灌漿與鋼箍加固震損磚墻的抗震性能試驗研究

李勝才，Dina D’Ayala，呼夢潔

（1.揚州大學 建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.Department of Civil Environmental ＆Geomatic Engineering，University College London，London WC1E 6BT）

磚石古塔具有體形細高、重量大、對地震作用敏感的特點。位于“5.12汶川特大地震”高烈度地區的30座磚石古塔普遍損毀嚴重［1］，災后10余座古磚塔采用了灌漿＋圍箍的復合加固方法進行加固修復。關于磚石古塔及砌體結構的加固理論與方法已開 展 大 量 研 究［2］。 宋 彧 等［3］、Borri 等［4－5］、Altin等［6］、Akhaveissy等［7］研究表明，采用鋼箍、鋼條等加固磚砌體墻體，可以延緩墻體的剛度退化，提高墻體整體性能和抗剪承載力，預應力鋼箍或鋼條可以增強對墻體的約束，影響破壞裂縫分布形態。Miltiadou-Fezans等［8］，Nolph等［9］研 究 了 化 學 注漿材料在砌體中應用，對注漿材料的流動性、粘結性、韌性及耐久性進行了測試分析。Alcaino等［10］研究了加固砌體結構在水平荷載作用下的工作性能。Paret等［11］對新型加固方法在歷史建筑修復中的應用進行了探討。以上研究表明，采用灌漿＋圍箍的復合加固方法修復的磚塔，具有一定可行性。然而對于震損磚石古塔修復加固后的抗震性能，以及新舊材料在再次遭遇地震作用下協同工作機理的試驗研究和理論研究的文獻極少。

筆者按照低周反復試驗程序對初始磚筒試件進行加載直至破壞，得到震損試件，然后進行加固修復，再對修復試件進行低周反復試驗，通過對比原結構與修復結構的破壞機制、破壞形態、滯回特性、剛度退化、變形及耗能能力，探討灌漿圍箍復合加固對震損磚石古塔抗震性能的影響。

1 試件設計與制作

1.1 初始試件

試驗以四川德陽某磚石古塔底部樓層為原型，按照1／8的比例設計并制作了磚砌墻筒試件，試件的設計計算高度為760 mm，每面墻寬為700 mm，墻厚為150 mm。根據有無磚砌樓板、是否有鋼圍箍，將試件分為4種。按照試驗加載程序低周反復荷載直至破壞，得到模擬地震作用的震損試件，如圖1所示。

圖1 4個震損墻筒模型

1.2 加固修復試件

錯位試件復位后，采用與初始試件一樣的普通粘土磚和較高強度等級的混合砂漿，對試件局部壓潰的部分進行替換修復，按照灌漿標準程序對墻面開裂縫進行修補，同時采用鋼圍箍對墻體加固，并對圍箍施加相當于其20%抗拉承載力的預拉力。

試件加固修復前后的編號如表1所示。

表1 試件編號

1.3 主要材料及性能

1）燒結普通磚：MU10燒結普通磚，規格為165 mm×70 mm×30 mm。

2）水泥砂漿：采用32.5普通硅酸鹽水泥配置混合砂漿。

3）鋼圍箍及配件：普通碳素鋼。

4）封縫材料：有機雙組份密封膠各項性能如表2所示。

表2 密封膠力學性能

5）灌注材料：有機雙組份灌漿劑各項力學性能如表3所示。

表3 灌漿劑力學性能

2 試驗裝置與測試內容

2.1 試驗裝置

試驗的豎向荷載通過置于試件頂部的油壓千斤頂分級施加，千斤頂與試件頂部加入可以水平自由滑動、具有足夠剛度的滑板。水平荷載則通過MTS多通道協調加載試驗系統來施加，該作動器的額定加載能力為250 k N，最大行程為±100 mm。試件加載裝置如圖2所示。

圖2 試件加載裝置

2.2 試驗程序與觀測內容

試驗按照《建筑抗震實驗方法規程》（JGJ 101—96）的加載方法，墻體豎向荷載為200 k N，鋼圍箍施加20%預應力。試驗正式開始前，首先施加10 k N水平荷載，反復推拉2次，以檢查各儀器設備運轉情況。正式加載時，采用逐級加荷方法，開裂前按荷載控制，每級按10 k N遞增，每級循環1次；開裂后按位移控制，每級循環3次，每級增加1Δc（墻體的開裂位移）。

試驗觀測內容包括：墻面裂縫、鋼圍箍與砌體的應變、墻體上部水平荷載的開裂與極限值、墻體頂部及底部位移。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現象和破壞形態

試件各墻體的編號如圖3所示。對4類墻筒試件按同樣的加載制度逐個進行試驗，記錄相關試驗數據與現象。主要實驗現象如下：

1）試件PW加載到30 k N時，墻面出現裂縫，開裂位移為Δc＝3.5 mm。轉按位移控制加載。W墻面洞口上部、洞口右下方及墻體上部左側均產生數條階梯型裂縫，并逐漸變寬變長，E墻面洞口左下方產生新的階梯形裂縫，與已有裂縫形成X型貫通裂縫，N墻面與S墻面均未產生裂縫。

2）試件PW-S加載到20 k N時，墻面出現裂縫，開裂位移Δc＝2.5 mm，轉按位移控制加載。W墻面洞口上部及墻體上部左側均產生數條裂縫，E墻面右側在已有裂縫下面產生新的斜裂縫，并逐漸連接在一起；洞口上部未灌漿加固的部位形成了X形交叉裂縫，試件N墻面與S墻面均未產生裂縫。

3）試件PW-F加載到60 k N時，墻面出現裂縫，開裂位移為Δc＝4.5 mm。轉按位移控制加載。W墻面洞口上部左側、洞口右下方產生階梯型斜裂縫，并逐漸變寬變長，同時W墻面中部右側產生的新的斜裂縫和已有裂縫貫通在一起，E墻面洞口左下方產生新的階梯型裂縫，與已有裂縫形成X型貫通裂縫，E墻面和W墻面的洞口周圍出現破碎和外涂料脫落狀況，兩邊的斜裂縫交叉相連試件N墻面與S墻面均未產生裂縫。

4）試件PW-F-S加載到50 k N時，墻面出現裂縫，開裂位移為Δc＝4.5 mm。轉為按位移控制加載。W墻面和E墻面洞口右下方、洞口左下方均產生新的階梯型裂縫，與已有裂縫形成X型貫通裂縫，并逐漸變寬變長，試件N墻面與S墻面均未產生裂縫。

圖3 各個墻面的編號

試驗表明，加載初期，試件卸載后殘余變形很小，處于彈性階段。與初始試件相比，加固試件的破壞形態有明顯改變。初始試件W與E墻面破壞為剪切破壞，符合一般砌體結構破壞特征［12－15］。N與S墻面的破壞為彎曲破壞。加固試件，由于在灌漿臨近區域的墻體達到開裂應力，在E與W墻面上部出現斜向主裂縫；在灌漿區域墻面未產生裂縫；經過圍箍鋼筋施加預壓應力的墻體，墻體斜裂縫的出現和發展受到約束。

3.2 承載力和位移

各墻體的極限荷載和極限位移對比如表4所示。從表4可以看出，灌漿圍箍復合加固，除了使構件的極限荷載得以提高外，還改變構件的變形能力，加固后墻體的極限位移較未加固墻體有明顯提高。

表4 試件的極限荷載和極限位移

3.3 滯回曲線和骨架曲線

加固前后各試件的滯回曲線和骨架曲線如圖4和圖5所示。

圖4 加固前后各個試件水平荷載 位移滯回曲線

圖5 加固前后各墻體的骨架曲線對比圖

對比加固試件與對應初始試件的滯回曲線可以看出，加固試件的極限荷載、極限位移均比初始試件有所提高，說明采用灌漿圍箍復合加固墻體的整體性和承載能力均較好。

對比加固試件與對應初始試件的骨架曲線可知，開裂時采用灌漿圍箍復合加固后的墻體側位移角比未加固墻體略有提高，而加固后墻體的剛度退化速率比未加固墻體的低，表明加固后的墻體抗震耗能和變形能力得到提高。加固后墻體的極限荷載明顯比未加固墻體的要大，表明灌漿復合加固技術能提高墻體的極限承載能力。

3.4 延性和耗能能力

位移延性系數為骨架曲線上正、反兩個方向的極限位移平均值和開裂位移平均值的比值。簡化公式如下：

式中：Δ＋u表示正方向的極限位移，Δ－u表示反方向的極限位移，Δ＋c表示正方向的開裂位移，Δ－c表示反方向的開裂位移。按公式（1）計算加固前后墻筒試件的延性系數，結果如表5所示。

從表5可以看出，采用灌漿圍箍復合加固后的4個試件，其延性系數均比初始試件有所提高，說明灌漿圍箍復合加固能提高震損墻體的塑性變形能力。

表5 加固前后各墻體延性系數

表6 滯回環面積S和等效粘滯阻尼系數he

圖6 等效粘滯阻尼系數示意

分析表6中的數據可以發現：采用灌漿圍箍復合加固的試件，從開裂到極限破壞狀態過程中，其滯回環面積、能量耗散系數以及等效粘滯阻尼比系數均比初始試件有所提高，說明灌漿圍箍復合加固能提高震損磚砌體的耗能能力。以試件PW-F和W-F為例，在極限狀態下，PW-F的滯回環面積提高非常明顯，滯回曲線趨于飽滿，說明加固試件在卸載時殘余變形較大，吸收的能量增多，其能量耗散系數φ和等效粘滯性阻尼系數he比W-F提高了62%。

3.5 剛度退化

采用割線剛度分析剛度的退化，取同一個循環中正反兩個方向的荷載絕對值之和與位移絕對值之和的比值作為剛度值K i，即

式中：Fi為第i次循環水平荷載峰值或位移峰值所對應的荷載值；X i為第i次循環水平荷載峰值或位移峰值所對應的位移值；K i為第i次循環的割線剛度。

圖7 加固前后各試件剛度退化曲線

從圖7可以看出：1）各個試件的剛度退化規律比較一致，隨著位移的增加，剛度逐漸降低，開裂后試件的剛度退化速度較快，接近最大承載力時，剛度退化的幅度趨于平緩。2）加固后的試件PW-F-S和試件PW-S的初始剛度均比未加固的試件 W-S-F和試件W-S的初始剛度小，但是剛度退化比較緩慢。其原因主要是灌漿僅能修補部分主要裂縫，仍有很多微裂縫未得到修復，同時使得裂縫中存在的砂礫等，也嚴重影響了膠結質量。

4 結 論

1）采用灌漿圍箍復合加固震損古磚塔砌體墻筒，可大幅提高震損古磚塔砌體結構的延性與耗能能力，有效改善古磚塔結構的抗震性能。

2）鋼圍箍的預拉力對于提高結構承載力具有貢獻，但是采用灌漿圍箍復合加固震損古磚塔砌體墻筒不能提高結構整體剛度。

3）地震作用下，灌漿加固區域由于強度較高不會發生破壞，結構將發生新的破壞形態在毗鄰區域會產生新的破壞裂縫。這一加固方法對文物建筑是否有利，值得進一步探討。

4）采用特小型磚塊砌筑制作的小尺度模型與原型結構在細觀構造上極其相似，其破壞特征、耗能機理等與原型結構具有相似性，可用于定性評價原型結構震損加固后的抗震性能，若用于確定原型結構加固后的抗震性能定量指標尚需進一步研究。

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（編輯胡英奎）