鋼帶嵌縫加固砌體結構抗剪性能試驗研究

趙亞軍,吳 昊,許 巖,劉 洋,方賓彬

(1.河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學 力學實驗教學示范中心,河北 邯鄲 056038;3.河北省裝配式結構技術創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038;4.國機集團科學技術研究院有限公司,北京 100080)

砌體結構自重大、抗剪能力差,尤其是老舊的傳統(tǒng)風貌建筑,砂漿層具有風化、脫落的跡象,造成整體結構強度下降[1]。常見的提高砌體結構力學性能的加固方法包括外加面層、扶壁柱以及粘貼纖維復合材料等[2-4]。這些方法雖然可以在一定程度上改善結構的強度和穩(wěn)定性,但同時也會對結構外觀造成不同程度的影響,因此不適用于傳統(tǒng)風貌砌體結構的加固。相比之下,嵌縫加固法可以保持砌體結構原有風貌,且成本低,施工簡便,加固后不會減少建筑使用面積,不會增大地震作用,非常適合加固具有歷史意義的傳統(tǒng)風貌建筑[5-6]。

國內外學者對砌體結構的嵌縫加固方法進行了大量研究,結果發(fā)現:嵌縫加固可以提高砌體結構的抗剪強度,減緩磚砌體內部裂縫的開展,提升了砌體的整體性[7]。同時,嵌縫加固可以改變墻體的破壞形態(tài),使其從脆性的剪切破壞轉變?yōu)楦哐有缘膹澕羝茐幕驈澢茐?顯著提高砌體結構的承載力、變形能力、耗能能力和延性[8-9]。雙面嵌縫加固相比單面嵌縫加固的滯回曲線更加飽滿,耗能能力更強[10-11]。水平嵌縫加固能夠限制斜裂縫的開口,垂直嵌縫加固可防止水平加固引起的沿單個砂漿層接縫的滑動破壞,減緩峰值后荷載下降速度,從而提升結構延性[12-13]。

既有文獻對于嵌縫加固砌體結構的抗剪承載能力的研究,主要考慮在砌體結構的通縫中嵌入板材或通長鋼筋對整片砌體墻抗剪承載力和延性的提高,并未考慮在齒縫處嵌入鋼帶或鋼筋對砌體結構力學性能的影響。砌體結構的破壞主要為層間砂漿的破壞,在砌體齒縫處嵌入鋼帶或鋼筋可以對砌體結構易受破壞的節(jié)點進行針對性加固,增強加固區(qū)域的層間聯系,從而提升砌體結構的力學性能。本文使用鋼帶和鋼筋彎折成“弓”字型對砌體結構的齒縫進行嵌縫加固,利用數字圖像相關方法(Digital Image Correlation,DIC)獲取試件位移場和應變場,研究不同加固工況的砌體試件抗剪性能,并用ABAQUS對抗剪試驗進行數值模擬,分析嵌入鋼帶對砌體力學性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗磚塊采用MU10燒結普通磚;砂漿采用M5混合砂漿;嵌入材料參數由表1所示。

表1 嵌入材料參數

試件尺寸如圖1所示,灰縫厚度為10 mm。對試件的齒縫進行開槽,槽深約為35 mm,寬度約為10 mm,在縫中分別嵌入彎折為“弓”字型的鋼帶或鋼筋,并回填砂漿,在表面制作散斑。共設計4種工況的試件,分別為未加固、鋼帶單面嵌縫加固、鋼帶雙面嵌縫加固、鋼筋雙面嵌縫加固,每種工況3個試件。

圖1 試件示意圖(單位:mm)

1.2 加載方案

根據《砌體基本力學性能試驗方法》(GB/T 50129—2011)的規(guī)定,將嵌縫加固磚砌體試件養(yǎng)護28 d后進行抗剪試驗,試件加載方式采用勻速荷載控制,加載速度0.2 kN/s,利用工業(yè)相機采集試件位移場和應變場,試件測試裝置如圖2所示。

圖2 測試裝置示意圖

2 試驗結果分析

2.1 破壞模式

在試件加載過程中,未加固的試件沒有明顯的破壞預兆,在持續(xù)加載到極限荷載時,試件突然開裂,發(fā)生脆性破壞,如圖3(a)所示。

圖3 破壞形態(tài)對比

單面鋼帶加固試件如圖3(b)和(c)所示,未加固側破壞明顯,兩道通縫砂漿均出現開裂,加固側的其中一道通縫砂漿完全裂開,另一道通縫砂漿只有上方開裂。嵌入的弓字型鋼帶能夠提高砌體的整體性,使整個試件受力更加均勻,從而改變其破壞模式。

雙面加固試件在加載中后期時,嵌入的鋼帶或鋼筋因受力發(fā)生變形,在節(jié)點彎折處被拉直而發(fā)生異響,之后試件的兩道通縫砂漿均被破壞,破壞后的試件相對成型緊湊,如圖3(d)和(e)。從破壞結果來看,未加固的試件全部為單剪破壞,加固試件都為雙剪破壞。

2.2 位移場與應變場分析

以未加固試件和雙面鋼帶加固試件為例,采用DIC技術對試件在不同加載階段的位移和應變情況進行探討。

圖4與圖5為不同加載階段試件的橫向和縱向位移場,圖中虛線為嵌縫加固位置。由圖可知,當各試件加載至極限荷載的50%時,試件的上下端和左右端出現方向相反的位移,未加固試件上下端橫向位移為0.402 mm,左右端的豎向位移為0.248 mm;雙面鋼帶加固試件上下端的橫向位移為0.282 mm,左右端的豎向位移為0.182 mm;加固后試件的位移云圖分布更加均勻。當荷載達到峰值時,未加固試件的橫向和縱向位移云圖都出現明顯的分層,分層界線位于通縫砂漿處;雙面鋼帶加固試件達到極限荷載時的位移云圖分布與其50%Pmax時一致,縱向位移比未加固試件增加23%。

圖4 試件橫向位移場

圖5 試件縱向位移場

圖6為基于DIC方法獲得的未加固試件和雙面鋼帶加固試件在不同加載階段的剪切應變場。當各試件加載至極限荷載的50%時,砌體試件的上下端出現應變集中區(qū)域;雙面鋼帶加固試件的灰縫處出現應變集中區(qū),大小為整段灰縫長度的1/4。當荷載達到峰值時,未加固試件的一側出現貫穿灰縫2/3的應變集中帶,之后試件沿著應變集中帶發(fā)生單剪破壞;雙面鋼帶加固試件的應變集中區(qū)穩(wěn)定在固定區(qū)域沒有向上發(fā)展,另一側灰縫底部和上部也出現分散的應變集中區(qū),隨后試件發(fā)生雙剪破壞。

圖6 試件剪切應變場

由此可知,嵌入鋼帶能夠限制砌體結構的層間位移,提高砌體結構的整體性,砌體灰縫應力集中的現象得到改善。

2.3 試驗結果分析

根據砌體試驗規(guī)范的規(guī)定,砌體沿通縫截面抗剪強度試驗值fv取試件的極限荷載除以兩個剪切面的面積,如式(1)所示:

(1)

式中:Nv為試件的抗剪破壞荷載值,kN;A為試件的一個受剪面的面積,mm2。

試驗結果如表2所示。由表2和圖7可知,未加固試件抗剪強度平均值為0.237 MPa,單面嵌入鋼帶加固試件抗剪強度比未加固試件提高了23.63%,雙面嵌入鋼帶和雙面嵌入鋼筋試件抗剪強度比未加固試件分別提高了61.18%和35.02%。試件極限位移也有不同程度的提高,單面鋼帶加固、雙面鋼帶加固和雙面鋼筋加固的試件相比未加固試件極限位移分別提升了16.38%、23.41%和16.95%?？梢?鋼帶嵌縫加固能明顯提高砌體試件的抗剪強度,增加砌體的極限位移。

圖7 極限位移

表2 試驗結果

圖8為不同工況砌體試件的荷載-位移曲線圖。由圖可知,未加固試件在達到極限荷載后發(fā)生脆性破壞,喪失承載力;單面嵌縫加固試件的極限承載力和極限位移相比于未加固試件均有一定程度的提升。達到極限荷載后,試件發(fā)生雙剪破壞。

圖8 荷載-位移曲線

雙面嵌縫加固試件的荷載-位移曲線大致分為兩個階段。階段Ⅰ:加載初期到峰值荷載,試件在經歷短暫的線彈性階段后便進入非線性階段,曲線斜率快速增長,嵌入材料將灰縫的剪力分散到整個試件中,顯著提高砌體的極限承載力和極限位移。階段Ⅱ:試件破壞,此階段主要是嵌入材料連接短縫砂漿承擔拉力,達到峰值荷載后試件沒有完全喪失承載力,荷載在下降10 kN左右后緩慢上升5～10 kN,之后嵌入材料與砂漿脫離,試件喪失承載力。

由此可見,嵌縫加固在增加砌體結構的極限承載力和極限位移的同時還可以提高其受剪切破壞的延性,改善砌體結構脆性破壞的特征。

3 嵌縫加固數值模擬

3.1 材料本構

鋼帶相比于鋼筋與砂漿的接觸面積更大,可以在更薄的灰縫中嵌入,且寬度調整范圍大,適合更多的工況。本文采用ABAQUS有限元分析軟件,建立砌體沿通縫截面抗剪試件模型,分析不同寬度的鋼帶嵌縫加固砌體結構的抗剪強度變化情況。

試驗使用的燒結普通磚和混凝土同為脆性材料,可采用砌體受壓應力-應變關系本構[14],以及修改過的混凝土受拉本構模型[15]:

(2)

(3)

(4)

式中:η取1.633;fcm和ftm為砌體抗壓強度平均值和抗拉強度平均值,MPa;εcm和εtm分別為fcm和ftm所對應的峰值應變;d為損傷因子;E0為砌塊的彈性模量,MPa。

砌塊的彈性模量根據劉桂秋[16]關于砌體彈性模量的研究得出,如式(5)所示:

E0=4 467f0.22

(5)

式中:f為磚塊的抗壓強度平均值,MPa。

由試驗現象可知,砌體結構在受到剪切破壞時,一般是砂漿層與磚塊之間發(fā)生粘結破壞。為了更真實地反映砌體結構受剪破壞時的情況,使用粘性接觸(Cohesive Behavior)來模擬砂漿層,粘性界面層采用牽引力-分離雙線性本構模型定義法向應力和切向應力與對應界面位移的關系,如圖9所示。其中tn,δn分別為法向牽引力和法向分離位移;ts,tt分別為兩個切向的牽引力;δs,δt分別為兩個切向的分離位移。

圖9 粘性界面牽引力-分離模型

這種建模方法可以較為準確地模擬出砌塊與灰縫砂漿之間的粘結破壞,從而更好地吻合實際結果[17-18]。

3.2 模型與單元選擇

砌體結構中的磚塊和砂漿具有非線性和離散性的特征,因此對其進行數值模擬存在較大困難,同時也難以建立統(tǒng)一的建模方式?；诋斍暗难芯砍晒?可將砌體結構的建模方式劃分為兩類,即整體式模型和分離式模型。本文為模擬沿通縫截面抗剪試件,采用分離式模型,將磚塊、砂漿和鋼帶三種材料分別建模。

磚塊選用C3D8R單元來模擬,該單元容易收斂,在求解應力和位移時具有較高的精度。鋼帶使用S4R單元,此單元性能穩(wěn)定,適用范圍廣,可用于本試驗所用鋼帶的模擬?；铱p砂漿使用基于牽引力-分離雙線性本構模型的Cohesive Behavior模擬,可以更為真實地反映磚塊之間的相互作用,如圖10所示。

圖10 試件模型示意圖

3.3 數值模擬結果對比

圖11為未加固試件和雙面鋼帶加固試件在破壞之前的剪應力云圖。由圖可知,ABAQUS所模擬的試件是絕對對稱的,所以試件的兩條灰縫在模擬中受力一致,其剪應力的分布規(guī)律與DIC所測得的剪應變場吻合度較高。未加固試件的剪應力貫通灰縫,雙面鋼帶加固試件的應力沒有貫通灰縫,而是穩(wěn)定在了固定區(qū)域。

圖11 試件剪應力云圖

圖12和圖13分別為鋼帶mises應力云圖和加固試件的鋼帶分離前后砌塊最大主應力云圖對比。由圖可知,鋼帶受到的應力集中在彎折節(jié)點處,即砌體結構的齒縫處。鋼帶受到磚塊傳來的剪力后被拉直,在剪力的持續(xù)作用下與砂漿分離,對應了沿通縫截面抗剪試驗中雙面鋼帶加固試件在破壞之前會發(fā)出異響的現象。鋼帶承擔了作用在灰縫上的應力,進而提升了砌體結構的力學性能。

圖12 鋼帶mises應力云圖

圖13 鋼帶分離前后砌塊最大主應力云圖對比

不同寬度鋼帶嵌縫加固砌體沿通縫抗剪試件的抗剪強度如表3所示。由表可知,隨著嵌入鋼帶寬度的增加,加固后的試件抗剪強度也隨之提高。

表3 嵌入不同寬度鋼帶試件的抗剪強度

通過ABAQUS對砌體沿通縫截面抗剪試件進行有限元分析,進一步驗證了嵌縫加固可增加砌體結構的抗剪能力,鋼帶與砂漿和磚塊的相互作用提高了砌體的整體性,強化了灰縫的力學性能,彌補了砌體結構抗剪能力不足、整體性差的缺點。

4 結論

1)對砌體試件嵌縫加固可以提高砌體結構的整體性,嵌入材料能夠將灰縫剪力分散到整個試件中,并且可以限制砌體的層間位移,使整個結構受力更加均勻,減緩了砌體灰縫應力集中的現象。

2)嵌縫加固能明顯提高砌體的抗剪強度,還可以在一定程度上增加極限位移。單面鋼帶加固,雙面鋼帶加固,雙面鋼筋加固的砌體沿通縫抗剪強度比未加固的抗剪強度分別提高了23.63%,61.18%,35.02%;極限位移分別提高了16.376%,23.408%,16.945%。相比于鋼筋,嵌入鋼帶對砌體抗剪能力的提升更加明顯。

3)嵌入材料的拉結作用可以提高砌體結構的延性,改善砌體結構脆性破壞的特征,使結構達到極限荷載后不會立刻完全喪失承載能力。

4)通過數值模擬的方法,驗證嵌入鋼帶對砌體結構的整體性的提高,模擬嵌入不同寬度的鋼帶加固磚砌體沿通縫抗剪試件,并得出抗剪強度提升率。