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dafa手机客户端官网平面偏压抗裂 性能试验研究

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点击次数:1210 更新时间:2019年04月19日17:17:40 打印此页 关闭

  摘 要:研究 4 种不同加固材料与方法的带构造柱组合墙的出平面偏心受压性能,结果表明加强型加固 能显著提高带柱组合墙的偏压受力性能,然而不同加固方案对加载梁和组合墙的抗裂性能、裂缝开展与分布 以及墙体刚度均有不同影响。


  关键词:有筋扩张网加强型加固;组合墙;出平面偏心受压;抗裂性能


  Abstract: Four different reinforcement materials and methods of research with constructional column composite wall out-of-plane eccentric compression performance, the results show that enhanced reinforcement can significantly improve the column combination bias force performance of the wall, however different reinforcement schemes of loading and crack resistance of composite wall beams, the crack propagation and distribution and wall rigidity have different effects.


  Keywords: reinforcement; composite wall; eccentric out-of-plane compression; crack resistance


  地震区的带构造柱组合砌体墙结构房屋,楼(屋) 盖现浇钢筋混凝土梁常支承于构造柱上并形成刚性节 点,因而使组合墙处于出平面偏心受压状态。当构造 柱和砌体墙截面尺寸与材料强度受限时,往往辅以面 层加固,使其满足抗震要求,然而此种经“加强型加固” 后的组合墙的抗震性能研究尚属空白。本文对 3 m 构 造柱间距,采用 4 种材料加固后的 1∶2 组合墙模型 进行偏心受压下的抗裂试验和在正常使用阶段产生 0.3 mm 裂缝的组合墙在低周反复水平荷载的抗震性 能试验。


  1 试验概述


  1.1 试验模型的设计和制作


  (1)试验模型 [1] 是在文献 [2–5] 的双墙一层和两 层模型基础上(图 1),分别采用扩张金属网水泥砂 浆面层、钢丝网水泥砂浆面层、粘钢和碳纤维等 4 种


  (2)墙片与底梁的连接构造。在底梁上植入 5 钢筋以与墙面 4 种加固材料可靠连接。构造柱纵筋直 接植入底梁。


  (3)加载梁的设计。试验时集中荷载将直接作 用到加载梁(即结构中的楼、屋盖梁)上。而该梁又 与圈梁、构造柱整浇,形成以加载梁为横梁,构造柱 和砖墙为组合柱的组合框架。试验通过加载梁跨中截 面底部屈服,形成塑性铰后带动梁柱节点转动,从而 不同材料与方法 [6,7],在扩张网和钢丝网用钢量相同 及粘钢和碳纤维表面积相同前提下加固墙面。 图 1 加载梁尺寸及配筋示意


  (a) (b) (a)加载梁尺寸;(b)1-1 剖面配筋示意 6@100 6@100 1500 50 50 150 50 50 30 400 2 8 2 8 2 8 3 14 3 14 250 ·122· 建? 筑? 技? 术 第 50 卷第 1 期 使组合墙产生水平裂缝甚至屈服而出现塑性铰,为此, 梁端须加腋、增大负弯矩钢筋并可靠锚固。


  (4)试验模型的设计、制作、模型构造尺寸及 材料的力学性能指标详见文献 [1]。 1.2 试验装置


  通过每片墙顶 4 个受力点来模拟均布荷载,即 用两个竖向千斤顶同步加载;组合墙出平面偏心受压 荷载,通过模型中间加载梁来施加。在距梁中点各 170 mm 位置设置滚轴和三角支座,由带加劲肋的钢 梁将其上的 500 kN 油压千斤顶集中荷载传到两个加 载点上(图 2)。


  接 DH3816 应变箱以采集挠度值。 每级荷载施加后持续一段时间,待裂缝充分发展 及仪表读数稳定后进行采数。数据采集完毕后对裂缝 的发展、走向进行标示。


  2 组合墙裂缝出现、开展的过程与形态 试验的两个空间模型的 4 片墙分别为扩张网加 固墙 CCQW、钢丝网加固墙 CCQX、碳纤维布加固墙 CCQY 和钢板加固墙 CCQZ。两个模型的加载梁分别 为 CCLWX 和 CCLYZ。 2.1 加载梁裂缝开展、破坏过程与形态


  2.1.1 CCLWX 梁 当加载梁跨中两集中荷载施加至PL,cr=40 kN时, 跨中偏向 CCQX 墙一侧距梁跨中水平距离约 80 mm 处出现竖向弯曲裂缝,缝宽 0.05 mm,长约 85 mm, 此为加载梁的开裂荷载;随荷载增加,裂缝加长并上 延向梁两端稍微倾斜,而偏 CCQW 墙一侧的梁中先 出现新裂缝,当PL=95 kN时,该新裂缝继续向上延伸, 而靠 CCQX 墙侧裂缝仅变宽而不再延伸。因 CCQX 墙 刚度与 CCQW 墙存在差异,靠 CCQX 墙侧 600 mm 处 梁支座首先产生 0.05 mm 的弯剪斜裂缝,同时该侧梁 跨中底部应变片的采数判断受拉钢筋屈服,塑性铰 形成,挠度急剧增加,梁柱节点明显转动,且各裂 缝迅速发展;当 PL=115 kN 时,靠 CCQW 墙侧再次出 现新的支座斜裂缝,而偏 CCQX 墙一侧裂缝继续发 展,此时梁跨中上部混凝土少许压碎;当 PL=165 kN 时,梁端上部斜裂缝增多且逐渐向加腋区延伸;当 PL=180 kN 时,CCQX 墙外面水平裂缝宽约 0.3 mm, 此时梁跨中控制裂缝几乎达到梁顶,梁底裂缝宽度 36 mm,长 220 mm,遂停止竖向加载。梁上部混凝 土压碎脱落范围达 220 mm,高 4.5 mm;此时,梁两 端至跨中出现呈对称的八字形弯剪斜裂缝。 2.1.2 CCLYZ 梁


  当梁跨中竖向荷载 PL=39kN 时,距跨中 85 mm 靠 CCQY 墙侧出现第一道长 170 mm,宽 0.05 mm 的 裂缝,此为梁的 PL,cr,与 CCLWX 几乎相同,表明两个 模型墙体开裂前对梁的约束刚度相近;当 PL=120 kN 时, 距 CCQY 墙 约 380 mm 梁支座处出现一条长 325 mm 的弯剪斜裂缝,且向梁底加腋处发展,同时 CCQY 墙外面出现水平裂缝。由应变片读数判断,梁 跨中截面塑性铰形成。当 PL=150 kN 时,偏 CCQZ 墙 侧的梁端开裂并带动墙体转动,导致 CCQZ 墙外面出 现水平裂缝,而梁两端也出现了多而短的弯剪斜裂缝; 当 PL=180 kN 时,加载梁纯弯段底部裂缝长 200 mm 1.3 加载


  上部荷载每个千斤顶施加 120 kN(包括钢梁和 分配梁自重),分 2 次加载到位;加载梁上荷载,从 零开始,采用先快后慢的单向逐级加载制度,至墙体 裂缝宽约 0.3 mm 而中止。 1.4 测试内容与方法 1.4.1 测试内容


  (1)加载梁与加固组合墙的开裂荷载及其随荷 载增加的裂缝发展;(2)加固组合墙在荷载作用下 的纵、横向变形;(3)墙内外表面纵、横向应变分 布及其在各级荷载下的变化规律;(4)加载梁、构 造柱内钢筋的应变分布及在各级荷载下的变化规律; (5)墙内外面扩张网、钢丝网、碳纤维布、钢板应 变分布及各级荷载下的变化规律。 1.4.2 测试方法


  限于仪器设备和成本,模型墙片应变片均利用对 称性而将同一墙片内外面做错半布置。考虑低周反复 荷载后续试验,CCMWX 上布置水平和垂直的应变花, CCMYZ 布置呈 45°角的应变片。构造柱和圈梁钢筋应 变片贴于截面对角位置。加载梁应变片贴于跨中及支 座纵筋上。


  为了测量出平面偏心荷载下墙体水平侧移,在墙 外表面圈梁处布置百分表 2 个,中构造柱上、中、中 下部共 3 个。加载梁跨中底部布置位移计,其一端连 图 2 竖向均布荷载及梁上集中荷载加载装置 2019 年 1 月 刘燕,等:加强型加固带柱组合砖墙出平面偏压抗裂性能试验研究 ·123· 宽度已达 2.5 mm。当 PL=190 kN 时,梁端至跨中裂缝 呈八字形的弯剪斜裂缝,而此时 CCQY 墙外表面距楼 层圈梁顶向下 320~400 mm 中构造柱处出现碳纤维布 清脆的崩裂声,墙面裂缝宽度已达到 0.3 mm。 上述试验结构表明,加载梁裂缝出现、开展及 破坏过程基本相似。第一阶段为跨中截面塑性铰产生 前。因两模型墙与梁端刚度均较大,以致梁跨中截面 开裂荷载几乎相同。然而因两端墙体加固方法不同, 导致两墙体刚度和梁端约束有别,从而引起梁跨中弯 曲裂缝及两端弯剪斜裂缝均不同步,而是交替 ,反 映了跨中、梁端截面内力重分布过程。第二阶段为跨 中截面塑性铰产生并致破坏以至墙体外面裂缝宽度达 到 0.3 mm 左右。同样因墙对梁端约束之差异,两梁 跨中产生塑性铰的荷载不同:CCLYZ 高于 CCLWX;梁 端弯剪斜裂缝出现也不同时:偏 CCQW 端较偏 CCQX 端为晚;偏 CCQY 端较 CCQZ 为早。但所有梁端负弯 矩钢筋均未屈服。


  2.2 组合墙裂缝开展过程与形态 2.2.1 CCQW 墙 (1) 墙 外 面: 当 PQ=115 kN 时, 距 b 轴向左 约 60 mm、圈梁顶往下约 330 mm 处出现一条长约 125 mm、宽约 0.05 mm 的斜裂缝,此荷载为 CCQW 墙外面的开裂荷载,该处即后来的“裂缝中心”;随 荷载增加裂缝继续发展并与水平线呈 –30°,直至在 圈梁顶往下 260 mm 处新出现一长 250 mm 的水平缝, 且通至“裂缝中心”,引起 CCQW 墙刚度和承载力急 剧下降;当 PQ=140 kN 时,由于 CCLWX 跨中塑性铰 出现,梁压后形成的内拱矢高不断减小,拱脚推力不 断增大,引起墙外面“裂缝中心”附近出现较多水平 短裂缝;至PQ=180 kN时,外墙面缝宽已达0.3 mm,“裂 缝中心”处墙体明显外鼓,少许砂浆剥落,裂缝分布 大致呈米字形,此时停止竖向加载。CCQW 墙外面裂 缝特点是多而密。 (2)墙内面:当 PQ=130 kN 时,梁墙节点处左 侧且与水平线呈约 30°出现长约 60 mm,宽 0.05 mm 的斜裂缝;随荷载增加该向上斜裂缝分支以 45°角 穿越圈梁,直至墙外面裂缝宽已达约 0.3 mm,于是 终止加载。在整个过程中,梁墙交界处尚伴有若干水 平裂缝。


  2.2.2 CCQY 墙 (1)墙外面:当 PQ=120 kN 时,楼层圈梁底下 190 mm 处出现一条水平裂缝,贯通中构造柱碳纤维 布底灰缝,并向 b 轴左右各延伸 150 mm 和 120 mm, 缝宽 0.05 mm,此即开裂荷载,该处即为“裂缝中心”; 随 PQ=130 kN, 150 kN, 170 kN, 180 kN,而分批沿“裂 缝中心”出现多条水平裂缝和阶形斜裂缝,且都穿过 中间构造柱和两侧的碳纤维布底灰缝;当 PQ=190 kN 时,裂缝中心最上 1 条水平裂缝左右端转折成 45°斜 向圈梁发展,从而形成第一对圈梁扭矩裂缝,而后继 续以阶梯状向第 2 层砖墙延伸。由其最下 1 条水平缝 左右端转折成 45°阶梯状斜裂缝向下延伸,且此时 在圈梁顶面下 40 mm 的中间构造柱处的碳纤维布出 现清脆的崩裂声,墙面裂缝宽已超过 0.3 mm,于是 停止竖向加载。 (2)墙内面:当 PQ=120 kN 时,墙外面首次开裂, 墙内面无裂缝;当 PQ=140 kN 时,梁顶与墙面交接处 左右侧均出现新斜裂缝并分别以约 45°角斜向下发 展为圈梁上第一批扭矩裂缝;当 PQ=150 kN 时,扭矩 裂缝继续向下发展,穿过菱形碳纤维布,梁端上部与 墙表面交接处(圈梁顶上 50 mm)出现长 250 mm 水 平裂缝并与扭矩裂缝贯通;随荷载继续增加,梁端左 右侧各 150 mm 处,与水平线分别呈 135°和 45°阶 形斜裂缝向上延伸并穿越第一条折形碳纤维布;当 PQ=170 kN 时,除裂缝继续延伸外,构造柱与梁底相 交处混凝土压碎脱落;当 PQ=190 kN 时,墙外面圈梁 顶往下 40 mm 处出现清脆的碳纤维布的崩裂声且墙 外面裂缝宽度已达 0.3 mm,此时停止竖向加载。 2.2.3 固墙片试验的小结


  竖向荷载下,4 种面层加固的墙体加载方式一致, 裂缝出现与开展过程和现象大致相同。在对称荷载作 用下却因模型 2 片墙加固不同,开裂早晚与发展程度 也不同,使 2 片墙刚度有所差异而引起荷载传递的重 分布并产生以下特点:扩张网加固墙较钢丝网墙裂缝 多而密、分布较均匀,表明其应力传递与重分布能力 强于后者;粘钢较碳纤维布更易保证加固材料的平直 而利于直接传力,后者因过薄柔而易随墙面不平整以 致曲折,不利于传力直接。CCQWX 加固材料均匀, 利于内力传递与重分布,但对内力分布相对集中的中 柱节点区显得抗力较弱。CCQYZ 加固材料相对集中, 则其受力性能与 CCQWX 正相反。 3 试验测试结果及比较


  因本试验是在文献 [2–5] 模型基础上,参照文献 [6,7] 的加固方法并对比文献 [7] 的恢复型加固方案进 行的。 经比较可知:文献 [7] 与本文因加载梁的有关参 数相同,墙体开裂荷载基本接近;文献 [3] 除墙片与 本文未加固墙片相同外,其加载梁的截面、配筋及混 ·124· 建? 筑? 技? 术 第 50 卷第 1 期 凝土强度均低于本文,以致开裂荷载降低。对于墙体, 文献 [3] 虽构造柱的间距与本文相同,但却是清水墙。 而本文墙体除砂浆强度高于文献 [3] 外,还进行了加 强型加固,以致墙体裂缝宽度达到 0.3 mm 时的竖向 荷载高于文献 [3] 的破坏荷载;文献 [7] 是破坏后的 恢复型加固,加固面层对已破坏模型的增强起了决定 性作用,以至其破坏荷载高于文献[3],但却低于本文。 可见作为一种新的组合结构型式与设计方法,加强型 加固是有效和可行的。


  4 组合墙受力特点及分析 4.1 砖墙表面的应变分析结果 竖向荷载下,考虑两加固墙以中构造柱为对称轴 以及为与文献 [3,7] 有可比性,将内外墙面的纵向应 变和横向应变沿墙长的分布规律进行分析。具体过程 详见文献 [1],但从中可得出如下结论:距“裂缝中心” 越近,应变值变化幅度越大,应变值也越大,且墙外 面受拉,内面受压;反之则应变值变化幅度越小,应 变值也小。虽距“中心”较远墙体对中部墙体的抗力 有一定作用,但对该作用须进行一定折减。 4.2 构造柱内钢筋的应变分析结果 边构造柱虽参与了模型出平面偏心受压,但起决 定性作用的仍是中构造柱。由应变分析图可看出:中 构造内的钢筋应变值较大,甚至某些部位达到屈服, 而边构造柱虽也存在拉压应变,但远未屈服。因此中 构造柱协同相邻的砌体墙及其面层对模型抵抗出平面 偏压荷载发挥了很大的作用,从而可按构造柱间距来 划分竖向荷载的作用范围并据以确定组合框架柱的截 面宽度,这与之前的结论是一致的 [2–5]。 4.3 加固面层的应变分析结果


  在竖向荷载下加固面层的应变状态基本与底层中 构造柱内钢筋一致,即墙外面加固面层上部受拉,下 部受压,且位于加载梁底处的应变最大。分析其最大 拉应变可知,在同一荷载作用下,碳纤维布和钢板因 材料强度较高或集中布置,当墙体裂缝达到 0.3mm 时组合墙承担的出平面偏心荷载均大于扩张网和钢丝 网加固的墙体,而扩张网、钢丝网因均布整个墙面, 其裂缝分布相对均匀,但达到相同裂缝开展状态所承 担的出平面偏压荷载较小。 5 裂缝发展模式


  尽管墙片加固方法不同,但墙片裂缝位置与走向 仍循相同规律。随荷载增加,裂缝开展顺序与过程是 加载梁跨中开裂,梁底纵筋屈服,塑性铰出现,挠度 加大并进一步带动两端梁柱节点转动;组合墙圈梁底 下 150~300 mm 区域内出现较短的水平裂缝,部分裂 缝渐向墙体两侧并以阶梯状下延,部分穿过圈梁形成 扭矩斜裂缝并向上部墙体延展。而导致墙面开裂早晚、 开展程度、分布范围及密度等均因加固材料不同而相 异,总之裂缝开展模式大同小异。 6 结论


  本文就 4 种不同加固材料的加强型带构造柱组合 墙出平面偏心受压性能进行了试验研究,以完善带构 造柱组合墙出平面偏心受压理论及设计方法,得出了 结论如下。


  (1)加载梁的裂缝出现及开展过程因两端墙体 刚度和约束大小之不同而不同。


  (2)墙体的面层加固方案不同会导致墙体刚度 的差异从而引起荷载传递的重分布。


  (3)在竖向荷载下,对加载梁附近的墙体而言, 其他部位的墙体的承载贡献须进行一定折减。


  (4) 中构造柱协同相邻的砌体墙及其面层对模 型抵抗出平面偏压荷载发挥了主要的作用。


  (5)4 种加固材料,对墙体出平面偏压荷载各 有优缺点:扩张网、钢丝网砂浆整体墙面加固,其裂 缝的分布相对均匀,但当墙体裂缝达到 0.3mm 时所 承担的出平面偏压荷载较小;碳纤维布和钢板因材料 强度较高且布置相对集中,其裂缝分布相对局限, 但当墙体裂缝达到 0.3mm 时承担的出平面偏心荷载 较大。


  (6)加强型加固墙体与非加固墙体相比,提高 了墙体刚度、抗裂度和出平面偏心受压承载力。 作 为一种新的组合结构型式与设计方法是行之有效的, 因而具有很大的工程意义。

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