加網(wǎng)格間距為50 mm×50 mm和60 mm×60 mm的兩個模型,并對3個模型輸入加速度峰值為0.6g(八度罕遇)的X向的El Centro波,得到山墻尖和檐口高度(西山墻南側(cè)、中部和北側(cè))的最大相對位移及受拉損傷塑性分布,分別如表7和圖17所示。

表7 不同聚丙烯網(wǎng)格間距模型的最大相對位移

(a) 網(wǎng)格間距40 mm×40 mm

由表7可知,在加速度峰值為0.6g的X向El Centro波作用下,隨著聚丙烯網(wǎng)格間距增大,模型的最大相對位移越來越大;網(wǎng)格間距為40 mm×40 mm、50 mm×50 mm和60 mm×60 mm的模型在八度罕遇地震下,西山墻的最大側(cè)移角分別達到1/258(檐口高度西山墻中部)、1/183(西山墻尖)和1/165(西山墻尖),根據(jù)已有研究成果[18]判定,后兩者已經(jīng)進入嚴(yán)重破壞狀態(tài),不宜繼續(xù)使用。

由圖17可知,隨著聚丙烯網(wǎng)格間距增大,模型的破損逐漸增加;當(dāng)網(wǎng)格間距為40 mm×40 mm時,模型整體裂縫較少,能夠滿足正常使用的要求,但當(dāng)網(wǎng)格間距增大到50 mm×50 mm時,模型破損較為嚴(yán)重,部分縱橫墻交接處的裂縫已經(jīng)接近貫通整個墻截面。

綜上所述,對于抗震設(shè)防烈度不低于八度的地區(qū),建議磚砌體結(jié)構(gòu)加固所采用的聚丙烯網(wǎng)格間距不大于40 mm×40 mm。

6 結(jié) 論

本文采用振動臺試驗及其數(shù)值模擬對聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能進行研究,得到以下主要結(jié)論:

(1) 地震作用下,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)主要在門窗角部、縱橫墻交接處及縱墻的檁條下方產(chǎn)生裂縫,盡管這些部位在加固時均進行了局部加強處理,但仍然是結(jié)構(gòu)的薄弱部位。

(2) 采用ABAQUS軟件建立了聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)的有限元模型,并將模型的動力特性、加速度和位移響應(yīng)及地震損傷分布的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比分析,二者吻合度較高,表明所建立的有限元模型能夠較好地模擬聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

(3) 聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固能夠有效提升磚砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能,抑制強震作用下裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,減小動力響應(yīng),其中聚丙烯網(wǎng)作用顯著。

(4) 隨著面層水泥砂漿強度的提高,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)的地震損傷和動力響應(yīng)均逐漸減小,建議抗震設(shè)防烈度不高于八度的地區(qū)采用M10的面層水泥砂漿,抗震設(shè)防烈度高于八度的地區(qū)采用M30以上的面層水泥砂漿。

(5) 隨著聚丙烯網(wǎng)格間距逐漸增大,聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固磚砌體結(jié)構(gòu)的地震損傷不斷加重,動力響應(yīng)逐漸增大,在八度罕遇地震作用下,網(wǎng)格間距為50 mm×50 mm和60 mm×60 mm的加固磚砌體結(jié)構(gòu)達到嚴(yán)重破壞,不宜繼續(xù)使用,建議抗震設(shè)防烈度不低于八度的地區(qū),加固采用的聚丙烯網(wǎng)格間距不大于40 mm×40 mm。

本文的研究結(jié)果主要適用于聚丙烯網(wǎng)水泥砂漿面層加固單層磚砌體結(jié)構(gòu),后續(xù)仍需開展針對多層砌體結(jié)構(gòu)的研究,從而得到更具代表性的研究結(jié)果。