干砌撂漿擋墻抗震性能試驗(yàn)研究

0條石砌筑抗震性能與滯回特性的研究石材具有承受壓強(qiáng)度高、耐久性好、樸素、美觀等特點(diǎn)。許多古老的人類文明和建筑文化都是由具有良好耐用性的石材結(jié)構(gòu)建筑繼承下來的。我國福建省盛產(chǎn)優(yōu)質(zhì)花崗巖石材,石結(jié)構(gòu)建筑遍及東南沿海各地,具有濃厚的建筑特色和悠久的歷史。目前石結(jié)構(gòu)仍是閩東南村鎮(zhèn)住宅的主要結(jié)構(gòu)形式。石材是一種脆性材料,其抗彎和抗拉強(qiáng)度均相對較差,加之傳統(tǒng)石結(jié)構(gòu)的砌筑砂漿強(qiáng)度較低且往往采用干砌甩漿的施工方法,造成現(xiàn)存的大多數(shù)石結(jié)構(gòu)房屋整體性和抗震能力極差,石梁、石板等在沖擊荷載下易發(fā)生脆斷目前關(guān)于石砌體結(jié)構(gòu)研究工作存在的問題主要有:(1)已有的研究工作主要是針對石砌體的抗剪強(qiáng)度建立能夠反映石墻真實(shí)滯回特性的恢復(fù)力計(jì)算模型是石結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)分析的關(guān)鍵技術(shù)問題。目前關(guān)于條石砌筑承重石墻滯回特性的研究仍少見報道,對該類結(jié)構(gòu)的抗震性能的認(rèn)識仍不系統(tǒng)。地震反應(yīng)分析中對石砌墻體的恢復(fù)力特性仍主要沿用磚砌體的試驗(yàn)成果?？紤]到石墻砌筑塊體尺寸、材料性能、灰縫界面特性和砌筑方式等均與傳統(tǒng)磚砌塊存在較大差異,沿用傳統(tǒng)磚砌體的恢復(fù)力模型進(jìn)行石結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析無法真正揭示石砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗震薄弱環(huán)節(jié)。因此,開展條石砌筑承重石墻抗震性能和滯回特性研究具有重要理論和工程意義。本文通過5片干砌甩漿石墻的低周反復(fù)加載試驗(yàn),對不同參數(shù)試件的抗震性能進(jìn)行了研究。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)構(gòu)件及試件結(jié)構(gòu)石墻砌筑條石采用福建地產(chǎn)花崗巖粗料石,石材軸心抗壓強(qiáng)度為128.5MPa。條石尺寸為570mm×200mm×200mm。共砌筑5個石墻試件,每個試件由混凝土地梁、5皮條石砌筑墻體和上部加載壓梁組成,試件的高寬比為0.5,試件幾何尺寸如圖1所示。石墻均采用當(dāng)?shù)爻Ｓ玫母善鏊{砌筑工藝,砌筑灰縫厚度約為30mm。石墻主要砌筑工序如下:(1)在預(yù)制RC地梁上干砌花崗巖條石,并通過主石墊片支墊條石,使條石間的縫隙調(diào)整為約30mm(圖2a);(2)石墻干砌完成后對縫隙甩填砂漿,并同時擠入副墊片(圖2b);(3)為了方便試驗(yàn)過程裂縫觀察,完成灰縫甩漿工序后再利用低強(qiáng)度的白灰砂漿進(jìn)行勾縫處理(圖2c)。所有試件均由同一名砌墻工人砌筑,以減少因砌筑方式不同而造成石墻性能上的差異。主要試驗(yàn)參數(shù)包括砂漿強(qiáng)度f1.2水平荷載加載系統(tǒng)采用低周水平反復(fù)加載擬靜力試驗(yàn)方法,試裝置由豎向加載系統(tǒng)和水平加載系統(tǒng)兩部分組成試驗(yàn)裝置見圖3。豎向荷載由電動液壓千斤頂施加,并通過超高壓穩(wěn)壓控制臺控制試驗(yàn)過程豎向壓力的恒定。為了模擬均布壓應(yīng)力和避免試驗(yàn)時試件的轉(zhuǎn)動,豎向荷載通過兩液壓千斤頂作用在試件壓梁上的型鋼轉(zhuǎn)換梁上。水平荷載通過MTS伺服加載系統(tǒng)施加于試件上部加載壓梁,試驗(yàn)過程采用力和位移混合控制加載。在墻體開裂以前采用力控制,第1步加載為預(yù)計(jì)開裂荷載的50%,以后每級增量為20kN,每級荷載循環(huán)1次。在墻體開裂后采用位移控制,按位移角1/500、1/400、1/200、1/100和1/75對應(yīng)的位移幅值進(jìn)行加載,各位移幅值循環(huán)3次,直至墻體水平承載力下降為極限荷載的85%時終止試驗(yàn)。1.3墻體變形布置在試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)包括豎向荷載、水平荷載、墻頂位移、中部位移和支座位移等。位移測點(diǎn)的布置方案如圖4所示。圖中,位移計(jì)G1~G4分別量測石墻體試件墻體頂部和底部的水平位移;G5用于測量壓梁與墻體的相對滑移;G6用于測量墻體中部的水平位移;G7為加載時的控制位移。所有力和位移信號均通過MTS-GT控制器和DH3816數(shù)據(jù)采集儀由計(jì)算機(jī)自動采集。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1破壞過程和分析2.1.1墻體裂縫的形成過程干砌甩漿石墻是一種由大型石砌塊、石墊片和混合砂漿等不同材料砌筑而成的混合體,表現(xiàn)出明顯的各向異性。通過試驗(yàn)過程的觀察和分析,石墻破壞過程可歸納為如下3個階段:(1)近似彈性工作階段。此階段從開始加載到墻體出現(xiàn)初始裂縫。石墻墻體初始裂縫分別為沿墻體受拉側(cè)水平灰縫開裂和沿墻體中部階梯狀開裂兩種形態(tài)。開裂荷載P(2)裂縫發(fā)展階段。該階段為墻體出現(xiàn)初始裂縫到形成墻體主裂縫。在此階段,隨著水平荷載和位移幅值的增加,墻體裂縫持續(xù)擴(kuò)展,直至形成貫通的主裂縫。與初始裂縫形態(tài)相對應(yīng),主裂縫也有兩種典型形態(tài):(1)一字形貫通主裂縫,主要產(chǎn)生于墻體壓應(yīng)力較小且砌筑砂漿強(qiáng)度較高(σ(3)摩擦滑移階段。墻體主裂縫形成后,灰縫的粘結(jié)能力基本喪失,墻體的水平承載能力主要是靠灰縫的摩擦來承擔(dān),這一階段稱之為摩擦滑移階段。該階段中,隨著位移幅值的繼續(xù)增加,墻體破壞主要體現(xiàn)在被主裂縫分割的墻體主塊體沿主裂縫的滑移錯動、石墊片的逐步壓碎和主裂縫所通過灰縫厚度的逐步壓縮。所有試件在加載至1/100位移角幅值后的極限破壞狀態(tài)如圖5所示。從試驗(yàn)現(xiàn)象和圖5可知,石墻最終形成以下兩種典型破壞形態(tài):(1)類X形階梯狀剪切滑移破壞(圖5a、5b、5d、5e),主要特征是隨著荷載水平和位移幅值的增加,試件的破壞主要呈現(xiàn)沿階梯形主裂縫滑移和裂縫中石墊片壓碎。在加載后期的較大位移幅值下,墻體兩側(cè)的三角形塊體因無法隨主塊體恢復(fù)原來的狀態(tài)而逐步向兩側(cè)移動,形成墻體沿橫向的“膨脹”變形(圖5a、5b)。在當(dāng)墻體兩側(cè)的三角形塊體向外滑移位移較大時,階梯狀裂縫逐步退出工作,該部分墻體截面承擔(dān)的上部壓力逐步轉(zhuǎn)移到由中部水平裂縫截面承擔(dān),此時,墻體有效抵抗截面減小,中部有效抵抗截面壓應(yīng)力增大,墻體承載力進(jìn)入退化階段。對于壓應(yīng)力最大的試件SSW5(σ2.1.2干砌扭漿石結(jié)構(gòu)的灰縫破壞試驗(yàn)過程相對于其它砌體結(jié)構(gòu),石砌體的砌塊強(qiáng)度遠(yuǎn)比灰縫砂漿強(qiáng)度高,因此石砌體的破壞進(jìn)程和破壞程度主要表現(xiàn)為灰縫的破壞。干砌甩漿石結(jié)構(gòu)的灰縫由石墊片和混合砂漿組成,在試驗(yàn)過程中兩者共同承擔(dān)外界施加的荷載。從試驗(yàn)過程來看,灰縫的破壞可以分為兩個階段灰縫的兩個破壞過程有前后之分,但其界限并不分明,而在同一灰縫處又是連續(xù)的過程;在整片墻的灰縫中,兩個破壞過程則存在一定的交叉現(xiàn)象。2.2返回函數(shù)2.2.1滯回特性分析試驗(yàn)所得石墻試件的滯回曲線如圖7所示。墻體開裂之前,滯回曲線基本上為直線,滯回環(huán)面積相對較小,滯回曲線幾乎重合在一起,試件處于彈性工作階段,墻體剛度變化很小。隨著水平荷載的增加,墻體裂縫逐步開展和增多,滯回曲線逐步變得飽滿,滯回環(huán)面積增大,卸載后出現(xiàn)明顯殘余變形。主裂縫形成以后,墻體基本達(dá)到極限荷載,此后,隨著位移幅值的增加承載力有所下降,但下降幅度較小。這主要是因?yàn)樵谥髁芽p形成后,試件的承載力主要由石墻各灰縫之間的摩擦力提供,而摩擦力的大小主要與正應(yīng)力、界面特性以及接觸面大小有關(guān)。隨位移角幅值的增加,正應(yīng)力保持不變,界面特性和接觸面積變化不大,因此試件承載力下降幅度較小。值得注意的是,試驗(yàn)結(jié)果揭示條石砌筑石墻的滯回曲線呈現(xiàn)非常飽滿的梭形(圖7),表現(xiàn)出良好的耗能性能。這種結(jié)果與磚砌體和砌塊砌體的滯回環(huán)在彈塑性階段呈現(xiàn)明顯的“捏縮”現(xiàn)象的試驗(yàn)結(jié)果存在明顯差異。其原因是條石砌筑石墻灰縫性能與常規(guī)磚砌體存在以下差異:(1)粗料石表面較為粗糙,在上部壓應(yīng)力作用下能夠提供較大的摩擦力;(2)石砌體灰縫是石墊片和砂漿的組合體,石墊片在反復(fù)荷載作用下不斷的碾壓破碎過程增強(qiáng)了灰縫的滑移耗能能力;(3)條石砌塊較大的幾何尺寸增強(qiáng)了石墻塊體沿主裂縫滑移錯動過程的穩(wěn)定性?；谏鲜鲈?試件在卸載后的再加載過程中破壞面能夠提供足夠大的摩擦力,因此,難以產(chǎn)生類似磚砌體結(jié)構(gòu)的滯回環(huán)滑移捏縮現(xiàn)象。由此可見,在保證石墻平面外穩(wěn)定的前提下,石墻可以在較大位移角下保持相對穩(wěn)定的承載能力和較好的滯回耗能能力,這對結(jié)構(gòu)的抗震是有利的。從圖7可以看出,壓應(yīng)力和砂漿強(qiáng)度對干砌甩漿石墻的承載能力和滯回性能均存在明顯影響,且壓應(yīng)力水平對石墻滯回性能的影響比砂漿強(qiáng)度要大。砂漿強(qiáng)度較高的3個試件SSW3、SSW4和SSW5(砂漿強(qiáng)度接近),雖然隨著壓應(yīng)力水平的提高,試件的極限荷載有較大幅度增加,但后續(xù)循環(huán)下的強(qiáng)度退化有所增加。特別是最大壓應(yīng)力水平(σ2.2.2干砌扭漿墻體的特性所有石墻試件的骨架曲線見圖8,各骨架曲線特征點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表2。表中,P從表2可知,試件受剪承載力隨砂漿強(qiáng)度f壓應(yīng)力水平的提高能夠顯著提高干砌甩漿石墻的受剪承載力,但過高的壓應(yīng)力會加快石墻彈塑性階段的強(qiáng)度退化和降低彈塑性后期滯回環(huán)的穩(wěn)定性。從試驗(yàn)結(jié)果看,條石砌筑石墻的壓應(yīng)力水平不宜超過0.60MPa。不同試驗(yàn)參數(shù)干砌甩漿墻體的骨架曲線在開裂前差別不大,可近似為一直線段;在開裂后的裂縫發(fā)展階段,強(qiáng)度有所增加,但剛度與開裂前相比明顯下降,其承載力和剛度隨壓應(yīng)力和砂漿強(qiáng)度的不同而存在較大差異;隨著主裂縫的形成,石墻試件達(dá)到最大荷載,此后石墻進(jìn)入摩擦耗能階段,剛度和強(qiáng)度均隨位移幅值的增加而有所退化。干砌甩漿石墻的延性同砌筑砂漿強(qiáng)度和壓應(yīng)力水平有著密切的關(guān)系。從圖8和表2可以看出,干砌甩漿石墻在低壓應(yīng)力下具有較好延性,且墻體延性隨著砂漿強(qiáng)度的提高而提高,隨著壓應(yīng)力的增大而減少。在壓應(yīng)力保持不變的情況下,試件SSW4的延性比試件SSW2提高了39.9%;在壓應(yīng)力從0.25增加到0.60的時候,試件SSW2和SSW4的延性分別比試件SSW1和SSW3下降了68.6%和47.7%。由于SSW3的破壞模式與SSW1不同,其延性系數(shù)反而略有下降。干砌甩漿石墻的延性系數(shù)大致隨著σ2.2.3開裂至最大荷載圖9為各個石墻試件的割線剛度隨位移幅值增大的衰減曲線,從圖中可以看出:(1)壓應(yīng)力水平較低的試件SSW1和SSW3在墻體開裂至最大荷載的裂縫發(fā)展階段內(nèi)的剛度退化速率明顯高于其它3個壓應(yīng)力較大試件。說明提高壓應(yīng)力水平可以減緩裂縫發(fā)展階段墻體剛度的退化;(2)砂漿強(qiáng)度等級對石墻在裂縫發(fā)展階段的剛度退化影響不明顯;(3)在達(dá)到最大荷載后的摩擦耗能階段,割線剛度的退化速度明顯低于裂縫發(fā)展階段。這主要是在摩擦耗能階段灰縫截面摩擦力退化較為緩慢,因此加載過程墻體剛度下降程度也相對較小。2.2.4能源能源通過能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼系數(shù)ξ3性能與受剪性能(1)干砌甩漿石墻的受力過程可分近似彈性階段、裂縫發(fā)展階段和摩擦滑移階段等3個階段。(2)石墻的最終破壞形態(tài)主要受壓應(yīng)力水平的影響,其最終破壞形態(tài)主要有一字形的單縫滑移破壞和類X形階梯狀剪切滑移破壞兩種形態(tài)。(3)砂漿強(qiáng)度和壓應(yīng)力水平是影響石墻受剪承載力的主要因素。提高壓應(yīng)力水平對石墻受剪承載力的影響比提高砂漿強(qiáng)度更加顯著。(4