新型销键式空心砌结构的抗震性能研究

新型销键式空心砌结构的抗震性能研究

0砌体强度的提高在川地震期间，以桩结构为主的建筑遭到严重破坏。震害分析表明,砌体结构由于由砖、石等砌筑而成,砌块之间的连接较差,虽然设置了钢筋混凝土构造柱、圈梁等加强措施,但当遇到强震时,在水平和竖向交替振动作用下,砌块之间的连接容易被破坏,导致砌体松散、竖向受力构件破坏,是震区砌体结构建筑物垮塌的主要原因。砌体抗剪强度的提高,可有效地提高砌块建筑的抗震性能。试验证明:利用砌块的孔洞,插上用混凝土制成的销键,使上下砌块相互咬合,形成连锁,共同承担剪力,可大幅提高砌体结构的抗剪强度,如图1所示。1砌体强度和剪切位移试验及加载装置采用150片普通砌体和150片新型砌体进行单面和双面剪切试验,以系统分析新型砌体结构的抗剪性能和破坏机理。按竖向荷载为0,25,50,75,100kN五种情况,砂浆强度等级为M5,M7.5,M10三种情况,把新型砌体和普通砌体各分为15组,每组砌筑5个砌体。单面剪切试验的每个砌体为双皮砌筑,由每皮一块半砌块搭接形成。双面剪切试验的每个砌体为3皮砌筑,每皮一块半砌块搭接形成。砌体按照规范规定,采用混合砂浆砌筑。其中,对于新型砌体增加了砌筑销键的工序,即在下皮砌块砌筑后,先将销键的凸榫四周抹上砂浆,插入下皮砌块的空洞中,然后,再砌筑上皮砌块。砌块强度等级为MU10(实测值为12.55MPa),销键采用与混凝土砌块同标号的混凝土制作。砌块几何尺寸同标准混凝土小型空心砌块,销键尺寸如图2所示。试验在东南大学结构试验室进行,试验加载装置如图3,4所示。试验时,在试件对角面上设置10mm厚砂浆找平层,这是为了减小砌体表面凹凸不平的影响,防止由于局部压应力造成砌块提前破坏,并确保应力分布均匀。竖向荷载通过分配梁传至试件。为使在竖向荷载试验过程中保持恒定,竖向千斤顶与杠杆平衡系统相接。杠杆平衡系统是通过另一外千斤顶与试验竖向千斤顶串联,在外千斤顶上作用一水平杠杆,水平杠杆一端铰接固定,在以外千斤顶为支点的水平杠杆另一端加设砝码,以使外千斤顶上的压力保持恒定,从而可使竖向千斤顶的压力在试验过程中保持恒定。水平力的加设是用手动油压顶完成,可直接读取水平力值。砌体的剪切位移的量测是采用砌体两面设置百分表量测上下皮砌体间位移进行的。两侧百分表的平均值,即为上下皮砌体的剪切位移值。百分表支撑点与固定杆支撑点的水平距离为量测距离,剪切位移除以量测距离,即为砌体的平均剪切应变。本次试验的加载采用混合加载制度,即水平荷载到达砌体的极限水平荷载前,采用荷载增量控制,以极限荷载10%左右(5kN)作为荷载增量,到达极限水平荷载后以位移增量控制(以0.2mm作为位移增量)。2试验现象在单剪和双剪试验中,普通砌体与新型砌体的开裂破坏形态均显现出明显的规律性特征。2.1水平荷载下降和抗剪强度差在开始施加水平荷载时,百分表读数与水平荷载基本呈线性关系。水平荷载加至极限荷载的40%～80%时,砌体开裂,水平荷载略有下降,初裂缝位于近加载端的水平灰缝处。随着水平荷载增大,水平通缝瞬间形成,水平荷载陡降,上皮砌体沿水平通缝滑移。通缝形成后,砌体宣告破坏,剪切承载力基本丧失。竖向荷载较小时,砌体只出现沿水平灰缝与砌块粘结面的一条通缝,砌块完整。竖向荷载较大且通缝形成时,灰缝发出细微劈裂声,除表面存在少量斜裂缝外,砌块基本完整。2.2砌体破坏过程在开始施加水平荷载时,百分表读数与水平荷载基本呈线性关系。当水平荷载达到极限荷载的50%～80%时,近加载端水平灰缝处出现微细裂缝。随着水平荷载不断加大,灰缝碎屑不断剥落,裂缝不断开展,灰缝发出细微劈裂声,上下皮砌体间逐渐形成一条水平通缝;与普通砌体相比,水平通缝形成速度较慢。通缝形成后,由于销键的咬合作用,砌体承载力仍未达到极限,水平荷载仍可继续增加。最后砌块表面出现多条斜裂缝,承载力下降,砌体破坏。砌体破坏时,砌块壁出现多条垂直于水平砂浆灰缝的竖向裂缝,砂浆层形成一条水平通缝,裂缝数量明显多于普通砌体。砌体中间的销键基本均已剪坏。竖向荷载较大时,砌块表面的斜裂缝数量大于竖向荷载较小时的斜裂缝数量。砌体典型裂缝分布情况如图5～7所示。3抗剪性能对比国标规定,混凝土小型空心砌块砌体的通缝抗剪强度试验方法宜采用双剪试验进行。但双剪试验往往出现上下两条灰缝无法同时剪坏的情况。为系统地研究此种新型砌体结构的剪切性能,对新型砌体与普通砌体在不同竖向荷载下单剪、双剪试验结果分别进行统计,以对比分析(图8,表1,2)。由表1,2和图8可知:(1)新型砌体的开裂荷载和极限抗剪强度大于同等条件(砂浆等级和竖向荷载)下的普通砌体。极限抗剪强度比普通砌体高31%～54%。(2)新型砌体在到达极限水平荷载时,对应的位移大于同等条件下的普通砌体。(3)从剪切变形过程上看:经过荷载位移线性变化的初期弹性阶段,到达弹性阶段顶点(通缝形成)后,新型砌体并未显示出与普通砌体相同的承载力快速丧失,而是通过销键的咬合作用继续承载,剪切变形显示出一定的延性特征。4抗剪承载力与销键作用的叠加剪摩理论认为:砌体抗剪强度是由砌体的粘结强度与法向压应力产生的摩阻力之和。根据国标试验规范要求:采用双剪试验结果,按剪摩理论,进行线性回归得出的普通砌体的抗剪承载力公式为fv=fv0+0.65σ0(1)式中fv——砌体的复合受力抗剪强度;fv0——砌体抗剪强度(无压);σ0——法向压应力。此公式与已有研究结果较为吻合。单剪试验由于附加次弯矩影响,试验结果略小于公式(1)计算值。新型砌体结构的抗剪承载力可以认为普通砌体的抗剪承载力与销键咬合作用的叠加。本次单剪和双剪试验结果和以往研究结果均表明:销键对砌体极限抗剪承载力的提高值并不是恒定:竖向荷载较小时,提高值随竖向荷载增大而增大,竖向荷载较大时,提高值不再随竖向荷载变化,基本为恒定值。而在同一竖向荷载作用下,销键对砌体极限抗剪承载力的提高值不随砂浆强度变化而变化,基本为恒定值。根据加载结束后的试验现象,内插销键有80%以上均被剪坏,可认为销键对砌体极限抗剪承载力的提高值与销键的剪切破坏强度有关,假定为线性关系。对销键提高值以竖向荷载为参变量,进行线性回归,得出公式的销键提高项,再加上公式(1),可得出新型砌体的抗剪承载力计算公式为f¯v=fv0+0.65σ0+0.0173βnfc⋅AcAf¯v=fv0+0.65σ0+0.0173βnfc⋅AcA(2)式中f¯vf¯v——新型砌体的复合受力抗剪强度(MPa);fv0——普通砌体零正应力抗剪强度(MPa);β——法向压应力对销键作用影响系数,β=2.445+σ0且不大于3.345;fc——销键抗压强度(MPa);Ac——销键截面面积(小头);A——砌体抗剪截面面积;n——砌体中销键个数。计算结果与试验值对比见表3。公式(2)计算结果对双剪试验结果的回归平方和为nσ2=0.02,对单剪试验结果的回归平方和为nσ2=0.08,总体吻合较好。5抗剪强度的影响(1)新型砌体结构利用销键使砌块间形成咬合作用,提高了普通混凝土小型空心砌块砌体的抗剪强度,增强了砌体结构的延性和变形能力,使建筑物在强震作用下,砌块间连接不易丧失,墙体的完整性和竖向承载力得以维持,从而改善了砌体结构的抗震性能。(2)销键的设置客观上提高了砌块间砂浆的饱满度,有利于防止混凝土小型空心砌块墙体的裂缝。本