砌体墙力学参数的精密测量.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金()作者简介:王 超()男硕士研究生主要从事结构抗震研究:.通信作者:郭 迅()男研究员博士主要从事结构抗震和结构损伤诊断研究:.文章编号:():./.砌体墙力学参数的精密测量王 超郭 迅刘 娟罗若帆张 俊董孝曜(.防灾科技学院 中国地震局建筑物破坏机理与防御重点实验室河北 三河.中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室黑龙江 哈尔滨)摘 要:为准确测量砌体墙初始刚度和抗剪强度提出基于逐级偏压加载平衡拉应力的试验方法设计并制作 组不同砖块类型和不同构造措施的砌体墙片模型并在精密测试条件下
2、进行拟静力试验 试验结果表明:基于逐级偏压加载的方法能够较好地模拟实际工程墙体剪切破坏模式 烧结普通砖砌筑的墙片抗剪强度高于蒸压粉煤灰砖砌筑的墙片 带构造柱的墙体具有更高的变形能力和延性 本文的研究结果可为准确测量砌体墙的力学参数提供一种可靠的试验方法关键词:砌体墙精密测量初始刚度抗剪强度拟静力试验中图分类号:文献标识码:(.):.:引言砌体结构具有取材方便、构造简单、施工容易、造价低廉和耐久性好等优势在我国被广泛应用但脆性突出的特性使砌体结构在地震作用下破坏非常严重 实际震害显示砌体结构底层纵向各轴线刚度差异大时易产生内力集中现象(称为“内力凝聚”)刚度大的构件分配到的地震剪力大变形能力小在
3、地震作用下因率先达到位移极限而发生脆性破坏(称为“变形饱和”)并触发结构倒塌 这种破坏机制的核心问题在于地震过程中墙体分配的地震剪力是否超越自身的承载能力而其剪力分配取决于砌体墙初始刚度的世 界 地 震 工 程第 卷比例因此准确测量砌体墙的初始刚度和抗剪强度是进行砌体结构倒塌机理研究的基础近几十年国内外专家学者对砌体结构抗震性能作了大量的试验研究 等对 片构造柱约束砌体墙进行了拟静力试验结果表明:构造柱的数量和间距影响墙片的抗震性能赵成文等对 片不同试验参数的蒸压粉煤灰砖墙体进行了拟静力试验指出试件抗剪承载力实测值与建筑抗震设计规范()的抗震抗剪承载力计算值的平均值之比为.说明规范取值较保守姚
4、新强等对不同砂浆强度、不同构造措施和开洞的 个墙片进行了拟静力试验试验表明砂浆强度影响最大构造措施和开洞影响次之乔崎云等对 片构造柱约束烧结普通砖砌体墙进行了拟静力试验试验发现竖向压应力及砌筑砂浆强度的提高使得试件各项力学性能均有一定提升学者们大多采用竖向均布加载的悬臂式试验装置来研究砌体墙抗震性能 悬臂加荷法是一种接近于实际砌体受力情况的方法能够模拟墙体在竖向承重和水平抗剪的受力状态试验方法较为简便且装置简单 但悬臂式试验装置在水平力作用下墙体会产生一定的弯曲力矩特别是当墙体的高宽比较大时试验时容易在底部形成受弯水平裂缝发生弯剪破坏使墙体位移增大难以准确获得墙体的初始刚度 此外大量的震害资料
5、表明砌体结构承重墙体的破坏模式几乎是剪切破坏难以出现底部的弯曲受拉破坏这是因为实际工程结构通常由多片墙体并联而成抵抗力臂大不容易发生弯曲破坏 日本建设省建筑研究所设计了固端平移式试验装置该装置的加载梁可以强制约束墙体转动实现试件严格按照受剪机制破坏的试验目的 形钢架相当于在墙体顶部额外施加一个与试件转动方向反向的弯矩一定程度上减弱墙体的转动变形进而消除整体弯曲的影响 此种装置结构比较合理使墙体处于剪切变形状态最接近多层砌体房屋中墙体在地震时的受力状态但这种装置的结构比较复杂 形钢架要求刚度大四联杆铰支要求杆件尺寸较大构造精密不然就不能保证 形钢架横梁在试验中的水平移动 此外朱伯龙等采用带翼缘的
6、单层单面墙进行拟静力试验 该方法通过在主体墙体两侧增加翼柱增大墙体的截面惯性矩进而提高墙体试件横截面抗弯承载能力确保墙体在承受最大剪力时不会出现提离现象 但是该试验方法会改变墙体中剪应力的分布与无翼缘墙体在地震作用下的受力情况并不完全相符为了更合理地模拟砌体在地震时所受的垂直荷载与水平地震作用情况再现地震作用下墙体经常出现的斜裂缝破坏现象正确测量墙体的初始刚度和抗剪强度笔者所在课题组创新地提出基于逐级偏压加载的试验方法 该方法能够保证墙体在试验过程中发生剪切破坏加载过程中通过增加偏心竖向荷载的方式平衡底部拉应力以防止底部砂浆因受拉开裂造成整个墙体提离从而发生整体滑移破坏 本文将通过 组砖砌体墙
7、片的拟静力试验验证该试验方法的有效性和可靠性并在此基础上进一步研究不同材料和不同构造措施对墙体力学性能的影响逐级偏压加载平衡拉应力的试验方法逐级偏压加载平衡拉应力的试验方法是指在进行墙片拟静力试验时通过在墙片模型左侧逐级增加配重的方式如图()所示产生一个反向的弯矩来抵消作动器水平推力在墙体底部产生的拉应力避免墙片底部受拉发生提离破坏 同时每个模型共设置 个墙片如图()所示:一方面可减少平面外的效应另一方面两墙片也可起到互相校核的作用 墙片顶端采用钢筋混凝土盖板进行连接在盖板上放置配重块来模拟实际墙体受到的重力荷载作用 与常见的千斤顶加载方式相比该加载方式具有两个方面的优势:一是当墙体试件发生水
8、平侧向位移时竖向荷载可保持恒定而使用千斤顶加载时会产生由摩擦力导致的水平推力增量二是当墙体试件严重破坏而发生整体微幅下沉时千斤顶加载系统难以在极短的时间内调节自身行为以保证其与模型不脱离并维持竖向荷载不变而采用竖向配重加载方法可有效避免这一问题试验过程中墙片模型上存在着两种竖向荷载分别是作用于墙体中心处的集中荷载以及偏心荷载 作用于墙体中心处的集中荷载对墙体底部左侧边缘产生的正应力采用公式()进行计算()式中:为作用于墙体中心处的竖向集中荷载 为墙体横截面面积由材料力学可知:偏心荷载可等效为作用于墙体中心处的集中荷载和弯矩弯矩采用公式()进行计算 ()第 期王 超等:砌体墙力学参数的精密测量式
9、中:为偏心荷载产生的弯矩作用 为偏心荷载产生的竖向集中荷载 为偏心荷载的合力中心到墙体中心之间的直线距离弯矩作用在墙体底部左侧边缘产生的正应力采用公式()进行计算()式中:为墙体横截面上的弯矩作用 为所求应力点到墙体中心的距离 为墙体横截面对中性轴 的惯性矩 加载时作动器水平推力会对墙体产生一个弯矩作用此时墙体底部左侧边缘受到的正应力采用公式()和公式()进行计算图 模型实物图.试验概况.模型设计与制作此次试验共设计了 组砌体墙模型试件的高宽比均为.分别为蒸压粉煤灰砖模型(和)、烧结普通砖模型(和)和带构造柱的烧结普通砖模型(和)带构造柱烧结普通砖模型采用“先砌墙后浇柱”的施工工序将构造柱钢筋
10、绑扎完成以后开始砌筑墙体并在柱两侧预留马牙槎然后整体浇筑模型 墙体由烧结普通砖砌筑而成为保证其整体性在墙内每隔四坯砖设置长度为 的水平拉结筋并伸入构造柱内 构造柱内部共设置 根 的麻花状矩形软钢箍筋选用 的铁丝箍筋间距为 考虑偶然性误差每种模型均制作 个 组墙片的具体编号、尺寸及构造特点见表 模型实物照片见图()图()表 模型尺寸及构造特点 模型名称模型尺寸/宽高厚墙体材料强度/砌块砌筑砂浆构造柱.世 界 地 震 工 程第 卷图 拟静力试验模型.逐级偏压加载平衡拉应力的试验方法的设计以模型 试验为例给出基于逐级偏压加载平衡拉应力试验方法的计算和设计过程 试验初始状态先在墙体上施加.配重如图()
11、所示再将.重的钢筋混凝土块的合力中心对准墙片中心左侧 处放置.重的配重块的合力中心对准墙片中心右侧 处放置如图()所示 同时最右侧施加的偏心配重不宜过大防止墙体底部左侧提离图 试验前竖向荷载分布情况.第 期王 超等:砌体墙力学参数的精密测量.配重对单片墙底部左侧边缘产生的正应力为:./.(压应力).偏心配重对单片墙底部左侧边缘产生的正应力为:首先计算.配重对单片墙底部左侧边缘产生的正应力:./.(压应力)然后计算弯矩作用对单片墙底部左侧边缘产生的正应力:./().(压应力).偏心配重对单片墙底部左侧边缘产生的正应力为:首先计算.配重对单片墙底部左侧边缘产生的正应力:./.(压应力)然后计算弯矩
12、作用对单片墙底部左侧边缘产生的正应力:./().(拉应力)综上所述初始状态下单片墙底部左侧边缘受到的正应力的理论计算值为.(压应力)加载过程中作动器水平推力 对单片墙底部左侧边缘产生的正应力为:()求得当作动器水平力推力 为.时墙体底部的拉应力达到峰值墙体处于受拉开裂的临界状态 因此当作动器水平推力为.时在盖板最左端(距离墙体中心 )施加.偏心配重使墙体底部左侧边缘再次处于受压状态 之后两次加载过程的确定方法同上 逐级偏压加载过程持续三次当第三次配重加载后随着位移增大模型开始出现损伤荷载增幅较小但不会发生底部受拉破坏.加载方案基于单侧偏心加载试验方法采用静力单向水平位移加载的方式 加载过程见图
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