趙亞軍,吳 昊,許 巖,劉 洋,方賓彬

(1.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學(xué) 力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,河北 邯鄲 056038;3.河北省裝配式結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 邯鄲 056038;4.國(guó)機(jī)集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司,北京 100080)

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

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的嵌縫加固方法進(jìn)行了大量研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn):嵌縫加固可以提高砌體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度,減緩磚砌體內(nèi)部裂縫的開(kāi)展,提升了砌體的整體性[7]。同時(shí),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(zhuǎn)變?yōu)楦哐有缘膹澕羝茐幕驈澢茐?顯著提高砌體結(jié)構(gòu)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(qiáng)[10-11]。水平嵌縫加固能夠限制斜裂縫的開(kāi)口,垂直嵌縫加固可防止水平加固引起的沿單個(gè)砂漿層接縫的滑動(dòng)破壞,減緩峰值后荷載下降速度,從而提升結(jié)構(gòu)延性[12-13]。

既有文獻(xiàn)對(duì)于嵌縫加固砌體結(jié)構(gòu)的抗剪承載能力的研究,主要考慮在砌體結(jié)構(gòu)的通縫中嵌入板材或通長(zhǎng)鋼筋對(duì)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(duì)砌體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。砌體結(jié)構(gòu)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(duì)砌體結(jié)構(gòu)易受破壞的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性加固,增強(qiáng)加固區(qū)域的層間聯(lián)系,從而提升砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。本文使用鋼帶和鋼筋彎折成“弓”字型對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的齒縫進(jìn)行嵌縫加固,利用數(shù)字圖像相關(guān)方法(Digital Image Correlation,DIC)獲取試件位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),研究不同加固工況的砌體試件抗剪性能,并用ABAQUS對(duì)抗剪試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析嵌入鋼帶對(duì)砌體力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)磚塊采用MU10燒結(jié)普通磚;砂漿采用M5混合砂漿;嵌入材料參數(shù)由表1所示。

表1 嵌入材料參數(shù)

試件尺寸如圖1所示,灰縫厚度為10 mm。對(duì)試件的齒縫進(jìn)行開(kāi)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(shè)計(jì)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(gè)試件。

圖1 試件示意圖(單位:mm)

1.2 加載方案

根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50129—2011)的規(guī)定,將嵌縫加固磚砌體試件養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗剪試驗(yàn),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(jī)采集試件位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),試件測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 測(cè)試裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞模式

在試件加載過(guò)程中,未加固的試件沒(méi)有明顯的破壞預(yù)兆,在持續(xù)加載到極限荷載時(shí),試件突然開(kāi)裂,發(fā)生脆性破壞,如圖3(a)所示。

圖3 破壞形態(tài)對(duì)比

單面鋼帶加固試件如圖3(b)和(c)所示,未加固側(cè)破壞明顯,兩道通縫砂漿均出現(xiàn)開(kāi)裂,加固側(cè)的其中一道通縫砂漿完全裂開(kāi),另一道通縫砂漿只有上方開(kāi)裂。嵌入的弓字型鋼帶能夠提高砌體的整體性,使整個(gè)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(shí),嵌入的鋼帶或鋼筋因受力發(fā)生變形,在節(jié)點(diǎn)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(duì)成型緊湊,如圖3(d)和(e)。從破壞結(jié)果來(lái)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(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)分析

以未加固試件和雙面鋼帶加固試件為例,采用DIC技術(shù)對(duì)試件在不同加載階段的位移和應(yīng)變情況進(jìn)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(chǎng),圖中虛線為嵌縫加固位置。由圖可知,當(dāng)各試件加載至極限荷載的50%時(shí),試件的上下端和左右端出現(xiàn)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(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí),未加固試件的橫向和縱向位移云圖都出現(xiàn)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(dá)到極限荷載時(shí)的位移云圖分布與其50%Pmax時(shí)一致,縱向位移比未加固試件增加23%。

圖4 試件橫向位移場(chǎng)

圖5 試件縱向位移場(chǎng)

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(yīng)變場(chǎng)。當(dāng)各試件加載至極限荷載的50%時(shí),砌體試件的上下端出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域;雙面鋼帶加固試件的灰縫處出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū),大小為整段灰縫長(zhǎng)度的1/4。當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí),未加固試件的一側(cè)出現(xiàn)貫穿灰縫2/3的應(yīng)變集中帶,之后試件沿著應(yīng)變集中帶發(fā)生單剪破壞;雙面鋼帶加固試件的應(yīng)變集中區(qū)穩(wěn)定在固定區(qū)域沒(méi)有向上發(fā)展,另一側(cè)灰縫底部和上部也出現(xiàn)分散的應(yīng)變集中區(qū),隨后試件發(fā)生雙剪破壞。

圖6 試件剪切應(yīng)變場(chǎng)

由此可知,嵌入鋼帶能夠限制砌體結(jié)構(gòu)的層間位移,提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性,砌體灰縫應(yīng)力集中的現(xiàn)象得到改善。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)砌體試驗(yàn)規(guī)范的規(guī)定,砌體沿通縫截面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)值fv取試件的極限荷載除以?xún)蓚€(gè)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(gè)受剪面的面積,mm2。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2和圖7可知,未加固試件抗剪強(qiáng)度平均值為0.237 MPa,單面嵌入鋼帶加固試件抗剪強(qiáng)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(qiáng)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?jiàn),鋼帶嵌縫加固能明顯提高砌體試件的抗剪強(qiáng)度,增加砌體的極限位移。

圖7 極限位移

表2 試驗(yàn)結(jié)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(dá)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(dá)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(gè)階段。階段Ⅰ:加載初期到峰值荷載,試件在經(jīng)歷短暫的線彈性階段后便進(jìn)入非線性階段,曲線斜率快速增長(zhǎng),嵌入材料將灰縫的剪力分散到整個(gè)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(dān)拉力,達(dá)到峰值荷載后試件沒(méi)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(jiàn),嵌縫加固在增加砌體結(jié)構(gòu)的極限承載力和極限位移的同時(shí)還可以提高其受剪切破壞的延性,改善砌體結(jié)構(gòu)脆性破壞的特征。

3 嵌縫加固數(shù)值模擬

3.1 材料本構(gòu)

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(diào)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(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度變化情況。

試驗(yàn)使用的燒結(jié)普通磚和混凝土同為脆性材料,可采用砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系本構(gòu)[14],以及修改過(guò)的混凝土受拉本構(gòu)模型[15]:

(2)

(3)

(4)

式中:η取1.633;fcm和ftm為砌體抗壓強(qiáng)度平均值和抗拉強(qiáng)度平均值,MPa;εcm和εtm分別為fcm和ftm所對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)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(jù)劉桂秋[16]關(guān)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(qiáng)度平均值,MPa。

由試驗(yàn)現(xiàn)象可知,砌體結(jié)構(gòu)在受到剪切破壞時(shí),一般是砂漿層與磚塊之間發(fā)生粘結(jié)破壞。為了更真實(shí)地反映砌體結(jié)構(gòu)受剪破壞時(shí)的情況,使用粘性接觸(Cohesive Behavior)來(lái)模擬砂漿層,粘性界面層采用牽引力-分離雙線性本構(gòu)模型定義法向應(yīng)力和切向應(yīng)力與對(duì)應(yīng)界面位移的關(guān)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(gè)切向的牽引力;δs,δt分別為兩個(gè)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(zhǔn)確地模擬出砌塊與灰縫砂漿之間的粘結(jié)破壞,從而更好地吻合實(shí)際結(jié)果[17-18]。

3.2 模型與單元選擇

砌體結(jié)構(gòu)中的磚塊和砂漿具有非線性和離散性的特征,因此對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬存在較大困難,同時(shí)也難以建立統(tǒng)一的建模方式?；诋?dāng)前的研究成果,可將砌體結(jié)構(gòu)的建模方式劃分為兩類(lèi),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(lái)模擬,該單元容易收斂,在求解應(yīng)力和位移時(shí)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(yàn)所用鋼帶的模擬。灰縫砂漿使用基于牽引力-分離雙線性本構(gòu)模型的Cohesive Behavior模擬,可以更為真實(shí)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(shù)值模擬結(jié)果對(duì)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(yīng)力云圖。由圖可知,ABAQUS所模擬的試件是絕對(duì)對(duì)稱(chēng)的,所以試件的兩條灰縫在模擬中受力一致,其剪應(yīng)力的分布規(guī)律與DIC所測(cè)得的剪應(yīng)變場(chǎng)吻合度較高。未加固試件的剪應(yīng)力貫通灰縫,雙面鋼帶加固試件的應(yīng)力沒(méi)有貫通灰縫,而是穩(wěn)定在了固定區(qū)域。

圖11 試件剪應(yīng)力云圖

圖12和圖13分別為鋼帶mises應(yīng)力云圖和加固試件的鋼帶分離前后砌塊最大主應(yīng)力云圖對(duì)比。由圖可知,鋼帶受到的應(yīng)力集中在彎折節(jié)點(diǎn)處,即砌體結(jié)構(gòu)的齒縫處。鋼帶受到磚塊傳來(lái)的剪力后被拉直,在剪力的持續(xù)作用下與砂漿分離,對(duì)應(yīng)了沿通縫截面抗剪試驗(yàn)中雙面鋼帶加固試件在破壞之前會(huì)發(fā)出異響的現(xiàn)象。鋼帶承擔(dān)了作用在灰縫上的應(yīng)力,進(jìn)而提升了砌體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

圖12 鋼帶mises應(yīng)力云圖

圖13 鋼帶分離前后砌塊最大主應(yīng)力云圖對(duì)比

不同寬度鋼帶嵌縫加固砌體沿通縫抗剪試件的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度也隨之提高。

表3 嵌入不同寬度鋼帶試件的抗剪強(qiáng)度

通過(guò)ABAQUS對(duì)砌體沿通縫截面抗剪試件進(jìn)行有限元分析,進(jìn)一步驗(yàn)證了嵌縫加固可增加砌體結(jié)構(gòu)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(qiáng)化了灰縫的力學(xué)性能,彌補(bǔ)了砌體結(jié)構(gòu)抗剪能力不足、整體性差的缺點(diǎn)。

4 結(jié)論

1)對(duì)砌體試件嵌縫加固可以提高砌體結(jié)構(gòu)的整體性,嵌入材料能夠?qū)⒒铱p剪力分散到整個(gè)試件中,并且可以限制砌體的層間位移,使整個(gè)結(jié)構(gòu)受力更加均勻,減緩了砌體灰縫應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

2)嵌縫加固能明顯提高砌體的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度比未加固的抗剪強(qiáng)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(duì)砌體抗剪能力的提升更加明顯。

3)嵌入材料的拉結(jié)作用可以提高砌體結(jié)構(gòu)的延性,改善砌體結(jié)構(gòu)脆性破壞的特征,使結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載后不會(huì)立刻完全喪失承載能力。

4)通過(guò)數(shù)值模擬的方法,驗(yàn)證嵌入鋼帶對(duì)砌體結(jié)構(gòu)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(qiáng)度提升率。