在既有建筑中,砌体结构仍占有相当大的比例。而砌体结构整体性较差、抗震构造措施不足,导致其抗震性能很差,亟需改善。在汶川地震中,砌体结构损坏严重,有的地区破坏率高达80% ^[1]。因此,创新和完善砌体结构抗震加固技术对提高砌体结构的抗震性能意义非凡。

　　 钢筋网水泥砂浆面层加固砖墙的抗震性能已有较多研究 ^[2,3,4,5]。当砌体材料强度较低时,单纯采用钢筋网水泥砂浆面层加固法对墙体进行加固,其抗震能力提高幅度有限 ^[6,7]。研究发现,当墙体内设置普通的钢筋混凝土构造柱时,墙体的抗震性能也会有所提高 ^[8,9,10]。因此提出了既增设钢筋混凝土-砌体组合构造柱(简称组合构造柱),又利用钢筋网水泥砂浆面层进行加固的综合加固方法,对加固后的墙体进行了低周反复荷载试验,研究了采用该加固方法加固的墙体抗震性能。

　　 由于研究采用钢筋网水泥砂浆面层和组合构造柱共同加固的墙体抗震性能,因此,在试件设计时砌筑砂浆强度、砖的强度等级、面层砂浆强度及钢筋网的规格均取相同值,主要考虑了试件高宽比、轴压比及组合构造柱设置方式和配筋对加固墙体抗震性能的影响。

　　 试件的高宽比取1∶2,1∶1,1.5∶1三种情况,对应试件尺寸(高×宽)分别为1 000×2 000,1 500×1 500,1 500×1 000。试件的竖向应力取0.562 5,0.375,0.187 5N/mm²三种情况,相当于4层建筑的1,2,3层墙体所承受的竖向压力。对于尺寸为1 500×1 000的试件,仅在两端设置组合构造柱,其余试件除在端部设置组合构造柱外,在中部也设置组合构造柱。组合构造柱的纵向钢筋选用412,612,614三种情况。为了减小加固施工时增设组合构造柱对墙体造成的损伤,将墙体两侧各剔掉60mm厚的砖墙,然后各浇筑100mm厚混凝土,即形成了钢筋混凝土-砌体组合构造柱。组合构造柱总厚度为320mm,在实际工程中,砖墙面层钢筋网水泥砂浆厚度最大可达40mm,墙体总厚度即可达到320mm,这样就可以将组合构造柱隐藏在墙体内,不影响墙体正常使用功能。在试件底部设有底梁,上部设有压梁。构造柱、地梁及压梁混凝土强度等级均为C30。

　　 采用正交设计方法,共设计9个试件,试件编号及具体要求见表1。

　　 试件施工图如图1所示。砌体采用MU10砖和M5混合砂浆砌筑,面层为M10水泥砂浆,面层厚度为40mm,钢筋网为ϕ6@180,钢筋级别为HPB235。

　　 由液压系统施加竖向荷载,水平向低周反复荷载采用液压伺服加载系统(MTS)施加,试验加载装置如图2所示。

　　 试验加载制度概括为:施加水平荷载前,先施加竖向荷载达到预定值,通过稳压系统保持竖向荷载稳定。试验全程采用位移控制,开裂前每一循环比上一循环位移增幅为0.5mm,开裂后每一循坏位移增幅为2.0mm,如图3所示。

　　 试件的混凝土立方体抗压强度实测值为35.8MPa,砌体砌筑砂浆的抗压强度实测值为4.61MPa,面层水泥砂浆的抗压强度实测值为14.92MPa,砖的抗压强度为12.6MPa,钢筋力学性能见表2。

　　 各试件裂缝分布以及破坏形态如图4所示。加载初期,荷载-位移基本成线性变化,墙体处于弹性阶段。当荷载达到一定值后,首先在端部组合构造柱底部与底梁连接处出现细微的水平裂缝,并不断向墙体方向发展。随着荷载增加,端部组合构造柱沿高度方向不断出现环绕的水平向裂缝。裂缝的发展分为两个主要趋势:其一,端部组合构造柱水平向的裂缝延伸至墙体,开始斜向发展;其二,墙面上独立出现斜向裂缝并向两侧发展。随着荷载继续增加,墙上斜裂缝和组合构造柱水平裂缝不断出现和发展,两个方向的斜裂缝相互交叉,裂缝较密。若干平行的斜裂缝中会有一条或两条发展较完全,且宽度较其他裂缝更大,最终会延伸至两侧的组合构造柱并贯穿。荷载达到一定值时,裂缝发展完全,基本不再出现新的裂缝。荷载继续增大接近极限荷载时,试件两侧组合构造柱的底部开始出现竖向的受压裂缝,随位移不断增大,组合构造柱有压碎的趋势。

　　 在主裂缝的开裂和发展过程中,最早出现的底部水平裂缝发展最快,在接近极限荷载时,试件受拉一侧与底梁脱开,只剩下组合构造柱的钢筋与底梁锚固连接。水平荷载作用下,一侧组合构造柱受压,一侧组合构造柱受拉,且端部组合构造柱竖向钢筋均会在破坏阶段屈服,中部组合构造柱钢筋均未屈服,最终组合构造柱底部混凝土压碎脱落,竖向钢筋底部明显屈曲,试件破坏。综上所述,所有试件剪切破坏迹象不明显,基本发生弯曲破坏。

　　 可以看出,采用增设组合构造柱和钢筋网水泥砂浆面层共同加固的墙体与只采用钢筋网水泥砂浆面层加固的墙体相比,其破坏形态有明显差异。只用钢筋网水泥砂浆面层加固的砖墙一般有两种比较明显的破坏形态:试件整体剪坏和整体水平滑移,而本试验试件为弯曲破坏。原因为采用钢筋网水泥砂浆面层和组合构造柱共同加固的墙体,组合构造柱对钢筋网起到锚固作用,使得钢筋网水平钢筋的抗剪作用得到充分发挥;另外组合构造柱使水泥砂浆面层与砌体形成整体共同工作,使得加固后墙体的受力机理类似于钢筋混凝土剪力墙,其抗剪承载力得到大幅提高;但由于钢筋网竖向钢筋未很好的锚固,所以其抗弯承载力主要决定于组合构造柱内纵向钢筋,抗弯承载力与抗剪承载力相比成为薄弱环节,因此试件在水平荷载作用下均发生了弯曲破坏。

　　 将组合构造柱出现第一条水平裂缝时,荷载、位移值定义为试件的开裂荷载和开裂位移。将试验过程中达到的最大荷载记为极限荷载,相应的位移为极限位移。取下降段中极限荷载的85%处的荷载和相应的位移为最终破坏荷载和破坏位移,试验结果见表3。

　　 图5为3个较典型试件的滞回曲线。由图5可知,试件的整个破坏过程可分为3个阶段:1)弹性阶段。滞回曲线基本为直线,滞回环包围面积很小。2)弹塑性阶段。卸载曲线与横轴交点越来越偏离原点,说明塑性变形越来越大;加载曲线越来越弯曲,偏向横轴,滞回环面积越来越大,说明试件耗能能力越来越大。3)破坏阶段。达到极限荷载后,随加载位移增加,水平荷载不断减小,卸载滞回环与横轴的交点离原点距离继续增大,表明不可恢复位移仍然在增加,滞回环面积增大。

　　 骨架曲线,即为将低周反复荷载作用下的每一循环的峰值荷载和位移连在一起组成的曲线,各试件骨架曲线如图6所示。

　　 骨架曲线可简化为从加载到开裂,从开裂到极限荷载,从极限荷载到破坏的三折线形曲线。按照极差分析得到高宽比、轴压比及组合构造柱配筋率对三折线形骨架曲线影响规律,如图7所示。由图7可得:高宽比对结构影响很大,高宽比越小,曲线弹性和弹塑性阶段斜率越大,且破坏越快,破坏位移越小。轴压比和组合构造柱配筋对结构的影响不太明显,轴压比、组合构造柱配筋大的试件,荷载-位移曲线下降段陡。

　　 试件的位移延性系数是指极限位移与屈服位移的比值,由试验现象知,当荷载降到极限荷载的85%时,试件破坏不是很严重,但变形较大,因此把位移延性系数定义为破坏位移与屈服位移的比值,屈服位移由骨架曲线推出,各试件位移延性系数u如表4所示。由表4可以看出,加固后试件具有较好的延性。

　　 根据正交分析,各因素对延性的影响规律如图8所示。由图8可以看出,高宽比越大,试件延性越大;组合构造柱配筋率越大,试件延性越好;轴压比越大,试件延性越好。

　　 由试件破坏形态可以看出,由于设置了组合构造柱,钢筋网水平钢筋的锚固得到保证,水平钢筋抗剪作用能够有效发挥,再加上宽高比较大的试件中部也设置了组合构造柱,组合构造柱对试件的抗剪承载力起到了一定作用,因此试件最终为正截面的弯曲破坏,而非剪切破坏,正截面破坏形式同钢筋混凝土剪力墙基本相同,因此对于采用增设组合构造柱和钢筋网水泥砂浆面层共同加固的砖墙,可参照钢筋混凝土剪力墙计算正截面承载力,不同的是在计算时仅考虑组合构造柱内纵向钢筋作用,不考虑钢筋网竖向钢筋作用,且应考虑受压区由不同材料组成,即受压的砌体、砂浆面层及混凝土。

　　 由力学平衡条件可以得到采用钢筋网水泥砂浆面层和组合构造柱共同加固的墙体,其抗弯承载力可按下式计算:

　　 $\begin{array}{l}{\rm N}+f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}+\alpha f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}=f^{\prime }{}_{\text{y}}{A}^{\prime }{}_{\text{s}}+f{}_{\text{c}}A{}_{\text{c}}+f{}_{\text{c}\text{m}}A{}_{\text{m}}+f{}_{\text{c}\text{j}}A{}_{\text{j}}(1)\\ \begin{array}{l}V{}_{\text{u}}{\rm H}=f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}B+{\rm N}\frac{B}{2}+\alpha f{}_{\text{y}}A{}_{\text{s}}\frac{B}{2}+\\ (f{}_{\text{c}}A{}_{\text{c}}+f{}_{\text{c}\text{m}}A{}_{\text{m}})(\frac{b-x}{2})+f^{\prime }{}_{\text{y}}{A}^{\prime }{}_{\text{s}}(\frac{b}{2}-a^{\prime }{}_{\text{s}})(2)\end{array}\end{array}$

　　 式中:α为中部组合构造柱钢筋强度利用系数,由试验结果经回归分析得到:α=-0.671(d/H)²-0.433d/H+1;B为试件两端组合构造柱轴线距离;H为试件高度;d为中柱到受拉边柱的中心距;b为组合构造柱截面宽度;x为墙体截面受压区高度;V_u为试件水平极限承载力;N为竖向轴压力;f_y,f_c,f_cm,f_cj分别为受拉钢筋屈服强度、混凝土抗压强度、砌体抗压强度、面层砂浆抗压强度;A_s,A_c,A_m,A_j分别为受拉钢筋截面面积、受压区混凝土截面面积、受压区砌体截面面积、受压区砂浆截面面积(均与受压区高度x有关);a′s为受压区钢筋合力点距截面外边缘的距离。

　　 根据材料强度试验得:f_c=27.2MPa,f_cm=3.66MPa,f_cj=11.05MPa,直径为12mm的钢筋f_y=575 MPa,直径为14mm的钢筋f_y=457MPa。

　　 经计算,各试件水平极限承载力V_u的理论计算值与试验值对比见表5。

　　 由表5可以看出,除试件SG-9外,其他试件理论计算值与试验值比较吻合,分析原因:由于试件SG-9在试验过程中底梁承载力不足,发生破坏,试件未发生明显破坏,因此得到试验结果并非试件的最终承载力。

　　 (1)钢筋混凝土-砌体组合构造柱与钢筋网水泥砂浆面层共同加固砖墙,可改善其抗震性能。

　　 (2)设有构造柱(或增设组合构造柱)的墙体采用钢筋网砂浆面层加固后,当构造柱间距适当时,砖墙破坏形态由脆性受剪破坏转变为弯曲破坏。

　　 (3)采用增设组合构造柱和钢筋网水泥砂浆面层共同加固的砖墙,其延性和耗能特性较未加固砌体墙和钢筋网水泥砂浆面层单独加固的砌体墙均有显著提高。

　　 (4)试件的延性随高宽比、柱配筋及轴压比的增大而增大;开裂刚度随高宽比增大而减小。其中,高宽比对试件骨架曲线、开裂刚度及延性影响最大。

　　 (5)采用增设组合构造柱和钢筋网水泥砂浆面层共同加固的砖墙或端部有构造柱采用钢筋网水泥砂浆面层共同加固的砖墙,可参照钢筋混凝土剪力墙进行计算正截面承载力,不同的是在计算时仅考虑构造柱内纵向钢筋作用,不考虑钢筋网竖向钢筋作用,且计算时受压区应考虑由不同材料组成,其正截面承载力可按本文式(1),(2)计算。