單夢(mèng)阿， 阿肯江·托呼提， 劉偉佳， 馬彥兵

(新疆大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 烏魯木齊 830047)

0 引 言

到目前為止，常用于修復(fù)土坯砌體結(jié)構(gòu)裂縫的方法有注漿填補(bǔ)縫隙。但Blondet等[6]認(rèn)為注入黏土基漿液只能部分恢復(fù)總體剛度和承載力，故提出對(duì)注入黏土基漿液后，在其內(nèi)部和外部安裝尼龍繩網(wǎng)，進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。研究表明，此方法可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。秘魯天主教大學(xué)的研究小組[7]用甘蔗、竹子、土工格柵等對(duì)房屋進(jìn)行加固試驗(yàn)研究。最后考慮到加固方式的適用性，采用液體泥漿灌注裂縫，并用繩索對(duì)整體房屋進(jìn)行加固測(cè)試，結(jié)果表明，此方法可以有效控制房屋的倒塌。澳大利亞悉尼科技大學(xué)研究小組[8]使用堅(jiān)硬的竹子、絲線和木材圈梁對(duì)土坯房子進(jìn)行加固。試驗(yàn)表明，可以推遲裂縫出現(xiàn)，提高房屋的整體強(qiáng)度，防止倒塌。黃金勝等[9-10]采用鋼絲網(wǎng)、玻璃纖維對(duì)夯土墻體進(jìn)行加固試驗(yàn)，最終均提高了墻體的變形能力和承載能力。常衛(wèi)華等[11]用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿、木柱梁對(duì)土坯墻體進(jìn)行加固研究，研究表明此類方法對(duì)墻體的剛度、延性、承載力、整體性均有所提高。

隨著研究的深入，針對(duì)生土建筑業(yè)出現(xiàn)了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[12]。本文旨在研究用泥漿修復(fù)房屋損傷部位，并用鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固縱橫墻體連接處，對(duì)房屋模型進(jìn)行靜力推覆試驗(yàn)分析，進(jìn)行加固抗震評(píng)估，為此領(lǐng)域研究提供一定的參考。

1 修復(fù)加固方法

1.1 破壞前的模型試驗(yàn)

為了研究土坯房屋的抗震性能，參考新疆當(dāng)?shù)孛窬?，在新疆大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建立了1∶2比例的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型結(jié)構(gòu)為2開間的單層房屋，房屋尺寸3.3 m×2.25 m，層高1.5 m，墻厚200 mm(房屋的平面見圖1)。土坯材料由當(dāng)?shù)刭?gòu)買，土坯磚根據(jù)前期研究成果，在天然土中摻入0.5%質(zhì)量比的麥秸稈，用傳統(tǒng)的方法通過模具鑄造成形。土坯磚養(yǎng)護(hù)好后，在混凝土底座上開始砌筑房屋模型。

圖1 房屋平面圖(mm)

試驗(yàn)開始前，屋面荷載根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》可以計(jì)算得到，荷載為1.2 t。按試驗(yàn)要求將兩層土坯磚均勻地放在木板上，木板被固定于木檁上。在相應(yīng)位置安放位移計(jì)，并與數(shù)據(jù)采集儀、電腦相連接，以便記錄采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。裝配后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 房屋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔ焱瓿?個(gè)月后，在房屋后墻墻壁高度約2/3處，通過電液伺服作動(dòng)器(MTS)施加單調(diào)水平荷載，模擬地震的水平作用。在試驗(yàn)過程中，對(duì)砌體墻的受力-位移響應(yīng)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并記錄了開裂損傷。根據(jù)記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)水平承載力下降至極限荷載的85%時(shí)，認(rèn)為房屋臨近破壞，終止試驗(yàn)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，砌體的裂縫開展情況為：裂縫最先出現(xiàn)在后墻內(nèi)側(cè)，產(chǎn)生一條水平裂縫。隨著荷載的增加在后墻受平面外彎矩也隨之增大，導(dǎo)致裂縫向墻體兩端延伸，最終呈階梯狀裂縫。內(nèi)墻在荷載作用下，在門洞口兩側(cè)的墻體產(chǎn)生45°裂縫。荷載傳至前墻時(shí)，受平面外荷載作用，在門窗洞口的角部也出現(xiàn)45°裂縫。側(cè)墻的受力開始主要是在內(nèi)墻嚴(yán)重破壞退出工作后，在縱橫墻連接處沿著灰縫產(chǎn)生豎向裂縫，如圖3所示。

圖3 房屋的裂縫示意圖

當(dāng)施加的荷載超過15.6 kN時(shí)，土坯房屋產(chǎn)生裂縫，損傷開始發(fā)展。由圖4可知房屋結(jié)構(gòu)的極限荷載為26.05 kN，隨后又出現(xiàn)上升階段。分析原因知：由于試驗(yàn)前期，木板沒能充分地分配荷載，導(dǎo)致中墻承擔(dān)大部分荷載，兩側(cè)墻承受較小荷載；當(dāng)中墻退出工作之后，兩側(cè)墻主要承擔(dān)荷載，故出現(xiàn)上升現(xiàn)象。

綜上可知，裂縫主要集中在后墻、中墻以及縱橫墻連接處，損傷的位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象。恰好說明試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼w性差，屋頂水平上缺乏隔膜作用。破壞機(jī)理主要是土塊和砂漿之間的黏合效果差。此外，注意到木材構(gòu)件完好無損，只是與砂漿接頭出現(xiàn)微小滑移，導(dǎo)致屋頂支撐附近的墻面水平開裂。

圖4 力-位移曲線與對(duì)應(yīng)的損傷狀態(tài)

1.2 泥漿修補(bǔ)裂縫

泥漿灌注裂縫修補(bǔ)方法主要用于歷史古跡，它的主要目的在于盡可能恢復(fù)原始結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度[13]。本文旨在修補(bǔ)裂縫，為了達(dá)到所需泥漿，應(yīng)將篩過的土壤與水和所需的麥秸稈充分混合，直至獲得均勻的流體糊狀物。土壤顆粒通過標(biāo)準(zhǔn)方孔砂石篩(1 mm開口)，然后添加0.5%(質(zhì)量比)的干切碎麥秸稈，并添加25%(質(zhì)量)水，進(jìn)行徹底地?cái)嚢杌旌稀?/p>

在修補(bǔ)之前，清理裂縫中的土壤粉末與碎土顆粒，并在裂縫部位灑上一定量的水，使其濕潤(rùn)。然后用泥漿充分填補(bǔ)裂縫區(qū)域。此方法在修補(bǔ)歷史古跡的情況下，一定是逐步清理裂縫并注漿修復(fù)，盡量保持原來結(jié)構(gòu)形式。圖5為土坯房屋砌體修補(bǔ)過程。當(dāng)遇到細(xì)小的裂縫時(shí)，使用注射器將泥漿混合物注入受損區(qū)域，使裂縫充滿泥漿。

圖5 泥漿填補(bǔ)墻體裂縫

1.3 鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固

網(wǎng)格加固的好處在于地震嚴(yán)重破裂后保持墻體的完整性，防止已經(jīng)破壞墻壁部分翻倒脫落，造成人員的傷亡。網(wǎng)格的材料種類很多，本文采用鋼絲網(wǎng)并配合水泥砂漿對(duì)縱橫墻體角部、較大裂縫處、墻體頂部進(jìn)行局部加固。在墻體角部、頂部的鋼絲網(wǎng)砂漿形成“弱框架”，對(duì)墻體形成一定的約束作用，進(jìn)而提高墻體承載力、變形能力?？v橫墻處的鋼絲網(wǎng)水泥砂漿增加了拉結(jié)作用，房屋的整體性也有所提高。

鋼絲網(wǎng)為鍍鋅點(diǎn)焊式網(wǎng)片，直徑為2 mm,網(wǎng)格間距為25 mm×25 mm，砂漿為M5水泥砂漿。房屋模型的墻體加固示意圖如圖6所示。加固過程為：在縱橫墻連接處的墻體，主要的裂縫位置，用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔(鉆孔未影響墻體強(qiáng)度)，并在孔中穿入直徑為2 mm的鐵絲。然后在墻體表面抹一層2 mm厚的泥漿面層，在面層干燥后將鋼絲網(wǎng)片用鐵絲固定在墻體表面，鐵絲與網(wǎng)片采用S型綁扎。最后在鋼絲網(wǎng)表面抹一層水泥砂漿約10 mm，并灑水養(yǎng)護(hù)。加固后的模型如圖7所示。

圖6 加固順序的示意圖

圖7 加固后的整體房屋模型

2 修復(fù)加固后的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

加固后的房屋在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1個(gè)月后，對(duì)房屋模型再次進(jìn)行單調(diào)水平載荷試驗(yàn)。采用相同的加載制度，觀察加載過程中墻體裂縫的開展情況并記錄相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

加固后房屋模型墻上觀察到的試驗(yàn)現(xiàn)象如下：加固后的加載制度與加載速率同未加固房屋一致。在位移加載至9 mm時(shí)，墻體無明顯變化，僅聽到些許木頭的聲音以及加載梁位置有少量砂漿掉落(砂漿為了填補(bǔ)加載梁與墻體間的縫隙)；當(dāng)位移加載到18 mm時(shí)，后墻與底座之間出現(xiàn)滑移，并有鋼絲被拉斷的聲音；加載至22 mm時(shí)，未開洞口的側(cè)墻與中墻上的砂漿出現(xiàn)細(xì)小豎向裂縫；施加位移至26 mm時(shí)，后墻與底座間滑移增大，并伴隨較大的木檁條滑動(dòng)聲音；加載至30 mm時(shí)，中墻梁上砂漿出現(xiàn)較大裂縫，并明顯看到鋼絲網(wǎng)斷開(見圖8)，以及后墻未加固的墻體裂縫向下延伸至底座(見圖9)；加載至34 mm時(shí)發(fā)現(xiàn)前墻窗口下未加固的墻體上的裂縫寬度在原有的基礎(chǔ)上增大，以及在右側(cè)墻的窗口下沿原部位產(chǎn)生斜向下45°裂縫并隨著荷載增加裂縫向底座方向延伸寬度增大(見圖10)；最后在荷載下降到85%后，施加了10 mm級(jí)的位移，導(dǎo)致墻體整體與底座分裂，從側(cè)面說明了鋼絲網(wǎng)砂漿加固的整體效果較好。

圖8 中墻鋼絲網(wǎng)水泥砂漿斷裂

圖9 后墻未加固墻體裂縫向下延伸

圖10 側(cè)墻窗口處斜向下45°裂縫延伸變寬

通過試驗(yàn)現(xiàn)象以及裂縫開展情況可知，房屋墻體裂縫開展模式是一致的，在加載位置的墻體上原有的水平和斜向上裂縫的基礎(chǔ)上延伸。盡管修復(fù)加固前后的房屋模型損傷主要發(fā)生在同一面墻體(中墻與后墻)，但大部分裂縫并不完全按照原來的路徑開展。觀察到的失效機(jī)理表現(xiàn)為在加固界面處或者土坯磚與砂漿界面處。另外，鋼絲網(wǎng)水泥砂漿的強(qiáng)度比較高，故被加固位置內(nèi)的墻體未觀察到明顯破壞，而且在縱橫墻連接處的砂漿上也未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，以及最后房屋與底座脫離，整體被抬起，也從側(cè)面說明此種加固方式可以提高整體房屋的整體性。

2.2 力-位移響應(yīng)

在房屋模型后墻施加單調(diào)水平荷載時(shí)，記錄每次加載-卸載過程中所施加的力以及墻上記錄的相應(yīng)位移，得到在相同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的力-位移曲線如圖11所示。

根據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)和相應(yīng)的破壞狀態(tài)，修復(fù)加固后的房屋模型的最大側(cè)向荷載能力為72.3 kN。修復(fù)加固后的房屋模型剛度退化從8 mm(承載力為48.4 kN)時(shí)開始，而在最初的加載測(cè)試中，模型表現(xiàn)為線性加載到7.4 mm(承載力為43.7 kN)。另外，通過圖像可以看出，墻體的剛度不僅完全恢復(fù)，整個(gè)房屋的剛度與彈性變形范圍均有很大的提高，加載過程承載力并沒有發(fā)生特別大的下降突變。最后有趣地發(fā)生整體房屋被抬起的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表明，此種加固可以很大程度上提高整體性，保證房屋不會(huì)倒塌破壞，但是在屋頂木板與墻體間仍然發(fā)生著滑移，表明泥漿的黏結(jié)效果有待改善。

通過對(duì)比修復(fù)加固前后的房屋試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)剛度和承載力均有較大的提高，甚至有點(diǎn)超乎預(yù)想。分析此種結(jié)果的原因如下：

(1) 加載梁的改變。由于前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)木板作為加載梁時(shí)，試驗(yàn)過程中加載梁發(fā)生彎曲變形，不能很好地均勻分布荷載，導(dǎo)致兩個(gè)側(cè)墻提供的剛度、承載力較小。修復(fù)加固后的試驗(yàn)彌補(bǔ)此缺點(diǎn)換為鋼梁加載。

(2) 鋼絲網(wǎng)水泥砂漿提高了整體性。鋼絲網(wǎng)水泥砂漿在縱橫墻的局部加固以及類似“圈梁”的頂部加固取得顯著的效果。加固后保持了縱橫墻體之間的結(jié)構(gòu)連接，控制了過大的位移，避免了局部倒塌，從而保持了結(jié)構(gòu)的完整性。在一定程度上也削弱了應(yīng)力集中的較大破壞。即使前期試驗(yàn)房屋經(jīng)過嚴(yán)重的損壞，加固系統(tǒng)也起到網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的作用。結(jié)構(gòu)未加固周圍分布著裂縫，在門窗開口周圍也出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，但是在很大程度上防止了拐角處的垂直分離開裂。綜述可知此種加固具有一定的價(jià)值和工程參考意義。

3 修復(fù)加固前后抗震能力

3.1 評(píng)估方法

常用的抗震性能評(píng)估的方法有經(jīng)驗(yàn)評(píng)估法、規(guī)范驗(yàn)證法、靜力彈塑性分析法、能量法、動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析法等[14]。本文采用靜力彈塑性分析法，根據(jù)結(jié)構(gòu)的荷載-位移曲線、裂縫分布、結(jié)構(gòu)損傷等指標(biāo)，結(jié)合能力譜法得出抗震性能點(diǎn)進(jìn)而評(píng)價(jià)土坯房屋的抗震性能。靜力彈塑性分析法[15]的主要步驟為建立結(jié)構(gòu)的能力譜和規(guī)范的需求譜，將兩條曲線畫在同一個(gè)坐標(biāo)系中，觀察兩條曲線的交點(diǎn)(性能點(diǎn))情況。將性能點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移與相應(yīng)規(guī)范規(guī)定的容許值進(jìn)行對(duì)比，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足相應(yīng)的抗震要求，流程如圖12所示。

在計(jì)算性能點(diǎn)時(shí)，常用的方法利用延性系數(shù)或阻尼比進(jìn)行迭代求解，過程比較繁瑣，計(jì)算量較大，故許多學(xué)者對(duì)其方法進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了改進(jìn)的能力譜方法。他們基于等價(jià)原則，對(duì)彈性需求譜進(jìn)行折減得到強(qiáng)度折減模型。常用的強(qiáng)度折減模型較多，如Newmark&Hall模型、Vidic,Fajfar&Fischinger模型、卓衛(wèi)東、范立礎(chǔ)模型等，潘文對(duì)眾多模型采用統(tǒng)計(jì)平均的辦法，根據(jù)基本條件和場(chǎng)地類別的特點(diǎn)。利用分離變量的原理，提出的平均折減系數(shù)模型。其計(jì)算公式：

圖12 Pushover流程圖

(1)

式中：參數(shù)A、B的取值見表1；T根據(jù)現(xiàn)有的儀器DH5922N動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)計(jì)算而得；位移延性系數(shù)μ通過下式求得：

μ=du/dy

(2)

式中：du為試件荷載下降到峰值荷載85%時(shí)所應(yīng)的位移；dy為等效屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移。等效屈服點(diǎn)可以通過作圖法確定，如圖13所示：取Fy=0.85Fmax，沿此處作一條水平線：再經(jīng)過原點(diǎn)作曲線上水平荷載為0.6Fy時(shí)點(diǎn)的割線與水平線交于點(diǎn)A，過點(diǎn)A作橫坐標(biāo)軸的垂線，與曲線交于點(diǎn)B，點(diǎn)B即為等效屈服點(diǎn)。

表1 參數(shù)A、B取值

根據(jù)以上方法，可以得到相應(yīng)的ADRS格式的需求譜。再將折減后需求譜與房屋結(jié)構(gòu)的能力譜繪制于同一個(gè)坐標(biāo)系中，即可得到性能點(diǎn)。性能點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位移即為等效單自由度體系在該地震作用下的譜位移。將得到的譜位移按下式

(3)

反算出結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移，根據(jù)原結(jié)構(gòu)的Vb-ut曲線，即可以確定該建筑結(jié)構(gòu)在地震作用下的塑性破壞分布、層間側(cè)移角、總側(cè)移等指標(biāo)，用來檢驗(yàn)評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震能力。

3.2 抗震評(píng)估

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)知，該工程場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震分組為第3組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地，特征周期取0.45 s。通過以上方法與公式建立彈塑性需求譜。并根據(jù)試驗(yàn)所得到的房屋Vb-ut曲線，建立能力譜并繪制與同一個(gè)坐標(biāo)系中。修復(fù)加固前后房屋模型的能力譜與需求譜曲線如圖14、圖15所示。

圖14 能力譜與需求譜曲線(加固前)

圖15 能力譜與需求譜曲線(加固后)

本文參考Tarque通過土坯墻體的試驗(yàn)結(jié)果，給出來了4種極限狀態(tài)(LSs)所對(duì)應(yīng)的限值，以及不同情況下的破壞描述等。它可以與土坯建筑的破壞特點(diǎn)結(jié)合，用來評(píng)估房屋的抗震性能。表2總結(jié)了性能水平、損傷狀態(tài)，以及對(duì)應(yīng)的限值。

根據(jù)上述描述可知，當(dāng)處于LS3狀態(tài)時(shí)，此位移角可以被認(rèn)為是土坯建筑的極限限值。本文得到土坯房屋的位移角如表3所示。

表2 加固前后房屋的頂層位移角與損失狀態(tài)

注：括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為加固后的試驗(yàn)結(jié)果

表3 土坯結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)、位移角、破壞狀態(tài)和性能水準(zhǔn)

由表3可知：該房屋在8度(0.2g)多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)頂部的位移角小于0.26%，結(jié)構(gòu)失去大部分剛度和強(qiáng)度，處于中度破壞狀態(tài)；在基本設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)頂部的位移角大于0.52%，結(jié)構(gòu)無法修復(fù)，處于倒塌階段。加固修復(fù)之后，在基本設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)頂部的位移角小于0.52%，不至于倒塌造成損失。房屋的整體抗震性能得到很大程度的改善，可以滿足設(shè)防烈度的抗震要求。

4 結(jié) 論

本文基于Push-over分析原理，對(duì)修復(fù)加固前后1∶2比例的土坯房屋進(jìn)行靜力推覆試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

(1) 在單調(diào)水平荷載作用下，房屋模型的整體側(cè)向強(qiáng)度主要取決于平面內(nèi)單元的響應(yīng)。破壞機(jī)理為砌塊和砂漿之間的黏合不充分，縱橫墻的弱連接，屋頂與墻體未很好的協(xié)同工作以及力不能均勻地傳遞。

(2) 鋼絲網(wǎng)水泥砂漿對(duì)建筑物初始剛度和側(cè)向強(qiáng)度有顯著恢復(fù)效果。對(duì)縱橫墻連接處雙面加固后，可以使荷載更好的傳遞，土坯房屋的整體性、承載力得到提高，進(jìn)而提高其抗震能力。如果在修筑房屋時(shí)加固可以有效地減少房屋災(zāi)難性的倒塌破壞。

(3) 在8度(0.2 g)多遇地震作用下，素土坯房屋結(jié)構(gòu)處于中度破壞狀態(tài)；修復(fù)加固后的房屋結(jié)構(gòu)，可以滿足設(shè)防烈度的抗震要求，減少一定的損失。

(4) 鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固土坯房屋具有很好的網(wǎng)狀作用，較好地限制了縱橫墻的分裂以及豎向裂縫的開展，但是可能需要增加額外的加固措施(增加圈梁、加強(qiáng)墻體與屋頂?shù)倪B接)來增加隔膜的作用。