赵 誉, 舒 蓉, 赵建昌, 党 育

(1 甘肃新宇城市建设有限公司，兰州 730050；2 甘肃省建筑科学研究院(集团)有限公司，兰州 730070；3 兰州交通大学土木工程学院，兰州 730070；4 兰州理工大学土木工程学院，兰州 730060)

0 前言

20世纪50～60年代,我国建造了大量砖砌体房屋。随着国民经济的不断发展,虽然拆除重建了大部分该时期的建筑,但目前仍有相当数量的存量。随着我国基本建设从大拆大建逐步转向既有建筑的改造更新,既有砌体结构迫切需要提升抗震性能。伴随建筑隔震技术应用的不断成熟,将非隔震建筑改造为隔震建筑是一个较好的选择。

目前既有砌体结构隔震加固主要侧重于对非隔震结构应用隔震技术后整体抗震性能改善的研究,且多为数值模拟分析[1-7]。砌体结构隔震加固托换体系的研究较少,通常采用钢筋混凝土双夹梁或单夹梁托换体系,其托换体系的截面尺寸、计算简图、受力分析、构造处理等,均参考建筑移位技术中的托换体系做法。张华等[8]对双托梁托换采用不同截面形式的销键时的施工过程和加固后墙体的受力情况进行模拟分析。但实际上,隔震加固时托换体系的荷载工况、构件受力与建筑物移位时的托换体系并不完全相同。而且,目前对建筑物移位技术中托换体系的荷载分布、构件的受力机理等方面的研究尚需完善,基本依据经验或近似分析。因此,研究安全可靠、施工操作简便且适用于砌体结构隔震加固的新型托换体系是十分必要的。杜永峰等[9]提出钢-砌体组合托换梁用于砌体结构的隔震加固,对该托换梁的墙梁效应进行了有限元分析,本文针对这种钢-砌体组合托换梁进行了竖向荷载作用下的受力性能试验,研究了这种新型组合梁在隔震体系中的竖向荷载受力规律、设计分析方法和构造要求,为这种新型组合托换梁在既有砌体结构建筑转换成隔震体系中的安全应用提供支撑。

1 钢-砌体新型组合托梁

1.1 结构形式

钢-砌体组合托梁是在原砌体墙两侧外套槽钢、钢板组成的型钢框架,内部填充自密实混凝土或灌浆料。槽钢大小由计算确定,并参照砌体整皮数高度选取,采用预应力螺栓对拉。螺栓间距为250～300mm,梅花状布置。上部槽钢与混凝土翼板(隔震层板)通过抗剪件连接,下部穿墙缀板将两侧槽钢翼缘进行焊接,空隙处采用细石混凝土或灌浆料灌实,结构形式见图1。

图1 钢-砌体组合托梁构造图

1.2 工作机理

钢-砌体组合托梁将原砌体墙嵌套于槽钢、钢板组成的型钢框架内,通过对穿螺栓、穿墙钢板连接两侧缀板,内填黏结材料使槽钢、钢板与原砌体墙共同工作,协同变形。砌体墙抗压强度较高而抗拉强度很低;而外套槽钢、钢板组合框架强度较高、稳定性差。钢-砌体组合托梁将两者有机结合,利用组合型钢约束砌体,提高砌体强度;同时,砌体内嵌于组合型钢之间,预防失稳发生。钢-砌体组合托梁施工时先将拟拆除砌体墙处需要设置托梁的墙体表面的抹灰清理干净;然后在墙体上放线,开齿槽,将槽钢安装到对应的墙体两侧;按照缀板间隔位置,在墙体开洞,安装好缀板,并将缀板与槽钢焊接;再从预留孔呈梅花状安装对拉螺栓,同时焊死螺帽防止松动,确保槽钢、砖砌体可靠连接;最后在槽钢与墙体的连接处灌注细石混凝土或灌浆料。相较于传统的双夹梁托换体系,对原砌体墙扰动小,施工过程中不需要增设临时支撑,施工安全可靠。

2 试验方案

2.1 试件设计

为研究钢-砌体组合托梁在隔震托换体系形成和使用中的受力性能,设计了隔震加固中竖向荷载作用下钢-砌体组合托梁的受力性能试验,构件详细尺寸见图2和表1。砌体墙采用强度等级为MU10烧结普通砖,M5.0混合砂浆进行砌筑,砌筑质量等级为B级。

表1 构件相关信息

图2 钢-砌体组合托梁

2.2 加载方案及测量

钢-砌体组合托梁受力性能试验加载装置见图3。测点的应变与位移采用静态应变测量仪进行采集,布置见图4。在一侧支座截面布置两组共6片应变花,测量型钢腹板剪切应变和水平向应变;另一侧支座截面布置两组共6片横向应变片测量水平向应变。跨中截面布置两组6片横向应变片测量水平向应变,并采用位移计测出跨中和支座位移。

图3 加载装置

图4 测点布置图

采用液压千斤顶进行加载,利用电阻变化值控制千斤顶输出力的大小。为减少压梁对墙体约束作用,保证荷载的均匀传递,试验时在墙体和压梁接触面平铺一层细沙。参照《混凝土结构试验方法标准》(GB 50152—2012)[10]规定,预加载和正式加载阶段每级加载值为10%的估算荷载。为保证各部件连接紧密,预加载分3级进行,稳定后开始正式加载,每级持荷3min。加载至估算荷载的80%后,听到墙体发出响声并出现裂缝时,改为速度缓慢的连续加载,直到试件破坏时停止。

3 试验结果及分析

3.1 破坏形式

3.1.1 墙体不开洞

加载初期,墙体无裂缝现象产生;当施荷至480kN时,两端支座附近的下部墙体出现细微斜裂缝;加载至估算荷载的85%时,出现多条斜裂缝,靠近两端支座的下部墙体斜裂缝贯穿整砖,且局部范围出现较大的竖向裂缝,发生局压破坏,见图5。型钢与砌体墙间未出现脱开现象,型钢腹板无空鼓,表明钢-砌体组合托梁是可以共同工作的有效整体。

图5 墙体不开洞试件破坏模式

3.1.2 墙体开洞

当在墙体跨中位置开洞时,墙体以斜压破坏为主。洞口位置向支座方向偏移后,靠近支座侧墙体发生斜压或斜拉破坏,洞顶两侧墙体发生受拉破坏。与上部墙体不开洞相比,托梁与墙体的共同工作效应减弱,墙体偏开洞时更为明显,见图6。

3.2 试件结果及分析

3.2.1 墙体不开洞时托梁截面应力分析

钢-砌体组合托梁在各级荷载作用下支座和跨中截面应变分布见图7。可以看出,支座和跨中截面应变值分布近似在一条直线上,钢-砌体组合托梁基本满足平截面假定的要求。支座截面为大偏心受压状态,跨中截面为小偏心受拉状态。

图7 墙体不开洞时钢-砌体组合托梁截面应变分布

墙体不开洞的情况下,采用钢-砌体组合托梁作为托换体系,墙体除发生局压破坏外,也可能出现斜拉破坏,但托梁与砌体仍可协同工作。受力形式上,组合托梁与钢筋混凝土托换梁基本相同。

3.2.2 墙体开洞时托梁截面应力分析

钢-砌体组合托梁在各级荷载作用下支座和跨中截面应变的分布见图8。可以看出,与墙体不开洞时类似,墙体开洞时截面应变值分布也近似为一条直线,基本符合平截面假定。不同的是,墙体开洞时,在支座和跨中截面的墙体均处于大偏心受压状态。

图8 墙体开洞时钢-砌体组合托梁截面应变分布

墙体开洞的情况下,采用钢-砌体组合托梁作为托换体系,托梁与砖砌体仍可共同工作,但协同效率比不开洞时大大降低。

4 钢-砌体组合托梁的内力修正系数

无论上部墙体是否开洞,钢-砌体组合托梁受力与普通钢筋混凝土墙梁相比均不同,无法直接采用《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)中托梁设计方法,也不宜采用不考虑墙梁效应的连续梁或框支梁进行计算,因此研究钢-砌体组合托梁的设计方法是十分必要的。

4.1 墙体不开洞托梁内力修正系数

4.1.1 试件的正交设计

由试验结果可知,与普通钢筋混凝土托梁相比,钢-砌体组合托梁的破坏形态、内力变化规律均类似。参考《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011)内力修正系数中的参数,取托梁高跨比hb/l0、墙体高跨比hw/l0作为主要影响因素,托梁高度hb、墙体高度hw分别取三种取值,托梁跨度l0均为6.0m,墙体厚度0.24m。采用正交试验设计方法设计试验构件,如表2所示。

表2 墙体不开洞正交试验

4.1.2 钢-砌体组合托梁的内力计算公式

利用应力单元积分方法计算相同竖向荷载作用下钢-砌体组合托梁和单跨框支墙梁的支座和跨中截面弯矩、跨中轴力、支座剪力。将两者对应的弯矩、轴力相比得到相应的支座弯矩修正系数φM、跨中弯矩修正系数φM、跨中轴力修正系数ΓN、支座剪力修正系数ψv,如表3所示。即采用框支墙梁的内力乘以修正系数即可得到钢-砌体组合托梁的内力。

表3 内力修正系数

对表3结果进行直观分析,求得极差如表4所示。由表4可知,托梁高跨比hb/l0对支座和跨中弯矩修正系数影响较为显著,对轴力修正系数影响较小;墙体高跨比hw/l0对轴力修正系数影响较显著,托梁高跨比hb/l0对其他系数稍有影响。

表4 各内力修正系数在不同影响因素下的极差

对表4结果进行方差分析,如表5所示。若显著性概率P<0.05,则认为该因素是影响试验指标的重要因素。由此可见,对于φM和φM,hb/l0的P值均小于0.05,说明hb/l0对弯矩修正系数的结果有重要影响。对于φM,hw/l0的P值为0.075>0.05,说明hw/l0对φM有弱显著性,即hw/l0是影响φM的次要因素。对于φM,hw/l0的P值为0.290>0.05,说明hw/l0对φM的影响很小。对于ΓN,hw/l0的P值为0.034<0.05,说明hw/l0对ΓN的结果有重要影响,而hb/l0的P值为0.332>0.05,即hw/l0对ΓN的影响很小。

表5 内力修正系数的显著性概率P

采用正交试验分析结果,回归分析得出上部墙体不开洞时钢-砌体组合托梁的支座弯矩修正系数φM、跨中弯矩修正系数φM和轴力修正系数ΓN的计算公式如下:

φM=2.2-9.6hb/l0

(1)

φM=1.18+2.1hb/l0

(2)

ΓN=0.73+0.12hw/l0

(3)

通过式(1)～(3)得出的修正系数计算值与有限元分析值的比值、比值的均值μ、标准差σ和变异系数δ如表6所示,用其来判断内力修正系数线性回归公式的合理性。由表6可知,计算值与有限元分析值差距较小,回归公式可信度较高。

表6 修正系数的均值、标准差和变异系数

4.2 墙体开洞托梁内力修正系数

同4.1节的方法,分析墙体开洞时的托梁内力修正系数发现,上部墙体开洞位置ai/l0对轴力和跨中弯矩修正系数影响显著(ai为洞口左侧边缘至左侧支座的距离),hb/l0和hw/l0的影响较小。hb/l0对支座弯矩修正系数影响显著,ai/l0和hw/l0的影响较小。利用正交试验方法,回归分析得出墙体开洞时钢-砌体组合托梁的支座弯矩修正系数φM、跨中弯矩修正系数φM和轴力修正系数ΓN的计算公式如下:

φM=1.95-6.4hb/l0

(4)

φM=2.1-0.96ai/l0

(5)

ΓN=0.53+1.28ai/l0

(6)

5 结论

本文对既有砌体结构隔震加固中新型钢-砌体组合托梁进行了竖向荷载作用下的受力性能试验及内力修正系数分析,得出如下结论:

(1)钢-砌体组合托梁基本满足平截面假定的要求,支座截面处于大偏心受压状态,跨中截面根据墙体不开洞和开洞的不同分别处于小偏心受拉或大偏心受压状态。

(2)采用钢-砌体组合托梁作为托换体系,上部墙体虽发生局压或斜拉破坏,但托梁与砖墙仍可协同工作,墙体开洞时的协同工作效率比不开洞时大大降低。

(3)采用正交试验和线性回归方法,给出了墙体不开洞和开洞两种情况下支座和跨中弯矩、轴力的修正系数公式。