預應力扣壓穿合式砌體墻體在水平低周反復荷載下的試驗研究

李廣輝　鄧思華　李晨光

(1.北京建筑大學，北京　100044；2.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京　100039)

預應力扣壓穿合式砌體墻體在水平低周反復荷載下的試驗研究

李廣輝1鄧思華1李晨光2

(1.北京建筑大學，北京100044；2.北京市建筑工程研究院有限責任公司，北京100039)

【摘要】預應力扣壓穿合式砌體是一種新型的砌體材料，經過試驗研究為該砌體結構的應用推廣提供理論依據。此次試驗總共有6片足尺墻體，其中包括4片無芯柱配置預應力筋有砂漿墻體構件、1片無芯柱配置預應力筋無砂漿墻體構件、1片有芯柱無配置預應力筋有砂漿墻體構件。通過對墻體施加水平低周反復荷載，得出墻體在不同工況即有無芯柱有砂漿、無芯柱無砂漿及不同預應力施加狀況下的非線性靜力特性，包括試驗構件開裂時的荷載和位移，構件達到極限狀態時的荷載和位移，構件在破壞時的過程和形態，根據記錄的數據繪制滯回曲線和骨架曲線，分析對比構件的延性、剛度退化性能、耗能性能等抗震性能指標，同時得到構件在預應力筋的最合適的軸壓比。

【關鍵詞】預應力；扣壓穿合式砌體；水平低周反復荷載試驗；抗剪承載力；延性

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.03.17

引言

扣壓穿合式砌塊，也稱榫卯空心砌塊，砌塊磚的底面設有凹槽，磚頂面設有卡凸塊，砌塊上下扣合，咬合緊湊，貫穿固定成一體。這種新型砌塊相較于普通砌塊強度高，耐沖擊力強。砌體試驗包括6片實體墻體構件，通過對墻體施加水平低周反復荷載，得出墻體在不同工況即有無芯柱有砂漿、無芯柱無砂漿及不同預應力施加狀況下的靜力特性，包括破壞過程和破壞形態、開裂荷載、極限荷載、開裂位移、極限位移、滯回曲線和骨架曲線、延性、剛度退化性能等抗震性能指標，研究豎向預應力筋的最合適的應力比以及為這種新型結構未來的推廣應用打下理論基礎。

1試驗概況

1.1試驗構件的設計與制作

試驗共制作了6片不同工況的墻體構件見表1。墻體尺寸統一，墻寬為3.6m，高為2.8m，厚0.2m。主要材料如下：1)磚為400×200mm×122mm混凝土榫卯空心砌磚，抗壓強度為MU15級；2)砂漿為M15級混合砂漿；3)壓頂梁選為C40細石混凝土；4)底梁選為C40細石混凝土；5)梁內縱筋為HRB400級，箍筋為HPB235級；6)預應力鋼筋采用1×7 φ15.2鋼絞線(極限抗拉強度1 860MPa)。墻體具體尺寸及配筋見圖1～圖3。圖4～圖7為試驗構件現場制作的照片。

表1實驗墻體工況匯總表

墻體編號砂漿強度等級豎向預應力個數軸壓比間距(mm)Pcon(kN)W1M7.50———W2M7.540.21000100.5W3M7.540.31000150.7W4M7.580.41000100.5W5M7.580.51000125.6W6040.51000103

圖1　有芯柱實驗墻示意圖

圖2　4根預應力筋實驗墻示意圖

圖3　8根預應力筋實驗墻示意圖

圖4　地梁鋼筋綁扎、支模板

圖5　地梁混凝土澆筑

圖6　砌體砌筑

圖7　頂梁混凝土澆筑

2.2試驗設置

試驗加載裝置和加載制度分別如圖8和圖9所示。首先由液壓千斤頂施加220kN豎向荷載，并在試驗全過程保持恒定，以模擬墻體所受上部結構的重力荷載，然后對預應力鋼筋進行張拉。水平荷載由MTS液壓伺服式作動器逐級往復施加。在開裂之前采用按水平荷載值控制分級加載，每級荷載循環一次，開裂后按開裂位移或其倍數值控制，每級位移循環三次。試驗過程中實時測量豎向、水平荷載以及預應力筋內力，墻體水平位移，墻體應變等，同時觀測墻體開裂位置以及裂縫開展情況。

圖8　加載裝置示意圖

圖9　加載制度示意圖

3試驗結果與分析

3.1試驗加載及破壞全過程描述

W1為有芯柱無預應力筋有砂漿試驗構件，當水平荷載加至極限荷載Pu的0.56倍(100kN)時開裂，墻體裂縫首先出現于墻體左下角。加載位移增加至極限位移Δu的0.52倍(10mm)時，初始斜裂縫擴展，形成貫通墻體的主斜裂縫，隨之墻體發生巨大的“嘭”的響聲。在反復荷載作用下，水平主裂縫延伸變寬，且伴有開裂的沙沙聲，墻體明顯錯動。當水平荷載加到Pu時，底部主裂縫發生錯動，墻體發生脆性受剪破壞。

W2為無芯柱配置預應力筋有砂漿試驗構件，σp/f=0.2，當水平荷載加載至極限荷載Pu的0.24倍(75kN)時開裂，墻體裂縫首先出現于墻體下角。加載位移增加至極限位移Δu的0.5倍(5mm)時，初始裂縫沿水平擴展，形成貫通主裂縫，并發出滑移響聲。在反復荷載作用下，原有的裂縫延伸變寬，墻體明顯錯動。但承載力一直保持不下降，由于墻體發生較大錯動，判定為發生剪切破壞。

W3為無芯柱配置預應力筋有砂漿試驗構件，σp/f=0.3，當水平荷載加載至極限荷載Pu的0.24倍(90kN)時開裂，墻體首先出現裂縫形式為剪切型斜裂縫，且首先出現于墻體左下角。出現剪切斜裂縫后轉為按位移加載形式，加載位移增加至極限位移Δu的0.61倍(5.85mm)時，破壞過程與W2相似。

W4為無芯柱配置預應力筋有砂漿試驗構件，σp/f=0.4，當水平荷載加載至極限荷載Pu的0.42倍(130kN)時開裂，墻體裂縫首先出現于墻體下角。出現剪切斜裂縫后轉為按位移加載形式，加載位移增加至極限位移Δu的0.7倍(9mm)時，破壞過程與W2相似。

W5為無芯柱配置預應力筋有砂漿實驗墻，σp/f=0.5，當水平荷載加載至極限荷載Pu的0.19倍(80kN)時開裂，W5墻體首先出現裂縫形式為剪切型斜裂縫，且首先出現于墻體左下角。加載位移增加至極限位移Δu的0.51倍(9mm)時，破壞過程與W2相似。

W6為無芯柱配置預應力筋無砂漿實驗墻，由預應力合力產生的墻體軸壓比0.5，當水平荷載加載至極限荷載Pu的0.6倍(60kN)時開裂，墻體首先出現于墻體下角。加載位移增加至極限位移Δu的0.37倍(3mm)時，發現平面外位移較大，考慮墻體破壞后的安全問題，在其還沒有出現完全裂縫時就停止試驗，大致有兩方面的原因，一是塊體之間沒有砂漿，二是墻體砌筑施工質量不好，產生了初始的平面外位移。

破壞后的照片見圖10。

3.2水平荷載-位移滯回曲線

W1～W6墻體的荷載-位移滯回曲線如圖11所示。

圖10　墻片破壞時裂縫分布照片

圖11　各墻片荷載-位移滯回曲線

未加預應力灌漿芯柱的W1墻，承載力比較低，滯回曲線捏攏大，滯回曲線的面積小，延性差，W6墻體的滯回曲線捏攏性較大，滯回環面積較小，承載力低，延性差，說明耗能能力不好。加上預應力筋之后的墻體W2～W5的滯回曲線更加飽滿，滯回環的捏攏程度有明顯改善，滯回環的面積增加，提高了延性和承載能力，展示出較好的耗能能力。綜合對比可以得知，預應力值的大小，在較大程度上影響著滯回曲線的飽滿程度、墻體的變形和承載能力。其中，W2墻體的延性最好，W3墻體的滯回環則最為豐滿，W5墻體的承載力最高。

3.3骨架曲線

通過W1～W5墻片骨架曲線(圖12)的對比分析得知，采用預應力砌體墻體，墻體的抗剪承載力和變形能力顯著提高。隨著預應力的增加，墻體的抗剪承載力有顯著提高。其中，預應力W2、W3、W4、W5墻的抗剪承載力分別較無預應力有芯柱的W1墻提高了65%、160%、81%、161%，W2～W5墻隨著軸壓比的增大，承載力逐漸增大。

圖12　各片墻體的荷載-位移骨架曲線

通過簡單處理各墻片的平均骨架曲線(圖13)，可以得到砌體墻片的開裂荷載、開裂位移、極限荷載、極限位移、屈服荷載、屈服位移、延性系數。

由圖表數據可以得知，有預應力鋼筋的墻體相比無預應力的墻體在各項指標都有較大程度的提高，尤其是抗剪承載力。其中W5墻片極限荷載增幅最大，這表明新型預應力鋼筋砌體墻可以有效提高砌體的整體性能，還可以有效地提高開裂荷載以及抑制裂縫開展過程。當預應力產生的墻體軸壓比為0.5左右時，無論是整截面墻體延性提高最為顯著。同時延性系數隨著軸壓比的增加而有所增加出，這表明加大預應力鋼筋應力比后砌體表現延性增加的趨勢，但趨勢不明顯。

圖13　為各片墻體的平均骨架曲線

表2試驗試件主要受力性能指標

試件編號W1W2W3W4W5W6開裂荷載Pcr(kN)12070901308060開裂位移Δcr(mm)1.220.50.4520.50.78屈服荷載Py(kN)14520627519719970屈服位移Δy(mm)42.53.153.51.51極限荷載Pu(kN)179296466.5324467101極限位移Δu(mm)1058.2878.454破損荷載Pu,d(kN)151197.733022532793破損位移Δu,d(mm)2310.59.451212.56延性系數μ5.754.233.58.36 注:(1)Δu,d為骨架曲線下降段0.85Pu對應的位移值。(2)延性系數μ=Δu,d/Δy

3.4剛度退化性能

各試驗墻體有大致相同的剛度退化趨勢(圖14)，墻體有較大初始剛度，剛度隨著位移的增大而緩慢退化，當墻體開裂，剛度開始迅速退化，直到墻體裂縫貫通，剛度的退化基本趨于穩定。W1與W2～W5相對比可以得知，對無預應力的墻體施加預應力之后，明顯的提高了墻體的初始剛度。施加預應力墻體的抗側承載力和剛度也有較大增強，這是由于剛度緩慢退化給預應力墻體帶來的優勢體現，同時預應力鋼筋提高了墻體整體性，也提高了砌體墻片在大震中后期的剛度。

3.5耗能性能

隨著墻體的位移加載不斷增大，砌體經歷了開裂、剛度退化、破壞的狀態，同時在此過程中砌體內部之間產生了摩擦力。施加預應力后，使得榫卯砌塊上下扣合的更緊密增加了砌體間的咬合力，加強了摩擦耗能。從絕對數值上看(圖15)，施加預應力的整截面墻體的耗能指標要比未加預應力的墻體好。其中W2為W1的2.09倍、W3為W1的2.7倍、W4為W1的2倍、W5為W1的2.8倍，數據表明施加預應力鋼筋后砌體耗能能力顯著提高。

圖14　各片墻體的剛度退化曲線

圖15　墻片每一級滯回環面積-位移曲線

4結論

在墻體的抗剪承載力方面，在豎向荷載作用下的預應力扣壓穿合式砌塊墻體比同狀態下而未施加預應力的墻體有大幅提高。通過W2～W5墻體的對比分析得知，隨著預應力的增加，開裂荷載提高幅度不明顯，但對抗剪承載力有明顯的提高。

在裂縫發展和破壞特征方面，普通墻體上細微

分布裂縫數量上比較少，有明顯的主裂縫，破壞時發出很大的嘭的響聲，墻體的兩面均出現較寬的裂縫，出現特征較為明顯的脆性破壞。而施加預應力的墻體上出現較多的裂縫，這些裂縫分布較密且裂縫寬度較小，對墻體施加的預應力越大裂縫分布越分散，這些裂縫幾乎布滿整片墻體，但是未出現寬度較大的主裂縫。墻體受力較均勻，充分發揮了材料性能，表現出比較明顯的延性破壞特征，并且裂縫在卸載后能重新閉合，墻體表現出較好的整體性，裂而不散，抗倒塌性能較強。

在耗能性能方面，預應力扣壓穿合式空心砌塊墻體比同狀態下而未施加預應力的墻體有所提高，提高幅度約為2～3倍。

W1～W5墻體的初始剛度均較大，剛度退化過程與趨勢基本一致，當墻體出現裂縫后均出現較為迅速的剛度退化。由對墻體的實驗數據及結果可以看出，預應力扣壓穿合式空心砌塊墻體的剛度相比非預應力墻體有所提高，這也能說明墻體的抗側剛度在預應力作用下有所提高。

參考文獻

[1]劉航，華少鋒．后張預應力加固磚砌體墻體抗震性能試驗研究[J]．工程抗震與加固改造，2013.

[2]劉航，蘭春光，華少鋒.村鎮既有砌體結構抗震加固新技術研發與改造工程示范[C].第一屆全國村鎮綜合防災與綠色建筑技術研討會論文集，2013.11，福建廈門，260-266.

[3]馬人樂，蔣璐，梁峰 等.體外預應力加固砌體結構振動臺試驗研究[J].建筑結構學報，2011，32(5)：92-99.

[4]Ma，R.，Jiang，L.，He，M.，Fang，C.，Liang，F.，Experimental investigations on masonry structures using external prestressing techniques for improving seismic performance，(2012)Engineering Structures，42，pp.297-307.

[5]MojsilovicN，Marti P．Load tests on post-tensioned masonry walls[J]．TMS Journal，2000，18(1)：65-70.

[6]Wight，G.D.，Ingham，J.M.，Wilton，A.R.Innovative seismic design of a post-tensioned concrete masonry house(2007)Canadian Journal of Civil Engineering，34(11)pp.1393-1402.

[7]Ismail，N.，Ingham，J.M.Time-dependent prestress losses in historic clay brick masonry walls seismically strengthened using unbonded posttensioning(2013)Journal of Materials in Civil Engineering，25(6)pp.718-725.

Quasi-Static Reversed Cyclic Loading Test of Prestressed Withhold Tenon Type Masonry

Li Guanghui1，Deng Sihua1，Li Chenguang2

(1.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture，Beijing100044，China； 2.BeijingBuildingConstructingResearchInstitute，Beijing100039，China)

Abstract:Prestressed withhold tenon type masonry is a new type of masonry material.It provides a theoretical basis for the application of this new masonry structure through the promotion of experimental research.This test incluves a total of six prestressed withhold fit through masonry walls，including four tendons with no stem test mortar walls，a configuration tendons to free the stem no mortar test wall，and 1 piece with no tendons experimental stem wall.Through quasi-static reversed cyclic loading test of masonry walls，the results show that the nonlinear static characteristics of walls with tendons with no stem test mortar，tendons no stem and mortar，no tendons experimental stem wall.The results include the loads and displacements when walls cracking and reaching the limit state.It also shows the walls’ destruction process and shapes.The hysteretic curves and skeleton curves can be plotted according to the test data.It analyzes and compares the walls’ ductility，stiffness degradation performance，seismic energy dissipation performance，and obtains walls’ most suitable ratio of axial compression stress using tendons.

Key Words：Prestress; Withhold Tenon Type Masonry; Quasi-Static Reversed Cyclic Loading Test; Shear Capacity; Ductility

【作者簡介】李廣輝(1988-)，男，碩士研究生在讀，建筑與土木工程專業，主要從事住宅產業化方面的研究。

【中圖分類號】TU378

【文獻標識碼】A

【文章編號】1674-7461(2016)03-0089-07