基于破壞模式控制的約束砌體墻體加固研究

李勇志，許子宜，陳俊馳

(1.中電建重慶勘測設計研究院有限公司,重慶 401329; 2.西南交通大學,四川 成都 610031)

1 研究背景

近年來,我國既有砌體結構房屋在地震作用下出現嚴重破壞,主要發生3種破壞模式[1]:窗間墻破壞模式、窗間墻和窗下墻混合破壞模式、窗下墻破壞模式,其中窗間墻破壞模式震害最為嚴重,呈現較強的“脆性破壞”特征,易形成倒塌機制;而窗下墻破壞模式震害最輕,窗下墻裂縫發展較為緩慢,類似于框架結構中“強柱弱梁”的屈服機制,易實現“大震不倒”的抗震設防目標(見圖1)。

國內外學者對砌體結構的加固方法做了大量的研究,王亞勇[2]提出采用高強鋼絞線網對砌體結構墻體進行加固方法,并通過試驗研究得出通過該加固方法可以提高砌體抗剪承載力約1.5倍;Mohammad A[3]提出利用鋼絲網加固受損墻體,使之加固后的承載力可達到加固前的兩倍之多;劉培[4-5]和李明[6]通過試驗研究得出鋼筋網水泥砂漿加固砌體墻體可提高墻體抗剪承載力及抗側移剛度,并研究了不同參數對墻體抗震性能的影響程度,并給出通過該加固方法提高墻體抗剪承載力的理論計算公式;Razavizadeh A[7]采用鋼筋網灌漿技術對砌體墻體進行加固,通過試驗研究得出該加固方法可有效提高砌體墻體的抗震性能,驗證該方法的優越性;孟凡龍[8]通過對砌體墻體嵌筋加固的試驗研究,分析了不同高寬比下嵌筋加固墻體的極限承載力和破壞特征,得出嵌筋加固可顯著提高墻體極限承載力。傳統的砌體結構加固方法著重于提高各構件的承載力,使結構去“硬抗”地震荷載,并沒有從破壞模式出發,控制砌體結構出現合理的破壞形式,因此本文通過數值模擬對3種基于窗下墻破壞形式的加固方法進行研究,得出了該方法可有效提高墻體抗震性能,實現窗下墻破壞的破環形式,利于抗震目標的實現。

2 抗震加固方法

2.1 混凝土條帶加固法

混凝土條帶加固法減小了結構抗震加固對建筑功能的影響,對建筑外觀無太大改變,適用于既有砌體結構和新建砌體結構。其做法是在窗洞兩側加兩個豎向混凝土條帶(100 mm×240 mm),在混凝土條帶中設置豎向鋼筋,并沿水泥灰縫設置水平鋼筋,水平鋼筋一端錨固于構造柱中,一端與豎向鋼筋綁扎在一起,如圖2所示。

2.2 窗下墻設縫加固

窗下墻設縫加固施工簡單且工期短,對建筑功能影響不大,易實現窗下墻的破壞模式,但設縫長度過長會使得窗下墻過早破壞,影響使用。其做法是在窗下墻兩邊設置同樣大小的縫,削弱窗下墻使之相較于窗間墻率先破壞,如圖3所示。

2.3 窗間墻寬度增大加固

窗間墻寬度增大加固法是通過提高窗間墻剛度,使其落后于窗下墻發生破壞,實現“強柱弱梁”的破壞模式,如圖4所示。該方法施工復雜,影響建筑美觀,適用于窗間墻剛度不足的約束砌體墻體。

根據上述加固方案的特點,從施工難易程度,工期長短,造價高低以及建筑功能方面進行比較,如表1所示。

表1 加固方法對比

3 數值模擬參數驗證

本節選取文獻[9]中的M2試驗墻體作為研究目標,采用ABAQUS有限元軟件建立整體式模型,通過觀察其最終的破壞形態,進行材料本構和建模方法的論證。文獻[9]中M2試驗墻體參數如表2所示。

表2 文獻[9]中M2試驗墻體參數表

根據試驗墻體參數,在ABAQUS軟件中選擇合理的本構模型進行模擬,具體模型參數如表3所示。

表3 各構件本構模型參數表

有限元模型加載方案同文獻[9]保持一致,在模型頂部施加豎向均布荷載,一側設置耦合參考點,施加水平位移,最終通過受拉損傷參數云圖(DANAGET)來近似模擬砌體墻的開裂程度。對比結果如圖5所示。

有限元模擬結果顯示的“裂縫”破壞狀態與試驗基本相同,窗間墻呈現明顯的“X型”破壞,窗下墻也出現明顯剪切破壞,驗證了所采用模型參數的可靠性。

為進一步驗證加固方案的有效性,建立3個不同的加固模型,采用相同的加載方案,得到不同的破壞形態,如圖6所示。

采用加固方法后,窗下墻破壞最為嚴重,而窗間墻基本完好無損,類似于框架結構中“強柱弱梁”的破壞形態。因此,采用合理的加固方法可控制窗下墻破壞模式的發生,提高砌體墻體的抗震性能,達到設防預期的目的。

4 加固方法參數分析

為進一步研究加固方案中條帶配筋率、設縫深度、窗間墻寬度對加固方法的影響,引入墻體破壞率β來描述墻體的破壞情況,β越大,墻體受損越嚴重,一般墻體β大于50%即可認為該墻體已發生破壞。

本文砌體墻體的破壞準則是依據文獻[12]推導的砌體墻體抗剪強度平均值的計算公式,并結合GB 50003—2011砌體結構設計規范表B.0.1-2計算得到墻體的抗剪強度計算值為0.74 MPa,當主拉應力大于0.74 MPa,砌體墻體發生破壞(見式(1))。

(1)

其中,Ad為墻體已破壞的面積;A為墻體總面積。

為模擬地震作用下約束砌體墻體的破壞情況,本次加載采用汶川什邡-八角地震波進行模擬加載,具體加載方式如圖7所示。

4.1 條帶配筋率

條帶配筋率是混凝土條帶加固法中的重要影響參數,本節通過改變條帶鋼筋直徑大小建立5個不同條帶配筋率(0.23%,0.42%,0.65%,0.94%,1.67%)的約束砌體墻體模型,模型中混凝土條帶均為100 mm×240 mm(長度×寬度),窗洞尺寸均為1 800 mm×1 500 mm(高度×長度)。通過對比主應力云圖,研究不同條帶配筋率下墻體的破壞情況,結果如圖8所示。

當條帶配筋率小時,約束砌體墻體出現窗下墻和窗間墻的破壞模式,且窗間墻破壞最為嚴重;隨著條帶配筋率的提高,窗間墻破壞程度逐漸降低,明顯向窗下墻破壞模式發展。根據式(1)分別計算墻體的破壞率,結果如表4所示,并繪制墻體破壞率和條帶配筋率的曲線,如圖9所示。

表4 混凝土條帶加固模擬結果

當條帶配筋率大于0.42時,窗間墻的破壞率逐漸降低,而窗下墻的破壞率基本保持在0.72左右,其變化幅度較小,因此混凝土條帶加固法能夠有效的限制窗間墻的破壞,建議條帶配筋率合理取值為大于0.42%。

4.2 設縫深度

設縫深度是窗下墻設縫加固法中的重要影響參數,本節通過改變設縫深度建立5個不同窗下墻設縫深度的約束砌體墻體模型,設縫深度分別取值為100 mm,150 mm,200 mm,300 mm,400 mm,其他材料信息均相同。通過在地震波的作用下得到不同的主應力云圖,對比不同設縫深度墻體的破壞情況,如圖10所示。

當設縫深度較小時,墻體出現窗下墻和窗間墻的混合破壞,且窗間墻破壞最為嚴重,隨著設縫深度的加大,窗間墻破壞逐漸減小,窗下墻的破壞加劇,出現合理的窗下墻破壞模式,但隨著設縫深度繼續加大,窗間墻高度增加,窗下墻和窗間墻均出現了破壞。根據式(1)分別計算墻體的破壞率,結果如表5所示,并繪制墻體破壞率和設縫深度的曲線,如圖11所示。

表5 窗下墻設縫深度加固的模擬結果

當設縫深度大于150 mm時,窗間墻破壞明顯減小,窗下墻破壞加劇,隨著設縫深度逐漸加大,窗間墻破壞率維持在0.15左右,基本不發生破壞,而窗下墻破壞率維持在0.9左右,均發生明顯破壞,當設縫深度大于300 mm時,窗間墻與窗下墻的連接減弱,使得窗間墻破壞率加大,而窗間墻破壞率基本不變,因此設縫深度不宜過小且不宜過大,建議設縫深度合理取值范圍為150 mm～300 mm。

4.3 窗間墻寬度增大

窗間墻寬度能夠影響窗間墻剛度,從而影響墻體的破壞模式。本節建立4個不同窗間墻寬度的約束砌體模型,窗間墻寬度分別為800 mm,900 mm,1 000 mm,1 200 mm,其他材料信息均相同。通過在地震波的作用下得到不同的主應力云圖,對比不同窗間墻寬度墻體的破壞情況,如圖12所示。

當窗間墻寬度較小時,墻體出現窗間墻和窗下墻混合破壞模式,且窗間墻破壞程度最大,隨著窗間墻寬度加大,窗間墻破壞程度逐漸減小,窗下墻破壞基本不變[11-12]。根據式(1)分別計算墻體的破壞率,結果如表6所示,并繪制墻體破壞率和窗間墻寬度的關系曲線,如圖13所示。

表6 窗間墻寬度加固的模擬結果

當窗間墻寬度大于800 mm時,窗間墻破壞明顯減小,而窗下墻破壞明顯增強,而隨著窗間墻寬度的加大,窗間墻剛度加大,破壞基本不變,墻體破壞率維持在0.1左右,同時窗下墻寬度減小,墻體破壞率維持在0.8左右,但最終均出現窗下墻破壞的合理模式,因此,建議窗間墻寬度合理取值范圍為大于800 mm。

4.4 條帶配筋率和設縫深度

為研究條帶配筋率和窗下墻設縫深度等雙因素對砌體墻體抗震性能的影響,本節建立9個不同條帶配筋率和窗下墻設縫深度的約束砌體墻體模型,如表7所示。在地震波的作用下得到不同的主應力云圖,對比9個約束砌體墻體的破壞情況,如圖14所示。

表7 約束砌體墻體模型信息

在雙因素作用下,砌體墻體均發生窗下墻破壞模式,且隨著設縫深度的增加,窗下墻破壞程度加劇,而窗間墻由于受到混凝土條帶的約束作用,窗間墻破壞程度較低;隨著條帶配筋率的增加,窗間墻及窗下墻破壞程度降低。根據式(1)分別計算墻體的破壞率,如表8所示;并繪制不同條帶配筋率下,墻體破壞率和窗下墻設縫深度的關系曲線以及不同窗下墻設縫深度下,墻體破壞率和條帶配筋率的關系曲線,如圖15,圖16所示。

表8 雙因素加固墻體的模擬結果

在兩種加固方法作用下,墻體破壞率變化幅度均不大。當條帶配筋率小于0.94%時,隨著設縫深度的增加,窗下墻破壞率呈下降趨勢,而當條帶配筋率等于2.62%時窗下墻破壞率反而呈上升趨勢,窗間墻破壞率在不同條帶配筋率下隨設縫深度的加大均呈下降趨勢;當設縫深度為200 mm時,隨著條帶配筋率的增加,窗下墻破壞率呈下降趨勢,窗間墻破壞率先呈下降再呈上升趨勢;當設縫深度為300 mm時,窗下墻的破壞呈下降趨勢,窗間墻破壞率反而呈上升趨勢,但上升幅度明顯變緩;當設縫深度為400 mm時,窗下墻破壞率呈上升趨勢,窗間墻破壞率先呈下降再呈上升趨勢,結合本文的模擬數據,在條帶配筋率為0.94%,設縫深度為200 mm的條件下,窗間墻的破壞率最小,窗下墻的破壞率最大,為典型的窗下墻破壞模式,因此建議在混凝土條帶加固和窗下墻設縫深度加固的作用下,混凝土條帶配筋率0.94%且窗下墻設縫深度為200 mm。

5 結論

本文通過總結砌體結構相關地震震害現象,提出3種基于破壞模式的砌體結構加固方法,并通過有限元軟件在驗證了相關模型數據的基礎上,建立4組約束砌體墻體有限元模型,通過對比破壞形態及墻體破壞率,探究了單因素(條帶配筋率、窗下墻設縫深度、窗間墻寬度)和雙因素(條帶配筋率和窗下墻設縫深度)變化對約束砌體墻體的破壞模式的影響,得到結論如下:

1)3種加固方法可以有效控制窗間墻的破壞,實現合理的窗下墻破壞模式,提高了砌體墻體的抗震性能,達到設防預期的目的。

2)在混凝土條帶加固法中,隨著條帶配筋率的增大,砌體墻體的破壞模式從窗間墻和窗下墻混合破壞模式逐步轉變成窗下墻的破壞模式。因此混凝土條帶加固法能夠有效的限制窗間墻的破壞,建議條帶配筋率合理取值為大于0.42%。

3)在窗下墻設縫加固法中,隨著設縫深度的增大,砌體墻體的破壞模式從窗間墻和窗下墻混合破壞模式逐步轉變成窗下墻的破壞模式,但設縫深度不宜過大,否則窗間墻和窗下墻的相互約束會不斷減弱,使得窗下墻過早破壞,同樣不利于破壞模式的控制。因此建議設縫深度合理取值范圍為150 mm～300 mm。

4)在窗間墻寬度增大加固法中,當窗間墻寬度小于800 mm時,墻體出現窗間墻和窗下墻混合破壞模式,隨著窗間墻寬度的加大,窗間墻的破壞程度逐步降低,窗下墻的破壞程度基本不變,最終呈現為窗下墻的破壞模式。因此建議窗間墻寬度合理取值范圍為大于800 mm。

5)混凝土條帶加固法和窗下墻設縫加固法雙重作用下,可以有效的控制破壞模式的出現,建議混凝土條帶配筋率0.94%且窗下墻設縫深度為200 mm。