干砌撂浆挡墙抗震性能试验研究

干砌撂浆挡墙抗震性能试验研究

0条石砌筑抗震性能与滞回特性的研究石材具有承受压强度高、耐久性好、朴素、美观等特点。许多古老的人类文明和建筑文化都是由具有良好耐用性的石材结构建筑继承下来的。我国福建省盛产优质花岗岩石材,石结构建筑遍及东南沿海各地,具有浓厚的建筑特色和悠久的历史。目前石结构仍是闽东南村镇住宅的主要结构形式。石材是一种脆性材料,其抗弯和抗拉强度均相对较差,加之传统石结构的砌筑砂浆强度较低且往往采用干砌甩浆的施工方法,造成现存的大多数石结构房屋整体性和抗震能力极差,石梁、石板等在冲击荷载下易发生脆断目前关于石砌体结构研究工作存在的问题主要有:(1)已有的研究工作主要是针对石砌体的抗剪强度建立能够反映石墙真实滞回特性的恢复力计算模型是石结构弹塑性地震反应分析的关键技术问题。目前关于条石砌筑承重石墙滞回特性的研究仍少见报道,对该类结构的抗震性能的认识仍不系统。地震反应分析中对石砌墙体的恢复力特性仍主要沿用砖砌体的试验成果。考虑到石墙砌筑块体尺寸、材料性能、灰缝界面特性和砌筑方式等均与传统砖砌块存在较大差异,沿用传统砖砌体的恢复力模型进行石结构地震反应分析无法真正揭示石砌体结构的抗震性能和抗震薄弱环节。因此,开展条石砌筑承重石墙抗震性能和滞回特性研究具有重要理论和工程意义。本文通过5片干砌甩浆石墙的低周反复加载试验,对不同参数试件的抗震性能进行了研究。1试验总结1.1试验构件及试件结构石墙砌筑条石采用福建地产花岗岩粗料石,石材轴心抗压强度为128.5MPa。条石尺寸为570mm×200mm×200mm。共砌筑5个石墙试件,每个试件由混凝土地梁、5皮条石砌筑墙体和上部加载压梁组成,试件的高宽比为0.5,试件几何尺寸如图1所示。石墙均采用当地常用的干砌甩浆砌筑工艺,砌筑灰缝厚度约为30mm。石墙主要砌筑工序如下:(1)在预制RC地梁上干砌花岗岩条石,并通过主石垫片支垫条石,使条石间的缝隙调整为约30mm(图2a);(2)石墙干砌完成后对缝隙甩填砂浆,并同时挤入副垫片(图2b);(3)为了方便试验过程裂缝观察,完成灰缝甩浆工序后再利用低强度的白灰砂浆进行勾缝处理(图2c)。所有试件均由同一名砌墙工人砌筑,以减少因砌筑方式不同而造成石墙性能上的差异。主要试验参数包括砂浆强度f1.2水平荷载加载系统采用低周水平反复加载拟静力试验方法,试装置由竖向加载系统和水平加载系统两部分组成试验装置见图3。竖向荷载由电动液压千斤顶施加,并通过超高压稳压控制台控制试验过程竖向压力的恒定。为了模拟均布压应力和避免试验时试件的转动,竖向荷载通过两液压千斤顶作用在试件压梁上的型钢转换梁上。水平荷载通过MTS伺服加载系统施加于试件上部加载压梁,试验过程采用力和位移混合控制加载。在墙体开裂以前采用力控制,第1步加载为预计开裂荷载的50%,以后每级增量为20kN,每级荷载循环1次。在墙体开裂后采用位移控制,按位移角1/500、1/400、1/200、1/100和1/75对应的位移幅值进行加载,各位移幅值循环3次,直至墙体水平承载力下降为极限荷载的85%时终止试验。1.3墙体变形布置在试验过程中采集的数据包括竖向荷载、水平荷载、墙顶位移、中部位移和支座位移等。位移测点的布置方案如图4所示。图中,位移计G1~G4分别量测石墙体试件墙体顶部和底部的水平位移;G5用于测量压梁与墙体的相对滑移;G6用于测量墙体中部的水平位移;G7为加载时的控制位移。所有力和位移信号均通过MTS-GT控制器和DH3816数据采集仪由计算机自动采集。2试验结果及分析2.1破坏过程和分析2.1.1墙体裂缝的形成过程干砌甩浆石墙是一种由大型石砌块、石垫片和混合砂浆等不同材料砌筑而成的混合体,表现出明显的各向异性。通过试验过程的观察和分析,石墙破坏过程可归纳为如下3个阶段:(1)近似弹性工作阶段。此阶段从开始加载到墙体出现初始裂缝。石墙墙体初始裂缝分别为沿墙体受拉侧水平灰缝开裂和沿墙体中部阶梯状开裂两种形态。开裂荷载P(2)裂缝发展阶段。该阶段为墙体出现初始裂缝到形成墙体主裂缝。在此阶段,随着水平荷载和位移幅值的增加,墙体裂缝持续扩展,直至形成贯通的主裂缝。与初始裂缝形态相对应,主裂缝也有两种典型形态:(1)一字形贯通主裂缝,主要产生于墙体压应力较小且砌筑砂浆强度较高(σ(3)摩擦滑移阶段。墙体主裂缝形成后,灰缝的粘结能力基本丧失,墙体的水平承载能力主要是靠灰缝的摩擦来承担,这一阶段称之为摩擦滑移阶段。该阶段中,随着位移幅值的继续增加,墙体破坏主要体现在被主裂缝分割的墙体主块体沿主裂缝的滑移错动、石垫片的逐步压碎和主裂缝所通过灰缝厚度的逐步压缩。所有试件在加载至1/100位移角幅值后的极限破坏状态如图5所示。从试验现象和图5可知,石墙最终形成以下两种典型破坏形态:(1)类X形阶梯状剪切滑移破坏(图5a、5b、5d、5e),主要特征是随着荷载水平和位移幅值的增加,试件的破坏主要呈现沿阶梯形主裂缝滑移和裂缝中石垫片压碎。在加载后期的较大位移幅值下,墙体两侧的三角形块体因无法随主块体恢复原来的状态而逐步向两侧移动,形成墙体沿横向的“膨胀”变形(图5a、5b)。在当墙体两侧的三角形块体向外滑移位移较大时,阶梯状裂缝逐步退出工作,该部分墙体截面承担的上部压力逐步转移到由中部水平裂缝截面承担,此时,墙体有效抵抗截面减小,中部有效抵抗截面压应力增大,墙体承载力进入退化阶段。对于压应力最大的试件SSW5(σ2.1.2干砌扭浆石结构的灰缝破坏试验过程相对于其它砌体结构,石砌体的砌块强度远比灰缝砂浆强度高,因此石砌体的破坏进程和破坏程度主要表现为灰缝的破坏。干砌甩浆石结构的灰缝由石垫片和混合砂浆组成,在试验过程中两者共同承担外界施加的荷载。从试验过程来看,灰缝的破坏可以分为两个阶段灰缝的两个破坏过程有前后之分,但其界限并不分明,而在同一灰缝处又是连续的过程;在整片墙的灰缝中,两个破坏过程则存在一定的交叉现象。2.2返回函数2.2.1滞回特性分析试验所得石墙试件的滞回曲线如图7所示。墙体开裂之前,滞回曲线基本上为直线,滞回环面积相对较小,滞回曲线几乎重合在一起,试件处于弹性工作阶段,墙体刚度变化很小。随着水平荷载的增加,墙体裂缝逐步开展和增多,滞回曲线逐步变得饱满,滞回环面积增大,卸载后出现明显残余变形。主裂缝形成以后,墙体基本达到极限荷载,此后,随着位移幅值的增加承载力有所下降,但下降幅度较小。这主要是因为在主裂缝形成后,试件的承载力主要由石墙各灰缝之间的摩擦力提供,而摩擦力的大小主要与正应力、界面特性以及接触面大小有关。随位移角幅值的增加,正应力保持不变,界面特性和接触面积变化不大,因此试件承载力下降幅度较小。值得注意的是,试验结果揭示条石砌筑石墙的滞回曲线呈现非常饱满的梭形(图7),表现出良好的耗能性能。这种结果与砖砌体和砌块砌体的滞回环在弹塑性阶段呈现明显的“捏缩”现象的试验结果存在明显差异。其原因是条石砌筑石墙灰缝性能与常规砖砌体存在以下差异:(1)粗料石表面较为粗糙,在上部压应力作用下能够提供较大的摩擦力;(2)石砌体灰缝是石垫片和砂浆的组合体,石垫片在反复荷载作用下不断的碾压破碎过程增强了灰缝的滑移耗能能力;(3)条石砌块较大的几何尺寸增强了石墙块体沿主裂缝滑移错动过程的稳定性。基于上述原因,试件在卸载后的再加载过程中破坏面能够提供足够大的摩擦力,因此,难以产生类似砖砌体结构的滞回环滑移捏缩现象。由此可见,在保证石墙平面外稳定的前提下,石墙可以在较大位移角下保持相对稳定的承载能力和较好的滞回耗能能力,这对结构的抗震是有利的。从图7可以看出,压应力和砂浆强度对干砌甩浆石墙的承载能力和滞回性能均存在明显影响,且压应力水平对石墙滞回性能的影响比砂浆强度要大。砂浆强度较高的3个试件SSW3、SSW4和SSW5(砂浆强度接近),虽然随着压应力水平的提高,试件的极限荷载有较大幅度增加,但后续循环下的强度退化有所增加。特别是最大压应力水平(σ2.2.2干砌扭浆墙体的特性所有石墙试件的骨架曲线见图8,各骨架曲线特征点试验结果见表2。表中,P从表2可知,试件受剪承载力随砂浆强度f压应力水平的提高能够显著提高干砌甩浆石墙的受剪承载力,但过高的压应力会加快石墙弹塑性阶段的强度退化和降低弹塑性后期滞回环的稳定性。从试验结果看,条石砌筑石墙的压应力水平不宜超过0.60MPa。不同试验参数干砌甩浆墙体的骨架曲线在开裂前差别不大,可近似为一直线段;在开裂后的裂缝发展阶段,强度有所增加,但刚度与开裂前相比明显下降,其承载力和刚度随压应力和砂浆强度的不同而存在较大差异;随着主裂缝的形成,石墙试件达到最大荷载,此后石墙进入摩擦耗能阶段,刚度和强度均随位移幅值的增加而有所退化。干砌甩浆石墙的延性同砌筑砂浆强度和压应力水平有着密切的关系。从图8和表2可以看出,干砌甩浆石墙在低压应力下具有较好延性,且墙体延性随着砂浆强度的提高而提高,随着压应力的增大而减少。在压应力保持不变的情况下,试件SSW4的延性比试件SSW2提高了39.9%;在压应力从0.25增加到0.60的时候,试件SSW2和SSW4的延性分别比试件SSW1和SSW3下降了68.6%和47.7%。由于SSW3的破坏模式与SSW1不同,其延性系数反而略有下降。干砌甩浆石墙的延性系数大致随着σ2.2.3开裂至最大荷载图9为各个石墙试件的割线刚度随位移幅值增大的衰减曲线,从图中可以看出:(1)压应力水平较低的试件SSW1和SSW3在墙体开裂至最大荷载的裂缝发展阶段内的刚度退化速率明显高于其它3个压应力较大试件。说明提高压应力水平可以减缓裂缝发展阶段墙体刚度的退化;(2)砂浆强度等级对石墙在裂缝发展阶段的刚度退化影响不明显;(3)在达到最大荷载后的摩擦耗能阶段,割线刚度的退化速度明显低于裂缝发展阶段。这主要是在摩擦耗能阶段灰缝截面摩擦力退化较为缓慢,因此加载过程墙体刚度下降程度也相对较小。2.2.4能源能源通过能量耗散系数E和等效粘滞阻尼系数ξ3性能与受剪性能(1)干砌甩浆石墙的受力过程可分近似弹性阶段、裂缝发展阶段和摩擦滑移阶段等3个阶段。(2)石墙的最终破坏形态主要受压应力水平的影响,其最终破坏形态主要有一字形的单缝滑移破坏和类X形阶梯状剪切滑移破坏两种形态。(3)砂浆强度和压应力水平是影响石墙受剪承载力的主要因素。提高压应力水平对石墙受剪承载力的影响比提高砂浆强度更加显著。(4