凍融作用下帶構造柱磚墻抗震性能試驗研究

鄭山鎖, 朱攬奇, 鄭 捷, 李 健, 梁先鋒, 張秋實

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

凍融作用下帶構造柱磚墻抗震性能試驗研究

鄭山鎖, 朱攬奇, 鄭 捷, 李 健, 梁先鋒, 張秋實

(西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710055)

以4榀相同特性的帶構造柱磚墻為研究對象,分別進行0、40、80及120次凍融循環試驗和低周反復荷載試驗,來研究凍融環境對砌體結構抗震性能的影響。試驗結果表明:隨著凍融循環次數的增加,裂縫出現更早,發展更為迅速,破壞程度更加嚴重,承載力、剛度、耗能、延性均出現明顯的衰減。本文從宏觀和微觀兩個方面對遭受凍融作用磚墻進行了損傷機理的分析。

凍融作用; 帶構造柱磚墻; 低周反復; 抗震性能; 損傷機理

0 引言

我國既有砌體結構數量眾多,且材料本身的強度低、延性差,再加上設計的低標準、施工的不規范操作,安全性不能得到保證。隨著時間的推移,砌體結構的抗震性能會出現不同程度的退化。據歷次震害統計資料顯示,砌體結構在歷次地震中所受的破壞比例最大,遭受的損失最為嚴重[1]。近年來針對砌體結構抗震性能的研究主要集中在材性和構造兩個方面,例如采用不同類型的磚和砌塊、改變砂漿強度等來考慮砌體整體性能的改善,或通過改變構造柱的尺寸及配筋來研究其抗震性能的改善或研究凍融對砂漿的性能和不同磚塊性能[2-4]的影響。然而對于環境因素的考慮,例如凍融等不利自然因素對磚砌體構件的影響規律的研究幾乎為零。因此研究凍融作用下砌體結構的力學性能和抗震性能對在役砌體結構的抗震評估具有重要意義。

為研究凍融作用對砌體結構抗震性能的影響,本文以4榀1/4比例的帶構造柱磚墻為研究對象,分別對其進行0次、40次、80次120次凍融循環試驗和低周反復荷載試驗,通過觀測和分析帶構造柱磚墻的破壞形態和受力性能,得到其隨凍融循環次數的增加所表現出的性能退化特征,為在役砌體結構的抗震性能評估提供依據。

1 墻體試驗研究

1.1 試件設計與制作

1.2 材性試驗

根據《建筑砂漿配合比速查手冊》和《砌筑砂漿配合比設計規程》中的相關規定,確定砂漿配合比見表2。

圖1 試件模型(單位:mm)Fig.1 Specimen model (Unit:mm)

編號混凝土強度高寬比壓應力/MPa加載方式循環次數WZF-1C300．50．43變幅循環0WZF-2C300．50．43變幅循環40WZF-3C300．50．43變幅循環80WZF-4C300．50．43變幅循環120

表2 水泥砂漿配合比(單位:kg/m3)

將遭受凍融作用的磚試塊和水泥砂漿立方體抗壓試塊分別根據相關標準進行抗壓強度試驗,其抗壓強度見表3。

表3 砂漿、磚力學性能

根據《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228-2002)中要求進行拉伸試驗:每種鋼筋標號采用三個標準試件進行拉伸試驗,取其平均值。鋼筋性能如表4所列。

表4 實測鋼筋力學性能

1.3 試驗裝置及加載制度

試驗采用懸臂梁式單方向加載,由1 000 kN液壓千斤頂在組合墻頂施加恒定的豎向荷載,由500 kN電液伺服作動器來施加水平方向的反復荷載。組合墻現場加載裝置示意如圖2所示。

圖2 墻體試驗裝置Fig.2 Test device

本次試驗采用水平荷載作用下低周往復循環加載。如圖2(b)所示,作動器前端由單向鉸與上一級連接,使得作動器在施加荷載和位移時與墻體之間可以產生微小轉動,以保證水平加載過程中墻體的穩定。為了保證豎向荷載作用點在試驗過程中始終作用在試件中心,使得作用點與試件的變形一致,在頂梁上安裝滑動支座,將千斤頂倒置固定在滑動支座上。并在豎向千斤頂與試件之間放置剛性墊梁,剛性墊梁與圈梁之間再鋪一層細砂,以使組合墻截面受到均勻壓應力。

加載過程參照《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-96)進行,采用力-位移混合控制加載制度。水平荷載施加的具體過程:在正式施加水平荷載之前,預加10 kN的水平荷載,正反施加三次,檢查試驗裝置、量測儀器是否正常工作,固定裝置是否牢靠,一切正常后將荷載歸零,然后正式加載。在試件開裂之前按荷載控制逐級施加水平荷載,每級荷載循環一次(即在正反兩個方向上加、卸載各一次),第一級荷載取為20 kN,荷載級差為20 kN;在試件開裂并且加載曲線發生明顯彎曲后改用位移控制加載,每級位移取Δcr=2 mm,每級循環三次,直到荷載達到極限荷載,且目測荷載下降至最大荷載的85%后試驗結束。整個試件的加載制度如圖3所示。

圖3 加載制度Fig.3 Loading procedure

1.4 凍融環境模擬

試驗中所有試件的凍融循環試驗均在ZHT/W2300氣候模擬實驗系統(圖4)進行。該模擬室的制冷系統由2套獨立“谷輪”全封閉壓縮機并聯機組組成,采用風冷的冷凝方式模擬外界寒冷氣候,氣候室內最低溫度可降至-20 ℃,最高溫度可達+80 ℃;將其對外部寒冷氣候和高溫氣候的模擬分別編程,然后將程序鏈接便可成功實現對試件的加速凍融循環模擬。

考慮到大氣實驗室的實際情況,凍融循環制度在結合相關規范[5-7]的基礎上稍作改動,具體方案如下:將已編號的試件放入凍融室中,間斷噴水(為保證試件的飽水度,實際噴淋時間為15分鐘)使試件完全浸濕,之后降溫至-15 ℃持續4個小時,再升溫至45 ℃高溫烘干2小時,至此一個凍融循環結束。每個凍融循環需要6小時。為保證冷凍效果,在前一循環結束后將溫度降至10℃后進行噴淋。加速凍融循環制度示意見圖5。

圖4 氣候模擬實驗室Fig.4 Weather simulation lab

圖5 凍融循環制度Fig.5 Freeze-thaw cycles

2 試驗現象

2.1 外觀損傷

隨著凍融循環次數的增加,磚墻的表觀會發生一些肉眼可見的變化(圖6):

(1) 墻體局部泛白和磚塊局部剝落。

(2) 墻體局部會沿著磚縫出現微小裂縫,墻體表面變得粗糙。

(3) 墻體表面沿磚縫有大量裂縫出現,且不斷擴展,局部有裂縫貫穿現象。

(4) 局部墻體表面剝落明顯,伴隨著磚和灰縫的大面積脫落,墻面凹凸不平。

2.2 破壞特征

由試驗過程可以看出,試件的整體破壞形態為剪切型破壞。試件大體的破壞過程為:首先當荷載達到極限荷載的60%～70%時,墻片開始出現明顯裂縫并開始延伸,由左右構造柱延伸下來的階梯型裂縫直到中柱底部,形成比較明顯的“V”字型裂縫。隨著“V”字型裂縫的變寬變大,出現與之平行的一些次要裂縫并向中柱延伸,隨著荷載和位移的增加,左右兩側柱端出現向上延伸的階梯型裂縫并向中柱延伸,緊接著會在中柱形成交叉裂縫,最后在整個墻片上形成明顯的大“X”型裂縫。隨著所有裂縫的變寬,柱端混凝土和局部磚墻發生非常明顯的剝落,試件達到完全破壞。

圖6 不同凍融循環后墻體外觀損傷Fig.6 External damage of walls under different freeze-thaw cycles

隨著試件凍融次數的增加,試件中水平裂縫也隨之增加,中柱的交叉裂縫由中部向中上部延伸。不同凍融循環次數的最終破壞狀態的對比結果如圖7所示。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

在確定試件的開裂荷載和開裂位移時采用荷載-撓度試驗方法[8]:取試驗加載時荷載-位移曲線上斜率首次發生突變時所對應的荷載和位移,同時參考試驗加載觀測時肉眼觀測到的第一條裂縫所對應的荷載和位移,綜合考慮確定開裂荷載Pcr和開裂位移Δcr。極限荷載Pu取正反方向各級加載步中最大荷載值的平均值,極限位移Δu取正反方向各級加載步中最大荷載值所對應的位移平均值。荷載下降到極限荷載85%時的荷載為破壞荷載P0.85,其所對應的位移為試件的破壞位移Δ0.85。試驗結果見表5。

由表5可得:

圖7 不同凍融循環作用下墻體破壞形態Fig.7 Failure mode of walls under different freeze-thaw cycles

墻體編號Pcr/kNΔcr/mmPu/kNΔu/mmP0．85/kNΔ0．85/mmWZF-1179．812．61267．057．99227．5611．99WZF-2158．683．01231．987．98197．1812．37WZF-3139．303．29189．748．21161．2312．83WZF-4101．613．45163．108．54138．6413．48

(1) 隨著凍融循環次數的增加,試件的開裂荷載和極限荷載都出現了明顯降低。凍融最嚴重(120次)的墻片的開裂荷載和極限荷載較未凍融墻片分別下降了44%和39%。

(2) 隨著凍融循環次數的增加,試件的開裂位移和極限位移大致呈增長趨勢。凍融最嚴重(120次)的墻片的開裂位移和極限位移較未凍融墻片分別上升了32%和7%。

3.2 滯回曲線

由圖8可以看出:

(1) 試件開裂之前,各個試件的滯回曲線環比較小,滯回環狹長,各滯回環基本重合,耗能較小。

(2) 隨著荷載增加,滯回曲線上明顯出現彎曲,滯回環包圍的面積逐漸變大,滯回環的形狀也由直線形向梭形和弓形轉換,開始出現明顯的“捏縮”現象。

(3) 隨著控制位移的逐級增大,試件達到極限荷載之后,試件承載力的逐漸降低,墻片基本形成雙“X”型裂縫,卸載剛度逐漸降低,殘余變形逐漸增大,此時滯回環面積進一步增大,耗能能力明顯變大,滯回環向反S型轉變。

(4) 隨著凍融循環次數的增加,試件的開裂荷載、極限荷載、剛度逐漸減小,滯回環的面積呈減小趨勢,整體耗能能力逐漸減小。

圖8 墻片滯回曲線Fig.8 Hysteretic curves of walls

3.3 構件的骨架曲線

各試件的骨架曲線見圖9。從圖中可以看出:(1) 試件開裂前,骨架曲線基本為直線,處于彈性階段,開裂后墻體骨架曲線稍有彎曲,剛度有所降低,但荷載仍會上升,當到達極限荷載后,曲線開始下降,承載力和剛度都出現退化現象,而荷載值并未急劇下降,當荷載下降到極限荷載的85%時,試件仍然具有一定的承載能力和變形能力。(2) 隨著凍融循環次數的增加,墻體的開裂荷載、極限荷載以及對應的開裂剛度、極限剛度都有所降低,且在極限荷載之后下降速度更快。

圖9 試件骨架曲線對比圖Fig.9 Comparison between skeleton curves of specimens

3.4 剛度退化

各試件的初始剛度K0、剛度-位移回歸公式及其相關系數如表6所列。

表6 各試件初始剛度和回歸冪函數

各試件剛度退化曲線的對比如圖10所示。

圖10 試件剛度退化對比圖Fig.10 Comparison between stiffness degradation of specimens

從圖10可以看出:

(1) 隨著荷載和位移循環次數的增加,剛度逐漸下降。剛度在加載初期下降很快,通常在開裂前后就已經降到很低,開裂荷載之后下降速度降低,尤其是極限荷載之后剛度下降非常慢,越往后剛度退化越緩慢,最終趨于穩定,這是因為極限荷載之后試件的主要裂縫都已形成,剛度退化主要由一些次要裂縫的開展造成。

(2) 試件的剛度退化曲線隨著凍融循環次數的增加呈現出降低的趨勢,而且初始剛度的下降最為明顯,這是由于凍融作用下,隨著試件的磚塊與砂漿之間黏結力減弱,在同等位移情況下試件的抗水平荷載作用減小。

3.5 能量耗散

3.5.1 等效黏滯阻尼系數

通過計算等效黏滯阻尼系數he的值來判別結構耗能能力。he越大表明結構的變形和耗能能力越大,抗震能力越強。計算見式(1)和圖11。

(1)

其中:SABC和SOBD分別代表圖中陰影部分滯回環和三角形的面積。表7給出了各個試件開裂荷載、極限荷載和破壞荷載時的等效黏滯阻尼系數。

圖11 黏滯阻尼系數計算示意圖Fig.11 Calculation diagram of viscous damping coefficient

試件編號he(開裂荷載)he(極限荷載)he(破壞荷載)WZF-10．1120．1170．122WZF-20．0900．1090．120WZF-30．0680．0830．217WZF-40．0690．0760．119

各個試件從開裂荷載到極限荷載再到破壞荷載,即從裂縫開展到試驗破壞,隨著位移的逐漸增大,其等效黏滯阻尼系數呈逐漸增大的趨勢,說明試件在加載過程中,隨著位移的增大,耗能能力逐漸增強。

隨著凍融循環次數的增加,試件的極限荷載所對應的黏滯阻尼系數呈下降趨勢,而開裂荷載和破壞荷載所對應的阻尼系數并未發現這樣的規律。這是因為墻片的耗能主要發生在試件開裂之后,開裂之前可以認為是線性彈性階段,因此從開裂荷載到極限荷載這個過程是主要的耗能階段。雖然極限荷載到破壞荷載過程中也在耗能,但是由于到試驗后期,墻片裂縫的瞬間增大等因素使得破壞荷載對應的位移無法較為準確的控制,因此破壞荷載的等效黏滯阻尼系數也可以發現下降的規律,只是有些突變。

3.5.2 滯回環總耗能

從試件開裂荷載開始,計算每一次循環滯回環的面積,依次累加,直到破壞荷載截止,以計算試件從加載開始到破壞的總耗能。各個試件總耗能如表8所列。

表8 各試件的總耗能

由表8可以得出:從試件開裂到承載力達到極限承載力的85%這整個加載過程來看,隨著凍融循環次數的增加,砂漿和磚塊的削弱和二者之間黏結力的減弱,使得整個試件的整體耗能減小,且經過最嚴重的凍融影響后,總耗能減小約83%。

3.6 延性分析

由于砌體結構屬于磚塊跟砂漿組合的復合材料,沒有明顯的屈服點,屈服位移難以界定,通常是用能量等值法和通用屈服彎矩法[9]來粗略地界定屈服點。本文由于開裂位移與屈服位移比較接近,采用比較容易確定的開裂位移來代替屈服位移,因此位移比采用式(2)計算:

(2)

式中:Δ0.85為85%極限荷載所對應的破損位移;Δcr為構件開裂時的位移。

各試件延性系數如表9所列。

表9 各試件延性系數

從表9中可以看出:隨著凍融循環次數的增加,試件破壞位移和開裂位移的比值,即試件延性系數大致呈現出下降的趨勢,說明在凍融循環作用下,試件砂漿和磚塊強度及兩者之間黏結力的減弱導致試件變得更“脆”了。

4 凍融損傷機理分析

4.1 微觀分析

(1) 目前國內外學者認可度較高的是由美國學者T.C.Powers[10]提出的膨脹壓滲透壓理論。該理論可知:由于砂漿和塊體中存在大量氣泡,在凍融循環過程中,孔隙中較小的毛細孔先吸水飽和,而其他氣泡雖然也會吸水,但尚未達到飽水狀態,所以當溫度降低到一定程度后,毛細孔中的水將結冰,體積膨脹導致未結冰的水自發地向較大氣泡處流動,形成靜水壓力。

(2) 由于冰的飽和蒸汽壓比水小,產生的微小氣壓差就會把未結冰的水推向已結冰區,從而形成滲透壓力,砌體內部將同時產生膨脹壓力和滲透壓力。當壓力超過材料的承受能力時,材料內部的微裂縫會逐漸增大、擴展并互相連通,造成強度逐漸降低,直至材料破壞。

4.2 宏觀分析

(1) 泛堿現象的影響

泛堿發生的外部條件是低溫、較大的濕度及適度的風[11],而凍融循環作用下的砌體試件恰好符合上述三個條件。

由于水泥中CaO含量占60%～70%,在試件浸水后,水化生成C-S-H凝膠的同時,也生成大量可溶性很強的Ca(OH)2;凍融循環進入融化階段后,伴隨著水分的不斷蒸發,在試件表面或試件的孔隙縫隙中與空氣中的CO2等作用生成CaCO3,隨著循環次數的不斷增加,CaCO3不斷累積而出現成片的白色沉積物。

圖12 凍融結合面泛堿現象Fig.12 Efflorescence phenomenon on joint surface of freezing and thawing

由于砌體試件的制作過程中不可避免地會出現灰縫與塊體黏結面的不完全接觸,這就導致砌體試件在凍融循環之后在孔隙中(特別是黏結面處)會出現不同程度的泛堿現象,而這些白色析出物必然會影響結合面的黏結強度。隨著循環次數的增加泛堿現象會越來越嚴重,在一定程度上導致砌體內部的損傷。

(2) 凍融對砂漿和塊體黏結面的影響

由于試件制作和養護等不確定因素的影響,砂漿層與塊體黏結面處的孔隙要大于材料內部的孔隙,這就導致同樣的凍融條件下黏結面所受孔隙水凍脹力要大于材料內部。這樣,在凍融環境下就會使砌體在黏結面處更加薄弱,隨著凍融循環次數的增加,黏結面處更容易產生微裂縫,甚至產生黏結面局部脫離的情況,最終導致砌體內部不同程度的損傷。泛堿現象也會對凍融時黏結面的破壞產生一定的促進作用。

5 結論

(1) 經過凍融的組合墻片與原始墻片的實驗現象對比發現:前者裂縫出現得較早,裂縫擴展和延伸得較快,且前者破壞得更快,破壞程度較后者更嚴重。

(2) 隨著凍融循環次數的增加,試件的開裂荷載和極限荷載都出現了明顯的降低,開裂位移和極限位移大致呈增長趨勢。試件的剛度、承載力、耗能能力及延性都有不同程度的下降。說明凍融對砌體結構的抗震性能有較大影響,理應得到砌體耐久性研究者的重視。

(3) 分別從微觀和宏觀兩個方面分析凍融損傷。微觀方面,由于材料內部的孔隙水結冰,體積膨脹導致未結冰水向較大氣泡處流動形成的靜水壓力以及未結冰水向結冰區流動產生的膨脹壓力和滲透壓力導致材料內部產生裂縫。宏觀方面,凍融結合面的泛堿現象使得結合面的黏結強度降低,且結合面處空隙大于內部,在凍融作用下容易產生裂縫,甚至脫落。

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Experimental Research of Seismic Performance of Brick Wall with Constructional Column under Freeze Thaw Action

ZHENG Shan-suo, ZHU Lan-qi, ZHENG Jie, LI Jian, LIANG Xian-feng, ZHANG Qiu-shi

(SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an710055,Shaanxi,China)

To investigate the effect of freeze thaw action on the seismic behavior of masonry structures,in this study,we investigated the responses of four pieces of brick walls with a constructional column,all having the same properties.We conducted freeze thaw action experiments and low cyclic loading experiments for freeze thaw cycles numbering 0,40,80,and 120.By observation and analysis of the failure modes and mechanical properties of the brick walls with a constructional column,we obtained the performance degradation characteristics associated with an increase in the number of freeze thaw cycles in brick walls.The results show that the failure modes of brick walls under freeze thaw action differ from those that remain intact.With an increase in the number of freeze thaw cycles,cracks appeared earlier and developed more quickly,and the specimens were damaged more seriously.The bearing capacity,stiffness,and ductility of the specimens also decreased significantly and their dissipation capability decreased with an increase in the number of cycles.To gain a more in-depth understanding of the effect of freeze thaw cycles on brick walls,in this paper,we analyze the damage mechanism of the brick wall from both the microcosmic and macroscopic perspectives.The main microcosmic factor influencing the walls is the hydrostatic pressure result from freezing,and the main macroscopic factors are the efflorescence phenomenon and the interface damage caused by freezing.

freeze-thaw action; brick wall with constructional column; low cyclic; seismic performance; damage mechanism

2015-10-19 基金項目:國家科技支撐計劃(2013BAJ08B03);國家自然科學基金(51678475);教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20136120110003)

鄭山鎖(1960-),男,教授,博士生導師,主要從事工程結構及其抗震研究。E-mail:zhengshansuo@263.net。

鄭 捷(1988-)，女，講師，主要從事建筑與結構設計研究。E-mail：julie1314fl@126.com。

TU362; TU317.1

A

1000-0844(2016)06-0854-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0854