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阅读 2585 次 钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙的试验研究

摘要:经过长时间使用后,砖砌体易发生由于砖风化、砂浆粉化、墙体裂缝和底层受潮等导致的砖砌体承载力下降、安全性降低,需采取合理的维修加固措施。...

钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙的试验研究

许清风  江欢成  朱雷  杜刚

上海市建筑科学研究院 上海200032 上海市工程结构新技术重点实验室 上海200032

上海江欢成建筑设计有限公司 上海200041

引言

    我国砌体结构历史悠久,量大面广,秦砖汉瓦已使用两千多年,发展至今仍是我国最普遍的结构形式。我国现存许多优秀历史建筑为砌体结构,其采用的砌筑砂浆多为石灰砂浆或黏土砂浆等低强度砂浆,由于砖墙风化、砂浆粉化、墙体裂缝或底层砖墙潮湿均可导致砌体强度降低、房屋安全性下降,加之许多优秀砌体建筑没有考虑抗震设防要求,亟需进行加固和保护。

    1976年唐山大地震后,我国对钢筋网水泥砂浆抗震加固砌体进行了一定的研究。朱伯龙等、楼永林、黄忠邦、苏三庆等、谈永奎、王天贤和李明等分别进行了钢筋网水泥砂浆加固普通砖墙、空心砖墙和低强度砂浆砖墙抗震能力的对比试验研究,并分别从主拉应力理论和剪摩理论出发进行了理论分析。钢筋网水泥砂浆对砖墙进行抗震加固已被行业标准《建筑抗震加固技术规程》(JGJll6—8)采用。张代涛等和苏三庆等分别进行了钢筋网水泥砂浆加固砖房模型抗震性能的对比试验研究,研究结果表明,使用钢筋网水泥砂浆加固后砖房的整体抗震能力得到明显提高。黄忠邦根据钢筋网水泥砂浆抗震加固砖墙中拉筋受力性能的试验研究,提出拉筋在抗震受力过程中对墙体抗震加固效果无明显影响。

    优秀砌体建筑由于变更使用功能或砖墙累积老化损伤均可能导致砖墙的受压承载力不足。虽然钢筋网水泥砂浆已是一种常用的砖砌体抗震加固方法,但使用钢筋网水泥砂浆对旧砖墙进行受压承载力加固还未见报道;同时,用钢筋网水泥砂浆对旧砖墙进行抗震加固也值得研究。基于此,本课题重点研究钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙受压承载力的试验研究,同时进行钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙抗震能力的试验研究。

1、试件设计

    本次试验选用已使用80多年、从旧房拆下的八五砖(220mm×105mm×43mm),选用黏土石灰砂浆砌筑。本次试验共8片砖墙,试件尺寸均为l500mm×900mm X220mm,采用一顺一丁的砌筑方式,灰缝厚度和宽度均为8mm。试件共分两组,其中W1W5为第一组,研究钢筋网水泥砂浆加同旧砖墙受压承载力的效果,试验参数包括砂浆层数和是否掏缝置换,其中W1为对比试件。W2W5钢筋网水泥砂浆加固层厚度均为40mm;钢筋网规格均为水平φ6@410mm,竖向φ6@450mm;单侧加同试件的拉筋为L形φ4@430mm,双侧加固试件的拉筋为S形φ4@430mm,均为梅花形布置。W2W3在砖墙表面直接做钢筋网水泥砂浆层;W4W5待砂浆硬化后向内掏空30mm后用水泥砂浆置换,再做钢筋网水泥砂浆层。W6W8为第二组,研究双侧钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙抗震能力的效果,试验参数为是否掏缝置换。其中W6为对比试件,W7W3W8W5。试件参数见表1,试件尺寸见图l

1试件参数

 

1试件尺寸图

2、试验概况

    2.1材料强度

    旧砖实测强度等级为MUl0;砌筑砂浆的实测抗压强度为l.4MPa;掏缝置换用水泥砂浆的实测抗压强度为13.1MPa;加固用水泥砂浆的实测抗压强度为8.5 MPa。由6钢筋的屈服强度为431.7MPa,极限强度为645.8MPa

    2.2加载制度

    试件WlW5采用5个竖向同步千斤顶施加竖向荷载,试件的实际受力为单个千斤顶荷载读数的5倍。试验采用l015级的逐级加载方式,每级荷载持荷3mm,再施加下级荷载。

    试件W6W8首先施加竖向荷载,竖向荷载通过两个竖向千斤顶施加于试件四分点处,W6每个竖向千斤顶施加50kNW7W8每个千斤顶施加100kN,使3个砖墙的竖向压应力均为0.3MPa(考虑钢筋网水泥砂浆层承受的竖向压力)。待竖向荷载稳定后用MTS水平作动器施加水平荷载,开始为荷载控制,每级循环一次。当试件屈服或水平位移达到2.0mm时转为位移控制,每级循环一次。当荷载下降至峰值荷载的85%时,试验结束。

    2.3数据采集

    为了解砖墙受力过程的变形情况,在砖墙、钢筋和拉筋的不同位置布置应变片和水平位移计。为测试W2W4未加固一侧砖墙的变形情况,特在砖墙局部做水泥砂浆找平层用于粘贴应变片。采用 DH3816静态应变测量系统进行数据采集。

3W1W5试验结果与分析

    3.1破坏形态

    对比试件Wl在荷载增加至l55kN时,南侧西上角砖块开裂;随着荷载继续增加,南侧砖块裂缝继续开展;当荷载增加至225kN时,北侧出现多处砖块裂缝;当荷载增加至400kN时,东侧试件中间出现至上而下的贯通裂缝(2);当荷载增加至535kN时,试件局部砖块压碎、竖向裂缝贯通、试件破坏。

 

2 W1侧面出现竖向贯通裂缝

    单侧钢筋网水泥砂浆加固的试件W2在荷载增加至250kN时,在南侧(未加同侧)中上部出现砖块竖向裂缝;当荷载增加至350kN时,北侧(钢筋网砂浆加固侧)中上部钢筋网水泥砂浆层出现水平贯通裂缝。试件呈明显的偏压特征。当荷载增加至510kN时,钢筋网砂浆层沿水平贯通裂缝折断、下端与底梁交接处剪坏、砂浆层与砖墙剥离、局部拉筋拉起(3),荷载急剧下降,但此时砖墙破坏不明显,仅南侧局部砖块开裂。继续进行加载,试件仍能继续承载;当荷载再次增加至475kN时,试件侧面形成从上至下的贯穿裂缝,试件侧面倾斜恢复,砖墙发生轴压破坏,局部砖块压碎。试件呈典型的承载力双峰值特性,说明钢筋网水泥砂浆层与砖墙的应力峰值不同步。

 

3 W2砂浆层与砖墙剥离、局部拉筋拉起

    双侧钢筋网水泥砂浆加固的试件W3在荷载增加过程中未见明显裂缝,当荷载增加至ll85kN时,试件砂浆层中上部突然出现沿水平向断裂(4),砂浆层与砖墙剥离、砂浆层内钢筋屈曲,试件侧面出现竖向贯通裂缝、局部砖块压碎,试件破坏。

 

4 W3砂浆层中部沿水平向断裂

    单侧钢筋网砂浆加同并掏缝置换的试件W4在荷载增加至250kN时,在西侧和南侧(未加固侧)上部出现砖块竖向裂缝;当荷载增加至400kN时,东、南和西侧砖块裂缝继续发展,北侧(钢筋网砂浆加固侧)出现水平和斜向裂缝,试件南侧的压缩变形明显大于北侧;当荷载增加至500kN时,东侧钢筋网砂浆层与砖墙剥离;当荷载增加至575kN时,试件东、西侧钢筋网水泥砂浆与砖墙从上而下脱开,拉筋角部拉起(5),局部砖块压碎,试件破坏。

 

5 W4拉筋端部弯起

    双侧钢筋网水泥砂浆加固并掏缝置换的试件W5在荷载增加过程中未见明显裂缝,当荷载增加至1250kN时,试件突然出现钢筋网砂浆层角部裂缝、砂浆层与砖墙剥离、砂浆层内钢筋屈曲,试件侧面出现竖向贯通裂缝、局部砖块压碎,试件破坏。

    3.2试验结果分析

    (1)受压承载力对比

    W1W5的开裂荷载和破坏荷载对比如表2所示。

2主要试验结果

试件

开裂荷载

破坏荷载

破坏荷载提高幅度

编号

(kN)

(kN)

()

W1

155

535

W2

250

510

-47

W3

1185

1185

121

W4

250

575

75

W5

1250

1250

134

  由表2可知,采用单侧钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙(W2W4)的开裂荷载有所提高(提高61),但受压承载力没有明显提高。采用双侧钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙(W3W5)的开裂荷载和极限荷载基本相同,试件出现裂缝后马上进入破坏阶段,双侧加同试件的受压承载力较对比试件有明显提高,提高幅度达121%~l34%。

  (2)应变分析

  试件W2水平应变对比见图6所示,其中1#应变片布置在拉筋上,l6#17#粘贴在水平钢筋上,24#34#应变片分别布置在未加固墙面(粘贴在附加的水泥砂浆面层上)和加固砂浆面层的中心水平位置处。试件W2竖向应变对比见图7所示,8#9#应变片粘贴在竖向钢筋上,21 #23 #25#布置于非加固墙面一侧竖向位置,31#33#35#布置在加固砂浆面层一侧竖向位置。

 

6 W2水平应变对比图

    由图6可知,随着荷载增加,拉筋和水平钢筋的应变明显增大,说明拉筋和水平钢筋在试件受力后期逐渐起作用;未加固一侧砖墙的水平应变变化较复杂,而加固一侧水平应变逐渐变大。

 

7 W2竖向应变对比图

    由图7可知,W2在受力过程中呈明显的偏压特性,加固一侧砂浆表面的竖向应变为拉应变而砂浆内钢筋的竖向应变为压应变,且未加固一侧砖墙表面的竖向应变亦为压应变,这与试验过程中未加固一侧竖向变形大的现象一致。

    试件W3水平应变对比见图8所示,其中1 #3#应变片布置在拉筋上,l4#16#粘贴在水平钢筋上,26#28#应变片分别布置在两侧加固砂浆面的水平位置。试件W3竖向应变对比见图9所示,8#l0#应变片粘贴在竖向钢筋上,23 #27#29#布置在两侧加固砂浆面的竖向位置。

 

8 w3水平应变对比图

    由图8可知,砂浆表面与水平钢筋的应变相近,说明钢筋网砂浆层能协调工作;拉筋应变为拉应变,说明拉筋在加载过程中起明显的拉结作用。

    由图9可知,竖向钢筋与两侧砂浆层的竖向应变基本一致,共同工作性能较好,试件呈典型的轴压特征。

 

9 W3竖向应变对比图

  (3)破坏机理

    本次研究表明,采用单侧钢筋网水泥砂浆进行受压承载力加固后,由于旧砖墙和砂浆层的弹性模量存在较大差异,导致旧砖墙与砂浆面层不能很好的协同工作;未加固一侧由于弹性模量较小而压缩变形较大,加同一侧弹性模量大而压缩变形较小,使旧砖墙呈典型的偏压受力特征。拉筋亦不能保证钢筋网水泥砂浆层与砖墙协同工作,在加载后期拉筋端部拉起而逐渐失去作用。随着荷载增大,加固砂浆层产生水平向贯通裂缝,并在受荷后期折断,使加固层完全退出工作,而此时的旧砖墙却没有明显的破坏,荷载达到第一个峰值荷载;继续加载,砖墙仍将出现第二个峰值荷载,使单侧加固试件出现双峰值特性,加固试件的极限荷载为两个峰值荷载的较大值。试验表明,单侧加固对受压承载力没有明显提高。

    采用双侧钢筋网水泥砂浆加固后,由于两侧加固层的弹性模量和刚度相同,加同后试件形同夹心墙板受力,加固后试件仍为轴心受压。砖墙和拉筋对钢筋网水泥砂浆层有明显支撑作用,拉筋把钢筋网水泥砂浆层拉结成整体受力,显著提高了砖墙的竖向承载力,提高幅度达121%~l34%。但由于砂浆强度和弹性模量明显大于旧砖墙,使加固层与旧砖墙受力不协调,一侧加固层出现裂缝试件即达极限,预兆不明显。

  (4)理论分析

  根据本次研究结果,双侧钢筋网水泥砂浆加固砖墙的竖向承载力可按式(1)进行计算。

  P=φ·[f·A+αv·(fc+fy·As)](1)式中:P为加固砖墙的竖向承载力;φ为高宽比和轴向力偏心矩对受压砖墙的影响系数;f为砌体抗压强度;A为砌体受压面积;αv为竖向荷载作用下钢筋网水泥砂浆与砖墙的共同工作系数;fc为加固砂浆层抗压强度;Ac为加固砂浆层受压面积;fy为钢筋抗压强度;As 为钢筋受压面积。

    根据本次试验的材料强度,可得共同工作系数αv=0.58。αv与砌体和钢筋网水泥砂浆层的强度比及弹性模量比有关,还需通过进一步的试验研究验证。

4W6W8试验结果与分析

  4.1破坏形态

    对比试件W6在水平荷载增加至lkN时,墙体东侧出现少数砖块的竖向裂缝;当荷载增加至26kN时,墙体西侧偏北位置出现多块砖的竖向裂缝;当水平荷载增加至30kN时,墙体的水平位移达到2mm,转为位移控制。当水平位移增加至4.5mm时,墙体两侧出现斜向沿对角线方向的裂缝,裂缝长度和宽度随水平位移的增加而增加;当水平位移增加至16mm时,墙体斜向x形交叉裂缝明显(10),最大裂缝宽度达l2mm,墙体水平承载力明显下降,试验结束。

 

10 W6X形交叉斜裂缝

    双侧钢筋网砂浆加固的试件W7在荷载控制时未出现可见裂缝。当荷载增加至110kN时,水平位移大于2mm,改为位移控制。当水平位移增加至4.7mm时,墙体在北侧下角部出现水平裂缝,裂缝长度随着水平位移的增加而缓慢增长,但未发现斜向裂缝。当水平位移增加至l5.2mm时,伴随两声巨响试件出现多条斜向裂缝,墙体南侧下端灰缝与砖墙错动、明显偏位,角部部分加固砂浆层剥落、钢筋弯曲,少数砖块断裂。随着水平位移的继续增加,墙体形成x形交叉斜裂缝(11),水平承载力明显下降,试验结束。

 

11 w7x形交叉斜裂缝

    双侧钢筋网砂浆加固并掏缝置换的试件W8在水平位移增加至4.0mm/时,在试件西北侧下端出现水平裂缝;随着水平位移的增加,试件下端的水平裂缝继续开展;当水平位移增加至l2mm时,试件出现斜向裂缝;水平位移增加至14mm时,试件下端的水平裂缝贯通,斜向裂缝两端继续发展;当水平位移增加至18mm时,试件下端水平错动,试件角部砖块压碎(12),斜向裂缝继续增加;水平位移增加至22mm时,试件下端错动,荷载明显下降,试件角部加固砂浆层与砖墙脱开、开裂、剥落,试验结束.

 

12 W8角部砖压碎、砂浆破坏

  4.2试验结果分析

  (1)滞回性能

  W6W8的荷载一位移滞回曲线如图l3~图l5所示,骨架曲线对比如图16所示。

 

  由图l3~图l6可知,W6W8的滞回曲线存在较大差异。对比试件W6的滞回曲线存在明显的捏缩效应,试件的耗能能力相对较差、水平承载力较小:加固试件W7W8滞回环所围合的面积明显变大、耗能能力明显提高,破坏位移亦有明显增加。加固试件的水平承载力显著增加,其中W7正向()提高517%、反向()提高250%;W8正向()提高263%、反向()提高612%。由于掏缝置换既可提高砖墙灰缝与钢筋网水泥砂浆层的连接,又可提高砖墙的抗剪强度,使W8水平承载力的提高幅度略大于w7。另外,W7W8均表现出双向受力性能的不对称特性。

    (2)拉筋应变分析

    加固试件w7拉筋的应变变化见图17所示。1 #5#应变片粘贴在不同位置的拉筋上。

 

17 w7拉筋应变变化

    由图l7可知,除l#拉筋外,其余拉筋的应变在水平荷载增加过程中无明显变化,说明拉筋对水平承载力的影响可忽略,这与文献[11]的结论相同。1#拉筋位于试件的下角部,由于加载后期该位置加固层与砖墙剥离,因而其应变随水平荷载的增加而明显增大。

    虽然拉筋对水平承载力加固的作用不明显,但由图8可知,拉筋对受压承载力加固有明显有利作用。

    (3)加固机理

    本次研究表明,双侧抗震加固旧砖墙的钢筋网水泥砂浆层和旧砖墙能很好地协同工作。随着荷载增加,首先在钢筋网水泥砂浆层与底梁结合处出现水平裂缝,然后在加固层上出现斜裂缝;随着荷载继续增加,下角部加固层与砖墙剥离、角部砖块压碎,水平荷载明显下降,试件破坏。破坏时钢筋网水泥砂浆加固层大部分仍与砖墙结合较好,保持整体受力。

    《建筑抗震加固技术规程》(JOJll6-98)8。建议根据加固砂浆层厚度和强度、加固层数和砖墙砌筑砂浆强度确定不同的抗震能力增强系数,但没有考虑砖墙竖向应力的影响。本文认为加固砖墙的抗侧力由砖砌体、加固砂浆层和钢筋网三部分共同承担。试验表明,试件接近破坏时,砖墙灰缝和加固砂浆层均发生明显破坏,其对加固砖墙的贡献度较大;而整个受力过程中竖向钢筋的应变均较小,因而其对加固砖墙水平承载力的贡献度相对较小。综合本文和参考文献的试验结果,建议钢筋网间距可适当放宽至300400mm

5、结论与建议

    (1)研究表明,双侧钢筋网水泥砂浆加固旧砖墙是一种有效的加固方法,不仅可提高其抗震能力,还可大幅提高其受压承载力。

    (2)旧砖墙采用双侧钢筋网水泥砂浆加固后,受压承载力提高l21%~l34%;加固后两侧砂浆层和钢筋网的受力基本同步协调,但其破坏预兆不明显。采用单侧钢筋网水泥砂浆加固试件的受压承载力没有明显改善,加固试件呈典型的双峰值特性,加固层与旧砖墙未能有效协同工作。为保证受压承载力的加固效果,本文建议选用双侧加固,该方法已在上海思南路风貌别墅加固工程中得到实践,取得了满意的效果。

  (3)研究表明,旧砖墙采用双侧钢筋网水泥砂浆加固后水平承载力提高250%~612%;加固后两侧钢筋网水泥砂浆层与旧砖墙的受力基本协调,破坏后加固层仍和砖墙较好连接,具有较好的整体性。

  (4)试验结果表明,用于拉接双侧钢筋网的穿墙拉筋对抗震加固作用不明显,但对受压承载力加固有明显有利作用。

    (5)掏缝对钢筋网水泥砂浆加固砖墙竖向承载力和水平承载力有一定效果,且掏缝可明显提高砖墙的耐久性能。

参考文献

[1]朱伯龙,吴明舜,蒋志贤.砖墙用钢筋网水泥砂浆面层加固的抗震能力研究[J].地震工程与工程振动,19844(1)70—81

[2]楼永林.夹板墙的试验研究与加固设计[J].建筑结构学报,19889(4)1—12

[3]黄忠邦.水泥砂浆及钢筋网水泥砂浆面层加固砖砌体试验[J].天津大学学报,l99427(6)764-770

[4]苏三庆,丰定国,王清敏.用钢筋网水泥抹面加固砖墙的抗震性能试验研究[J].西安建筑科技大学学报,199830(3)228—232

[5]谈永奎.砖墙体加固抗震性能的试验比较[J].工业建筑,200131(7)65—67

[6]王天贤.加固再役KPl砖墙的抗震性能试验研究[J].重庆建筑大学学报,200325(3)51—54

[7]李明,王志浩.钢筋网水泥砂浆加固低强度砂浆砖砌体的试验研究[J].建筑结构,200333(10)34—36

[8]JGJ ll6_98建筑抗震加固技术规程[s]

[9]张代涛,宋菊芳.钢筋网水泥砂浆加固砖砌体房屋振动台试验研究[J].工程抗震,l996(3)32—36

[10]苏三庆,丰定国.用夹板墙加固砖房的抗震性能[J].西安建筑科技大学学报,l99830(3)233—23

[11]黄忠邦.钢筋网水泥砂浆加固砖墙中关于拉结筋的试验研究[J].实验力学,l9949(4)383—359

(本文来源:陕西省土木建筑学会  文径网络:温红娟  刘红娟  尹维维 编辑 文径 审核)