(1.福州工业园区开发集团有限公司,福建 福州 350100; 2.福州大学 土木工程学院,福建 福州 350108; 3.西南科技大学 土木工程与建筑学院,四川 绵阳 621010)
(1.Fuzhou Industrial Park Development Group Co.,Ltd.,Fuzhou 350100,Fujian,China)(2.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,Fujian,China)(3.School of Civil Engineering and Architecture,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,Sichuan,China)
masonry structure; seismic reinforcement; UHPC; mortar joint reinforcement; shaking table test
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0053
福建沿海地区盛产优质花岗岩石材,当地居民就地取材,于20世纪70年代前后建造大量具有地方特色的石砌体结构民宅。这类民宅的墙体、楼板、柱、梁和楼梯等构件均由花岗岩石材制成,各构件通过连接和搭接组成整体结构。其中石墙的块材砌筑以及石墙体与石楼板搭接均是通过低强度的黏土混合砂浆“干砌甩浆”砌筑而成(郭子雄等,2009; 柴振岭,2019)。这些石砌体房屋建成的时间较长,结构普遍老龄化,加之砌筑工艺差异和砌筑砂浆老化导致结构整体性差,抗震性能不足,存在安全隐患,亟需对既有石砌体结构房屋进行抗震加固(李飞燕等,2023; 方霄鹏等,2024)。
国内部分学者采用振动台试验方法对石砌体结构房屋开展了地震响应研究,如张淑娴(2015)对1:2缩尺的两层单跨石砌体结构模型进行了振动台试验,发现其破坏形态与一般砌体结构类似,石墙体呈现阶梯形裂缝,最终在灰缝界面发生剪切破坏。石墙灰缝的破坏是导致石墙失去抗剪承载力的主要原因(庄思思,2017),国内外学者采用了不同的方法来加固石墙灰缝,如胡奕东等(2009)采用的钢筋—聚合物砂浆加固方法有效延迟石墙裂缝的出现; 刘小娟等(2010)提出了采用聚合物砂浆加固石墙灰缝的方法,有效地提高了灰缝的抗剪承载力和抗剪切变形能力; [HJ]Hou等(2021)在此方法的基础上采用高延性水泥基材料(ECC)对灰缝进行嵌缝加固,试验发现通过ECC嵌缝加固后,石墙在进入裂缝发展阶段后石垫片并未随着条石界面的相对位移而发生碾压破坏,同时强度退化阶段较为缓慢。上述方法采用不同材料嵌缝加固石墙,均能有效提高石墙的抗震性能,且不增加结构的自重以及不影响建筑原有的风貌(魏智辉等,2017)。
随着新材料、新技术的不断发展,福州大学相关课题组提出了采用超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)嵌缝加固石墙灰缝的方法。该方法将UHPC与石材相融合,黏结强度高(Wu et al,2023)。朱远浩(2022)采用UHPC嵌缝加固和点状嵌缝加固(以下简称“点状加固”)干砌甩浆石墙,并进行了拟静力试验。结果表明,相比未加固石墙,UHPC点状加固石墙开裂荷载和峰值荷载分别提升了367%和215%; 而UHPC嵌缝加固石墙开裂荷载和峰值荷载分别提升500%和214%。UHPC加固有效抑制墙体裂缝的发展,显著提高石墙的抗震性能,且加固成本较低。但目前的研究主要针对构件层面,还无法体现整体结构的加固效果。
本文在已完成的UHPC嵌缝加固石墙构件抗震性能试验基础上,以福建闽南典型的两层双开间
既有石砌体民宅为研究对象,对2个1:2缩尺结构模型依次在未加固和采用UHPC加固灰缝两种条件下进行振动台试验,探究UHPC加固石墙灰缝的整体加固效果,为闽南地区既有石砌体民宅的抗震加固提供依据。
试验选取一个两层双开间石砌体建筑为试验模型原型(图1),根据振动台承重限制,对原型按照1:2缩尺后砌筑试验模型,模型设计参数见表1。石砌体建筑底层层高通常大于3 300 mm,限于振动台设备要求以及试验安全限制,模型底层层高由1 650 mm调整为1 540 mm,不会影响试验结果; 灰缝厚度通常约30 mm,为了保证施工质量,将灰缝厚度调整至20 mm。
表1 模型设计参数
Tab.1 Model design parameters
图1 试验模型
Fig.1 Test model
试验模型与原型结构采用相同的材料,石材选择闽南石地区房屋结构通用的花岗岩。为了模拟真实情况,对机器切割的光滑面进行人工凿毛处理; 石墙砌筑砂浆采用常用的M1低强度黏土混合砂浆,楼板灌缝砂浆采用M7.5黏土混合砂浆,故弹性模量相似比为1,依据相似理论依次确定其他相似比(周颖,吕西林,2012),见表2。结构原型质量为100.64 t,由质量相似比1/8可知,试验模型质量为12.58 t,但实际结构模型质量为10.68 t。因此需对结构模型施加附加质量1.90 t,附加质量在两楼层的分配按照原型结构的等效质量比例分配,模型一、二层附加质量均为1 t。
未加固试验模型石墙砌筑方式采用闽南地区传统的砌筑工艺,即有垫片干砌甩浆法,先干砌后甩浆,待石墙干砌至一定皮数进行甩浆,并在条石周边塞入辅垫片(施微丹等,2023)。石楼板两端直接搁置在石墙上,搁置段下方两角处分别放入主垫片,调整好楼板灰缝间距并进行砂浆灌缝,未加固试验模型整个砌筑过程如图2所示。
表2 试验模型与原型结构相似比
Tab.2 Similarity ratio of test model and original test model
图2 未加固试验模型砌筑过程
Fig.2 The construction process of the unreinforced model
采用相同工艺重新砌筑一个模型。在新砌筑模型上进行UHPC加固,有嵌缝加固和点状加固两种方法。具体加固方案如下:一层墙体灰缝采用点状加固,每块条石下方每侧随机布置2点,竖向灰缝每侧布置1点,点状尺寸为50 mm×30 mm(宽度×深度); 二层墙体灰缝采用嵌缝加固,嵌缝加固深度为13 mm; 楼板本身不进行加固,仅楼板与墙体搭接处采用点状加固,点状尺寸为50 mm×30 mm。加固施工过程如图3所示。先分别对一层和二层石墙进行掏缝处理,凿出点状凹槽和13 mm深凹槽。待凹槽形成后,用钢丝刷刷去灰缝上下皮石材表面的砂浆,并清洗灰缝中砂浆粉尘,直至凹槽上下皮石块干燥后无砂浆残留。随后在凹槽压抹用UHPC加固。加固施工完成后,及时浇水养护。
将砌筑模型的条石切割成6个边长为70 mm的立方体,按照《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)进行抗压强度试验,平均抗压强度为153.84 MPa。砌筑用黏土混合砂浆配比为水泥:红黏土:砂:水=1.0:4.0:8.0:3.34,取用部分拌好的砂浆制作6个边长为70.70 mm的立方体试 块,按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行试块的抗压强度试验,试验测得其平均抗压强度为1.33 MPa。试验测得石材、砂浆试块的抗压强度见表3。
图3 UHPC嵌缝加固和点状加固过程
Fig.3 The UHPC insert reinforcement and point reinforcement process
表3 材料立方体抗压强度试验结果
Tab.3 The compression strength test results of material cube
UHPC的材料组分中,采用有机纤维代替钢纤维(陈宝春等,2019; 吴应雄等,2023)。试验采用的UHPC主要成分为P.II 42.5硅酸盐水泥、硅灰、石灰石粉、石英砂、共聚甲醛(POM)纤维、水和减水剂,其中POM纤维直径为0.20 mm,长度为12 mm,体积掺量为2%,配合比见表4。参照《超高性能混凝土(UHPC)技术要求》(T/CECS 10107—2020),对UHPC进行力学性能测定,测得6个边长为100 mm的立方体试件的平均抗压强度为110.65 MPa(表3),极限拉应变达到1.07%,具有明显的拉伸应变硬化效应,UHPC受拉应力-应变曲线如图4所示,其力学性能见表5。
图4 UHPC受拉应力-应变曲线
Fig.4 Tensile stress-strain curves of UHPC
表4 UHPC配合比
Tab.4 The mix proportion of UHPC[JZ)] 单位:kg/m3
![表4 UHPC配合比<br/>Tab.4 The mix proportion of UHPC[JZ)] 单位:kg/m3](2025年03期/pic146.jpg)
表5 UHPC力学性能
Tab.5 The mechanical properties of UHPC
综合考虑试验原型结构所设定的场地和地质条件,福建沿海大部分地区基本抗震设防烈度为VII度,设计基本地震加速度值为0.1 g(多遇地震35 Gal,设防地震100 Gal,罕遇地震220 Gal),或0.15 g(多遇地震55 Gal,设防地震150 Gal,罕遇地震310 Gal),场地类别为Ⅱ类,设计地震分组为第三组,其特征周期为0.45 s。试验选用近场普通地震动El-Centro波、Taft波和1条人工波作为试验地震的输入激励。对所选3条地震波的适用性进行了验证,结果表明3条地震波的加速度反应谱与规范反应谱总体符合较好,满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)的选波要求。
在试验前,依据加速度相似常数和时间相似常数对不同地震波的峰值加速度(PGA)、持续时间和时间间隔进行了调整,时间压缩至20 s。最初加载时先输入X、Y向正弦波,采集相应加速度和位移数据,便于分析结构模型的动力特性,同时观察传感器采集的数据是否精准,待所有设备调试完成后,进行正式的加载。结构模型采用X、Y双向激励,在每级加载前后均对试验结构模型进行白噪声扫频。依次对未加固模型(以下简称“URM”)和加固模型(以下简称“RM”)进行振动台试验。试验加载工况设定为:对URM分别输入人工波、El-centro波和Taft波,其PGA分别取25 Gal、50 Gal、75 Gal; 对RM也分别输入这3条地震波,其PGA分别取50 Gal、75Gal、100 Gal、125 Gal。
根据试验模型的特点,分别在振动台台面、基础梁顶面、试验模型一层顶部和二层顶部布置8个加速度传感器,以记录试验模型的加速度响应; 分别在模型W向和N向墙体的一层底部、一层顶部和二层顶部布置12个位移传感器(图5),以记录试验模型的位移响应。
图5 位移传感器布置图
Fig.5 Layout of the displacement sensors
URM的主要破坏现象如图6所示。当PGA=25 Gal时,URM出现轻微晃动,结构整体完好; 当PGA=50 Gal时,URM晃动幅度增大,部分灰缝开裂,但开裂不严重,其余各面未出现明显破坏; 当PGA=75 Gal时,URM晃动更加明显,并伴有声响,部分墙体条石和石楼板发生错动(图6a),模型整体墙体裂缝较多。一层墙体破坏最为明显,出现较多阶梯型裂缝(图6b),主要破坏集中于门窗洞口过梁附近(图6c); 楼板与墙体交接处、楼板与楼板交接处均发生脱黏(图6d),但楼板均未发生断裂,整体结构未出现滑移。为保证试验安全,停止加载。
RM主要破坏现象如图7所示。当PGA=50 Gal时,RM产生轻微的晃动且模型完好,未有明显裂缝。当PGA=75 Gal时,RM晃动的幅度增大,③轴墙体底皮砂浆出现裂缝; 当输入El-centro波和Taft波后,RM一层楼板与①轴墙体搭接处砂浆开裂,出现细微水平裂缝; ③轴墙体底部外皮条石产生约4 mm位移,端部灰缝出现约2 mm宽裂缝,一层、二层楼板间灰缝砂浆开裂,UHPC加固部位均未出现裂缝(图7a)。[FL)]
图6 URM在试验中的破坏现象
Fig.6 The failure of the URM model in the experiment
当PGA=100 Gal时,RM晃动幅度增大,C轴墙体底部最外皮条石灰缝砂浆与条石脱黏并开裂,部分外皮条石产生侧向位移,部分UHPC出现脱黏现象并产生阶梯形裂缝(图7b); E向墙体砂浆裂缝增大,外皮条石产生侧向位移; A轴墙体砂浆裂缝扩展,B轴与②轴转角处砂浆脱黏并产生阶梯形裂缝,部分辅垫片松动(图7c); ①轴墙体外皮条石与点状UHPC脱黏,形成阶梯形裂缝,外皮条石产生侧向位移; 隔墙角部砂浆产生阶梯形裂缝,部分砂浆脱落; 一层部分楼板间灰缝的裂缝变宽。
当PGA=125 Gal时,RM晃动幅度增大,并伴有声响和墙体砂浆脱落,一层楼板与N向墙体搭接处点状UHPC脱黏,外皮条石位移增大至约8 mm; ③轴墙体底部外皮条石位移增大至约10 mm; B轴与②轴墙体转角处砂浆阶梯形裂缝继续开展,部分辅垫片脱落(图7d); ①轴墙体条石与点状UHPC脱黏后缝隙变宽,砂浆与条石间的缝隙继续增大,最大约为6 mm,底部外皮条石位移增大至约8 mm; 隔墙出现多处砂浆开裂,裂缝发展并延伸; 一层楼板与墙体搭接处辅垫片出现松动与脱落; 二层②轴隔墙底皮条石砂浆产生水平裂缝,二层嵌缝UHPC与条石出现脱黏现象(图7e),局部UHPC开裂。
由于RM部分条石侧移较大,为保证试验安全,停止加载。试验停止加载后发现,在模型一层③轴墙体内外侧裂缝较多,门窗洞口及其墙体转角附近破坏较为严重,出现砂浆开裂、脱落,UHPC脱黏,以及条石位移等现象。总体来说,裂缝的发展均在灰缝处发生,UHPC加固灰缝能够有效传递水平剪力,但在竖缝处加固的UHPC容易出现脱黏现象。
模型的裂缝都是在灰缝处出现并发展。当PGA=50 Gal时,URM石墙灰缝出现裂缝; 当PGA=75 Gal时,RM的灰缝砂浆仅部分出现了裂 缝,说明UHPC加固能有效延缓裂缝的发展。
图7 RM在试验中的破坏现象
Fig.7 The failure of the RM model in the experiment
URM和RM的石墙裂缝均呈现阶梯形发展趋势。在地震作用下,石墙裂缝会不断扩展,导致石墙体的整体刚度下降,墙体呈现剪切破坏,最终导致结构的失效。
在每组地震动输入前后,对模型进行双向白噪声扫频以确定结构的自振频率和阻尼比等动力特性。通过分析每次白噪声扫频后的数据,做出幅频特性曲线,曲线的峰值对应的频率为模型的自振频率,在不同PGA作用下,URM和RM的自振频率见表6、图8。
由表6和图8可知,加固前后URM和RM结构初始自振频率基本不变,X向的自振频率均大于Y向,说明结构X向刚度大于Y向刚度,Y向为结构薄弱方向。加固前后2个模型的自振频率均随PGA增大呈现出下降趋势。当PGA=50 Gal时,URM的X、Y向自振频率下降幅度分别为5.31%、25.00%,Y向的自振频率下降速率明显快于X向, 这是由Y向的墙体破坏相对严重所致; 而RM的X、Y向自振频率下降幅度分别为0.96%、1.94%,基本没有下降,说明UHPC加固灰缝有效抑制了裂缝的开展,模型基本没有损伤积累。当PGA=75 Gal时,URM的X、Y向自振频率下降幅度分别为24.84%、37.38%,RM的X、Y向自振频率下降幅度分别为3.93%、7.37%,说明加固后模型耐损伤能力有所增加,刚度退化更为缓慢。当PGA=125 Gal时,RM的裂缝不断开展,多处出现UHPC脱黏现象,导致X、Y向自振频率急剧下降,下降幅度分别为18.92%、30.80%。
表6 URM与RM自振频率对比
Tab.6 Comparison of natural frequencies between URM and RM
图8 URM和RM自振频率
Fig.8 Natural frequencies for URM and RM
采用加速度放大系数来分析模型的加速度响应。加速度放大系数为模型实测的加速度响应最大值与振动台台面输入加速度最大值的比值。在相同PGA条件下,对各地震动的加速度放大系数取平均值,URM和RM一层和二层的加速度放大系数如图9所示。
图9 URM和RM各层动力放大系数
Fig.9 Dynamic amplification factor of each layer of URM and RM
通过图9可知,无论X向还是Y向,URM和RM的二层屋面加速度放大系数均大于一层楼面,地震作用效应有效地由底部传至屋面。URM的加速度放大系数随着PGA的增大而逐步减小,这是由于随着加载的级数增加,结构持续破坏,内部损伤不断积累,刚度降低。当PGA≤100 Gal时,RM加速度放大系数随着PGA增大而增大,说明采用UHPC嵌缝加固石墙灰缝有效增大了模型的抗侧刚度,延缓了裂缝的发展,提高了模型整体性能。当PGA>100 Gal时,RM加速度放大系数出现下降趋势,说明RM损伤积累严重,阻尼增大,刚度显著下降,这与试验现象相符合。
试验通过设置的位移传感器采集各测点的位移数据,根据位移时程曲线可以得到各工况下结构模型各层的最大位移。以El-Centro波输入为例,分析URM和RM各层水平位移和层间位移变化,如图 10所示。
由图 10a可以发现,无论X向还是Y向,URM和RM的位移均随着PGA增大而增大; 在同一工况下,随着模型高度的增加,结构位移也会相应增大。在相同工况下,除极个别点,2个模型在Y向产生的位移值要明显大于X向,这表明Y向刚度小于X向,这与试验现象是一致的。当PGA=75 Gal时,URM各层位移急剧增大,这是由于墙体裂缝不断扩展,一层墙体破坏较为严重,刚度下降显著。在相同工况下,RM的各层位移显著小于URM,说明UHPC加固石墙灰缝显著改善了结构模型的刚度。
理论上,由于结构底层剪力最大,层间位移应随层数增加而减小,但由图 10b可观察到,URM层间位移随层数的增加反而增大。其原因可能是由于石楼板直接搭接于石墙上,石楼板与石墙搭接处均通过低强度黏土砂浆填缝黏结,结构整体性较差,在地震作用下,屋面部分石楼板出现错动、甩动的现象,从而导致二层的层间位移大于一层。而RM层间位移随层数增加而减小,说明在石楼板与墙体搭接处进行UHPC加固有效约束了石楼板的错动。
图 10 输入El-centro波时URM和RM各层水平位移(a)及层间位移(b)
Fig.10 Horizontal(a)and inter-storey(b)displacements of URM and RM when inputting El-centro wave
为描述结构模型的破坏程度,对相关的文献进行总结(蒋利学等,2018),根据层间位移角限值和破坏现象将砌体结构的破坏程度分成5个等级,见表7。
表7 砌体结构的破坏程度分级
Tab.7 The damage degree classification based on limit values of inter-storey displacement angle and the damage phenomenon
表8为URM和RM在各地震波作用下的层间位移角,限于篇幅,PGA=25 Gal和50 Gal的工况,表中不列举。当PGA=50 Gal时,URM层间位移角最大值为1/410,大于中等破坏的层间位移角限值1/500,URM达到中等破坏程度,而此时RM处于基本完好状态。当PGA=75 Gal时,URM层间位移角最大值为1/162,大于严重破坏的层间位移角限值1/330,达到严重破坏程度; RM层间位移角最大值为1/750,仍处于基本完好状态,较URM的最大层间位移角减小了78.40%。当PGA=100 Gal时,RM最大层间位移角为1/503,处于轻微破坏程度,接近于中等破坏程度。当PGA=125 Gal时,RM在一层最大层间位移角达到1/328,大于严重破坏的严重破坏的层间位移角限值1/330,达到严重破坏程度,震害现象显示一层C轴和③轴墙体外皮条石产生了较大的侧向位移,结构破坏严重。对比2个模型的最大层间位移角可知,URM在PGA=75 Gal时达到严重破坏强度程度,而RM在PGA=125 Gal时才达到严重破坏强度,说明UHPC加固灰缝改善了结构的极限变形能力,提高了结构的抗震性能。
在墙底基础梁顶面布置加速度传感器,根据测得的墙底加速度响应乘以试验结构模型质量,可得到试验模型的底部剪力。由于不同地震波作用下URM和RM底部剪力变化规律一致,本文仅给出El-centro波不同输入PGA下2个模型的底部剪力包络。由图 11可知,URM和RM的X向的底部剪力均大于Y向,且底部剪力随着输入PGA的增大而增大。在相同PGA作用下,URM和RM的底部剪力相差不大,但RM底部剪力比URM略高,说明加固后结构能够有效地传递剪力。
表8 URM和RM在各地震波作用下的层间位移角
Tab.8 Interlayer displacement angle of URM and RM under the action of seismic waves
图 11 Ed-centro波不同输入PGA下URM和RM底部剪力包络图
Fig.11 Base shear envelope diagram of URM and RM under different inputting acceleration peak of El-centro wave
本文分别对在未加固和采用UHPC加固灰缝两种条件下的2个两层双开间石砌体结构模型进行了振动台试验,对比分析了加固前后模型在不同PGA作用下的破坏形态、动力特性、结构响应及其变化规律,主要得到以下结论:
(1)福建省闽南地区既有石砌体结构房屋抗震性能差,存在严重的安全隐患。在PGA=75 Gal工况下,URM最大层间位移角为1/162,达到严重破坏程度,模型的破坏都是沿着灰缝裂缝开始发展的。
(2)UHPC加固灰缝显著提高了石砌体结构的耐损伤能力,有效延缓了墙体裂缝的开展。当PGA≤100 Gal时,RM加速度放大系数随着PGA的增大而增大; 当PGA=100 Gal时,模型仍处于轻微破坏程度; 当PGA=125 Gal时,RM的最大层间位移角为1/328,达到了严重破坏程度。
(3)UHPC加固灰缝能有效传递水平剪力,降低结构楼层水平位移,延缓结构刚度退化。相较于URM,RM的一阶周期基本不变,但URM自振频率下降速度低于URM。在PGA=75 Gal时,RM楼层的最大层间位移角较URM减小了78.40%。
(4)UHPC加固灰缝提高了石砌体结构的抗震性能,且施工便捷、质量可控,造价适中,可以推广应用于福建沿海地区既有石砌体房屋的抗震加固。
本文的试验模型边界条件为刚性地基,而沿海地区相当一部分房屋建立于软弱场地,刚性地基假定将会产生较大误差,后续的研究可考虑SSI效应的影响,并且可以考虑多种方法组合的结构加固,如增加圈梁和构造柱等方法,起到抗倒塌作用。
