钢丝网水泥砂浆加固土坯房屋抗震性能研究

2018-11-16单梦阿阿肯江托呼提刘伟佳马彦兵

实验室研究与探索 2018年10期

单梦阿，阿肯江·托呼提，刘伟佳，马彦兵

(新疆大学建筑工程学院，乌鲁木齐 830047)

0 引言

到目前为止，常用于修复土坯砌体结构裂缝的方法有注浆填补缝隙。但Blondet等[6]认为注入黏土基浆液只能部分恢复总体刚度和承载力，故提出对注入黏土基浆液后，在其内部和外部安装尼龙绳网，进行振动台试验。研究表明，此方法可以显著提高结构的抗震能力。秘鲁天主教大学的研究小组[7]用甘蔗、竹子、土工格栅等对房屋进行加固试验研究。最后考虑到加固方式的适用性，采用液体泥浆灌注裂缝，并用绳索对整体房屋进行加固测试，结果表明，此方法可以有效控制房屋的倒塌。澳大利亚悉尼科技大学研究小组[8]使用坚硬的竹子、丝线和木材圈梁对土坯房子进行加固。试验表明，可以推迟裂缝出现，提高房屋的整体强度，防止倒塌。黄金胜等[9-10]采用钢丝网、玻璃纤维对夯土墙体进行加固试验，最终均提高了墙体的变形能力和承载能力。常卫华等[11]用钢丝网水泥砂浆、木柱梁对土坯墙体进行加固研究，研究表明此类方法对墙体的刚度、延性、承载力、整体性均有所提高。

随着研究的深入，针对生土建筑业出现了相应的标准和规范[12]。本文旨在研究用泥浆修复房屋损伤部位，并用钢丝网水泥砂浆加固纵横墙体连接处，对房屋模型进行静力推覆试验分析，进行加固抗震评估，为此领域研究提供一定的参考。

1 修复加固方法

1.1 破坏前的模型试验

为了研究土坯房屋的抗震性能，参考新疆当地民居，在新疆大学实验室建立了1∶2比例的试验模型。模型结构为2开间的单层房屋，房屋尺寸3.3 m×2.25 m，层高1.5 m，墙厚200 mm(房屋的平面见图1)。土坯材料由当地购买，土坯砖根据前期研究成果，在天然土中掺入0.5%质量比的麦秸秆，用传统的方法通过模具铸造成形。土坯砖养护好后，在混凝土底座上开始砌筑房屋模型。

图1 房屋平面图(mm)

试验开始前，屋面荷载根据《建筑结构荷载规范》可以计算得到，荷载为1.2 t。按试验要求将两层土坯砖均匀地放在木板上，木板被固定于木檩上。在相应位置安放位移计，并与数据采集仪、电脑相连接，以便记录采集试验数据。装配后的试验模型如图2所示。

图2 房屋试验模型

在试验模型建造完成2个月后，在房屋后墙墙壁高度约2/3处，通过电液伺服作动器(MTS)施加单调水平荷载，模拟地震的水平作用。在试验过程中，对砌体墙的受力-位移响应进行了监测，并记录了开裂损伤。根据记录的试验数据，当水平承载力下降至极限荷载的85%时，认为房屋临近破坏，终止试验。由试验结果可知，砌体的裂缝开展情况为：裂缝最先出现在后墙内侧，产生一条水平裂缝。随着荷载的增加在后墙受平面外弯矩也随之增大，导致裂缝向墙体两端延伸，最终呈阶梯状裂缝。内墙在荷载作用下，在门洞口两侧的墙体产生45°裂缝。荷载传至前墙时，受平面外荷载作用，在门窗洞口的角部也出现45°裂缝。侧墙的受力开始主要是在内墙严重破坏退出工作后，在纵横墙连接处沿着灰缝产生竖向裂缝，如图3所示。

图3 房屋的裂缝示意图

当施加的荷载超过15.6 kN时，土坯房屋产生裂缝，损伤开始发展。由图4可知房屋结构的极限荷载为26.05 kN，随后又出现上升阶段。分析原因知：由于试验前期，木板没能充分地分配荷载，导致中墙承担大部分荷载，两侧墙承受较小荷载；当中墙退出工作之后，两侧墙主要承担荷载，故出现上升现象。

综上可知，裂缝主要集中在后墙、中墙以及纵横墙连接处，损伤的位置有应力集中现象。恰好说明试验模型的整体性差，屋顶水平上缺乏隔膜作用。破坏机理主要是土块和砂浆之间的黏合效果差。此外，注意到木材构件完好无损，只是与砂浆接头出现微小滑移，导致屋顶支撑附近的墙面水平开裂。

图4 力-位移曲线与对应的损伤状态

1.2 泥浆修补裂缝

泥浆灌注裂缝修补方法主要用于历史古迹，它的主要目的在于尽可能恢复原始结构的强度和刚度[13]。本文旨在修补裂缝，为了达到所需泥浆，应将筛过的土壤与水和所需的麦秸秆充分混合，直至获得均匀的流体糊状物。土壤颗粒通过标准方孔砂石筛(1 mm开口)，然后添加0.5%(质量比)的干切碎麦秸秆，并添加25%(质量)水，进行彻底地搅拌混合。

在修补之前，清理裂缝中的土壤粉末与碎土颗粒，并在裂缝部位洒上一定量的水，使其湿润。然后用泥浆充分填补裂缝区域。此方法在修补历史古迹的情况下，一定是逐步清理裂缝并注浆修复，尽量保持原来结构形式。图5为土坯房屋砌体修补过程。当遇到细小的裂缝时，使用注射器将泥浆混合物注入受损区域，使裂缝充满泥浆。

图5 泥浆填补墙体裂缝

1.3 钢丝网水泥砂浆加固

网格加固的好处在于地震严重破裂后保持墙体的完整性，防止已经破坏墙壁部分翻倒脱落，造成人员的伤亡。网格的材料种类很多，本文采用钢丝网并配合水泥砂浆对纵横墙体角部、较大裂缝处、墙体顶部进行局部加固。在墙体角部、顶部的钢丝网砂浆形成“弱框架”，对墙体形成一定的约束作用，进而提高墙体承载力、变形能力。纵横墙处的钢丝网水泥砂浆增加了拉结作用，房屋的整体性也有所提高。

钢丝网为镀锌点焊式网片，直径为2 mm,网格间距为25 mm×25 mm，砂浆为M5水泥砂浆。房屋模型的墙体加固示意图如图6所示。加固过程为：在纵横墙连接处的墙体，主要的裂缝位置，用钻机进行钻孔(钻孔未影响墙体强度)，并在孔中穿入直径为2 mm的铁丝。然后在墙体表面抹一层2 mm厚的泥浆面层，在面层干燥后将钢丝网片用铁丝固定在墙体表面，铁丝与网片采用S型绑扎。最后在钢丝网表面抹一层水泥砂浆约10 mm，并洒水养护。加固后的模型如图7所示。

图6 加固顺序的示意图

图7 加固后的整体房屋模型

2 修复加固后的试验现象及结果

加固后的房屋在实验室内养护1个月后，对房屋模型再次进行单调水平载荷试验。采用相同的加载制度，观察加载过程中墙体裂缝的开展情况并记录相应测点的试验数据。

2.1 试验现象及结果

加固后房屋模型墙上观察到的试验现象如下：加固后的加载制度与加载速率同未加固房屋一致。在位移加载至9 mm时，墙体无明显变化，仅听到些许木头的声音以及加载梁位置有少量砂浆掉落(砂浆为了填补加载梁与墙体间的缝隙)；当位移加载到18 mm时，后墙与底座之间出现滑移，并有钢丝被拉断的声音；加载至22 mm时，未开洞口的侧墙与中墙上的砂浆出现细小竖向裂缝；施加位移至26 mm时，后墙与底座间滑移增大，并伴随较大的木檩条滑动声音；加载至30 mm时，中墙梁上砂浆出现较大裂缝，并明显看到钢丝网断开(见图8)，以及后墙未加固的墙体裂缝向下延伸至底座(见图9)；加载至34 mm时发现前墙窗口下未加固的墙体上的裂缝宽度在原有的基础上增大，以及在右侧墙的窗口下沿原部位产生斜向下45°裂缝并随着荷载增加裂缝向底座方向延伸宽度增大(见图10)；最后在荷载下降到85%后，施加了10 mm级的位移，导致墙体整体与底座分裂，从侧面说明了钢丝网砂浆加固的整体效果较好。

图8 中墙钢丝网水泥砂浆断裂

图9 后墙未加固墙体裂缝向下延伸

图10 侧墙窗口处斜向下45°裂缝延伸变宽

通过试验现象以及裂缝开展情况可知，房屋墙体裂缝开展模式是一致的，在加载位置的墙体上原有的水平和斜向上裂缝的基础上延伸。尽管修复加固前后的房屋模型损伤主要发生在同一面墙体(中墙与后墙)，但大部分裂缝并不完全按照原来的路径开展。观察到的失效机理表现为在加固界面处或者土坯砖与砂浆界面处。另外，钢丝网水泥砂浆的强度比较高，故被加固位置内的墙体未观察到明显破坏，而且在纵横墙连接处的砂浆上也未发现明显裂缝，以及最后房屋与底座脱离，整体被抬起，也从侧面说明此种加固方式可以提高整体房屋的整体性。

2.2 力-位移响应

在房屋模型后墙施加单调水平荷载时，记录每次加载-卸载过程中所施加的力以及墙上记录的相应位移，得到在相同监测点的力-位移曲线如图11所示。

根据结构响应和相应的破坏状态，修复加固后的房屋模型的最大侧向荷载能力为72.3 kN。修复加固后的房屋模型刚度退化从8 mm(承载力为48.4 kN)时开始，而在最初的加载测试中，模型表现为线性加载到7.4 mm(承载力为43.7 kN)。另外，通过图像可以看出，墙体的刚度不仅完全恢复，整个房屋的刚度与弹性变形范围均有很大的提高，加载过程承载力并没有发生特别大的下降突变。最后有趣地发生整体房屋被抬起的现象。这种现象表明，此种加固可以很大程度上提高整体性，保证房屋不会倒塌破坏，但是在屋顶木板与墙体间仍然发生着滑移，表明泥浆的黏结效果有待改善。

通过对比修复加固前后的房屋试验结果，发现刚度和承载力均有较大的提高，甚至有点超乎预想。分析此种结果的原因如下：

(1) 加载梁的改变。由于前期试验中发现木板作为加载梁时，试验过程中加载梁发生弯曲变形，不能很好地均匀分布荷载，导致两个侧墙提供的刚度、承载力较小。修复加固后的试验弥补此缺点换为钢梁加载。

(2) 钢丝网水泥砂浆提高了整体性。钢丝网水泥砂浆在纵横墙的局部加固以及类似“圈梁”的顶部加固取得显著的效果。加固后保持了纵横墙体之间的结构连接，控制了过大的位移，避免了局部倒塌，从而保持了结构的完整性。在一定程度上也削弱了应力集中的较大破坏。即使前期试验房屋经过严重的损坏，加固系统也起到网状结构的作用。结构未加固周围分布着裂缝，在门窗开口周围也出现严重损坏，但是在很大程度上防止了拐角处的垂直分离开裂。综述可知此种加固具有一定的价值和工程参考意义。

3 修复加固前后抗震能力

3.1 评估方法

常用的抗震性能评估的方法有经验评估法、规范验证法、静力弹塑性分析法、能量法、动力弹塑性时程分析法等[14]。本文采用静力弹塑性分析法，根据结构的荷载-位移曲线、裂缝分布、结构损伤等指标，结合能力谱法得出抗震性能点进而评价土坯房屋的抗震性能。静力弹塑性分析法[15]的主要步骤为建立结构的能力谱和规范的需求谱，将两条曲线画在同一个坐标系中，观察两条曲线的交点(性能点)情况。将性能点所对应的位移与相应规范规定的容许值进行对比，判断结构是否满足相应的抗震要求，流程如图12所示。

在计算性能点时，常用的方法利用延性系数或阻尼比进行迭代求解，过程比较繁琐，计算量较大，故许多学者对其方法进行了改进，并提出了改进的能力谱方法。他们基于等价原则，对弹性需求谱进行折减得到强度折减模型。常用的强度折减模型较多，如Newmark&Hall模型、Vidic,Fajfar&Fischinger模型、卓卫东、范立础模型等，潘文对众多模型采用统计平均的办法，根据基本条件和场地类别的特点。利用分离变量的原理，提出的平均折减系数模型。其计算公式：

图12 Pushover流程图

(1)

式中：参数A、B的取值见表1；T根据现有的仪器DH5922N动态信号测试分析系统计算而得；位移延性系数μ通过下式求得：

μ=du/dy

(2)

式中：du为试件荷载下降到峰值荷载85%时所应的位移；dy为等效屈服点对应的位移。等效屈服点可以通过作图法确定，如图13所示：取Fy=0.85Fmax，沿此处作一条水平线：再经过原点作曲线上水平荷载为0.6Fy时点的割线与水平线交于点A，过点A作横坐标轴的垂线，与曲线交于点B，点B即为等效屈服点。

表1 参数A、B取值

根据以上方法，可以得到相应的ADRS格式的需求谱。再将折减后需求谱与房屋结构的能力谱绘制于同一个坐标系中，即可得到性能点。性能点所对应的位移即为等效单自由度体系在该地震作用下的谱位移。将得到的谱位移按下式

(3)

反算出结构的顶点位移，根据原结构的Vb-ut曲线，即可以确定该建筑结构在地震作用下的塑性破坏分布、层间侧移角、总侧移等指标，用来检验评估结构的抗震能力。

3.2 抗震评估

根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)知，该工程场地抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第3组，场地类别为Ⅱ类场地，特征周期取0.45 s。通过以上方法与公式建立弹塑性需求谱。并根据试验所得到的房屋Vb-ut曲线，建立能力谱并绘制与同一个坐标系中。修复加固前后房屋模型的能力谱与需求谱曲线如图14、图15所示。

图14 能力谱与需求谱曲线(加固前)

图15 能力谱与需求谱曲线(加固后)

本文参考Tarque通过土坯墙体的试验结果，给出来了4种极限状态(LSs)所对应的限值，以及不同情况下的破坏描述等。它可以与土坯建筑的破坏特点结合，用来评估房屋的抗震性能。表2总结了性能水平、损伤状态，以及对应的限值。

根据上述描述可知，当处于LS3状态时，此位移角可以被认为是土坯建筑的极限限值。本文得到土坯房屋的位移角如表3所示。

表2 加固前后房屋的顶层位移角与损失状态

注：括号内的数值为加固后的试验结果

表3 土坯结构的极限状态、位移角、破坏状态和性能水准

由表3可知：该房屋在8度(0.2g)多遇地震作用下，结构顶部的位移角小于0.26%，结构失去大部分刚度和强度，处于中度破坏状态；在基本设防地震作用下，结构顶部的位移角大于0.52%，结构无法修复，处于倒塌阶段。加固修复之后，在基本设防地震作用下，结构顶部的位移角小于0.52%，不至于倒塌造成损失。房屋的整体抗震性能得到很大程度的改善，可以满足设防烈度的抗震要求。