对于现存老旧砌体结构建筑需采取适当加固措施,使其满足建筑物的安全和正常使用要求。目前,对于砌体结构的加固较为传统的方法 ^[1,2,3,4,5]有:外贴面层抗震加固法、内设圈梁构造柱抗震加固法、钢筋网水泥砂浆加固法、粘贴碳纤维布加固法等,较为常用的是钢筋网水泥砂浆加固法及粘贴碳纤维布加固法,钢筋网水泥砂浆加固方法施工工艺复杂、成本高且效果并不明显; 粘贴碳纤维布加固方法延展性差,造价高。

　　 因此,借鉴活性粉末混凝土及改性增强复合材料概念,提出改性活性粉末混凝土(MRPC)加固砌体墙,对6片高宽比1∶1.5、砂浆强度低于M2.5墙体,通过MRPC双面加固、单面加固、剪刀撑式加固、门式加固、井格式加固墙体以及未加固墙体的拟静力试验,分析研究MRPC加固对于墙体抗震性能的影响,不同加固方式下墙体的承载力、延性、耗能能力及对于砌体墙抗震加固的最优加固方法。

　　 试验研究借鉴改性增强复合材料及活性粉末混凝土的概念,综合考虑加固墙体与加固面层的性能以及两者的协同作用,该试验选用P.O.52.5水泥、硅灰、粉煤灰、矿粉,纤维材料为钢纤维与聚丙烯(PP)纤维,其体积掺量为2%、体积比为3∶1,加入高效减水剂,各组分配合比为水泥∶砂∶粉煤灰∶矿粉∶硅灰=1∶1.5∶0.5∶0.25∶0.25,与活性粉末混凝土养护条件不同,选择自然养护。墙体采用MU10烧结普通砖,地梁及压梁采用C30混凝土,构造柱采用C30混凝土,灰缝采用M2.0水泥砂浆 ^[6],与地梁平齐部位以下采用1∶3水泥砂浆砌筑。各组分强度根据规范要求进行测试 ^[7,8,9],结果如表1所示。

　　 影响墙体抗震承载力的因素 ^[10]有:墙体高宽比、轴压比、砌块强度、砂浆强度等。本文主要研究不同加固方式下墙体的抗震性能,除加固方式外墙体其他参数均相同:墙体高宽比为1∶1.5,墙体截面尺寸为240×1 000×1 500,为防止墙体底部滑移,地梁设置为凹槽状,构造柱截面尺寸为240×120,压梁截面尺寸为240×200,不同加固方式下各墙体编号及加固情况如表2所示,试件尺寸见图1,不同加固方式示意图见图2。

　　 试件制作分3次完成,首先制作地梁模板,浇筑地梁,养护7d后,砌筑墙体,墙体砌筑完成支构造柱及压梁模板,浇筑构造柱及压梁,养护7d后拆模,根据不同加固方式涂抹MRPC面层,自然条件下养护。试件制作过程中每一批材料的拌和都预留砂浆及混凝土试块,每批预留两组,每组3块。

　　 利用地锚螺栓将墙体浇筑时预留的孔洞固定于试验台上,竖向荷载采用液压千斤顶加载,以0.5MPa一次性加足,采用稳压计控制; 水平荷载采用MTS作动器逐级加载,采用位移控制,每级循环两次,墙体出现裂缝后加大步长,直至墙体承载力达到极限承载力的85%以下时终止加载; 粘贴应变片及位移计采集试验过程中墙体的应变、位移。加载装置如图3所示。

　　 加载初期,各墙体荷载与位移变化基本呈线性,墙体处于弹性阶段、整体性良好,墙体和面层整体承受荷载。随着荷载及位移不断增大,构造柱下部与底梁连接附近最先出现第一道裂缝,随之构造柱中上部陆续出现裂缝,当构造柱上裂缝发展至墙面后沿着灰缝阶梯状发展,加载持续过程中,裂缝在正面墙上沿墙体45°方向发展,在推拉过程中两个方向的斜裂缝不断发展交叉,逐渐在墙面上形成相互交叉的两道斜向贯通主裂缝,在主裂缝两侧伴有斜裂缝的产生,斜裂缝分布密而均匀且沿着与交叉主裂缝平行方向发展。当裂缝发展完全后,墙体不再有新裂缝的产生,墙体上的交叉斜裂缝宽度变大,墙体承载力起初下降缓慢,随后快速下降,破坏部位范围增大,构造柱部分混凝土脱落,墙体沿着贯通斜裂缝出现滑移,并且墙体混凝土在构造柱的底端角部处出现被压碎的趋势。墙体的整体性只依靠构造柱钢筋与底梁的拉结,且构造柱部分混凝土脱落,钢筋裸露,最后以墙体承载力下降到极限承载力的85%以下终止加载。

　　 各墙体的裂缝发展及破坏情况存在差异,未加固墙体裂缝发展快速,沿墙身45°方向出现多条贯通斜裂缝,主裂缝两侧细小裂缝分布密集。单面加固墙体未加固侧裂缝发展情况与未加固墙体相同,裂缝多而密集; 而加固侧面层裂缝发展与双面加固墙体相似,裂缝的发展沿墙身45°方向发展,但裂缝并未贯通; 井格式加固、门式加固及剪刀撑或加固墙体均出现一条沿墙身45°方向的斜裂缝,在无面层墙身部分裂缝较密集。

　　 MRPC面层加固增强了墙身的整体性,抑制墙面裂缝沿45°方向发展,使得墙体在裂缝发展及破坏过程中保持较长的稳定期,墙体裂缝发展缓慢,墙身承载力较未加固墙体有较大提高。各墙体破坏情况如图4所示。

　　 试验后将MRPC面层剔除,观察面层与墙体的粘结情况,经过剔凿后面层粘结有与墙体脱开的砖屑,说明该材料与墙体粘结性良好,面层的脱开主要是由于砖块开裂破坏,面层的粘结情况见图5。各墙体与面层脱开情况见图6。

　　 在试验过程中,试件在竖向荷载以及水平地震作用下,最先在构造柱一侧出现水平向裂缝,在第一道裂缝出现时对应荷载即为开裂荷载P_cr,对应位移即为开裂位移Δ_y; 试验过程中出现的荷载最大值即为极限荷载P_u,对应位移即为极限位移Δ_u; 在试验过程中当施加的荷载值下降为极限荷载的85%以下时,该荷载即为破坏荷载,对应的位移即为破坏位移Δ_m。根据试验情况,不同加固方式下墙体与未加固墙体相比,各墙体开裂荷载、极限荷载以及承载力提高情况见表3。

　　 从表3可以发现:加固墙体的开裂荷载、极限荷载明显大于未加固墙体,其中,采用MRPC面层双面加固对于墙体极限承载力提高最明显,可提高167.62%,单面加固、剪刀撑式加固次之,井格式加固效果并不显著,极限荷载仅提高了20.34%; 对于墙体开裂荷载的提高,剪刀撑式加固表现出了显著的优势,可提高87.81%左右; 通过比较开裂后墙体承载力,双面加固墙体最优,其极限荷载约为开裂荷载的两倍,说明双面加固墙体在进入弹塑性阶段后仍具有较大承载力。

　　 根据MTS作动器自动采集的墙体在试验过程中的荷载-位移(F-X)数据,绘制出墙体的滞回曲线 ^[11],可反映墙体在整个加载过程中的承载力、耗能能力、刚度及墙体加载过程中的各个阶段,各墙体滞回曲线见图7。

　　 加载初期为弹性阶段,墙体滞回曲线为基本过原点的直线,滞回曲线与横、纵坐标轴围成的滞回环面积几乎为零,说明墙体无塑性变形,处于弹性阶段。采用MRPC加固墙体与未加固墙体在这一阶段滞回曲线走势基本一致,但MRPC加固墙体每一循环的最大荷载明显大于未加固墙体。

　　 随着荷载的增加,墙体不再处于弹性阶段,墙体滞回曲线不再接近原点,而是在加载过程中越来越偏离原点,滞回环面积不断增加,表明此阶段墙体已产生了塑性变形,在卸载后无法完全恢复。而此阶段滞回环面积的不断增大,说明墙体耗能能力最佳。

　　 最终墙体发展到破坏阶段。此阶段墙体荷载随着加载位移的增大而不断减小,但在卸载过程中墙体滞回曲线与横坐标轴的交点与原点距离不断增加,而滞回环的面积也呈增加趋势,滞回环在这一阶段的最高点较上一阶段的最高点要低,且呈下降趋势,即墙体承载不断下降,一开始下降速率较缓,随之下降较快。

　　 由不同加固方式下墙体的滞回曲线可知,双面加固、单面加固墙体滞回曲线较为饱满,尤其在面层脱开的那一级荷载下,滞回环面积明显增大; 其他加固方式下的墙体滞回曲线都出现了捏拢现象,该现象主要是由于墙体底部出现滑移; 剪刀撑式加固墙体捏拢效果较为明显,但对墙体承载力具有较大程度的提高; 双面加固墙体滞回曲线与其他墙体相比明显更为饱满,表明采用双面加固墙体的塑性更好,耗能能力更强。

　　 根据试验过程中MTS采集的荷载-位移曲线得到骨架曲线,在每一个推、拉循环过程中,会出现一个最大推力及最大拉力,将各点顺次连接起来,得到各墙体的骨架曲线 ^[11],可直观表示出各墙体开裂荷载及位移,极限荷载及位移、破坏荷载及位移,根据试验数据绘制出不同加固方式下各墙体的骨架曲线,见图8。

　　 由图8可以看出,加载初期各墙体的荷载与位移成正比,为一条直线; 继续加载,曲线斜率不断减小,荷载与位移关系不再成正比,而是一条上升的曲线; 当荷载达到极限荷载,曲线斜率为负值,曲线向横坐标轴接近。加固墙体的骨架曲线峰值明显大于未加固墙体,并且采用不同加固方法加固的墙体极限位移都在12mm左右,而未加固墙体极限位移约为5mm; 双面加固、单面加固墙体在达到极限荷载后,由于面层在这一级荷载下脱开范围增大,当位移增大后,墙体已无法承受与极限荷载等值的荷载,因而承载力下降较快; 门式加固墙体、井格式加固墙体由于对于墙体承载力提高较小,因而在面层脱开后骨架曲线的承载力衰减速率较为平缓; 剪刀撑式加固墙体在墙体达到极限荷载后,由于面层脱开,承载力也出现了较为明显的下降; 双面加固墙体骨架曲线在达到墙体极限承载力后承载力下降较快,表明墙体面层脱开导致墙体无法再承受与极限荷载等值的荷载,而在荷载下降一段后墙体承载力趋于平稳,不会出现较大的下降,此时,承受荷载的主要构件为墙体与两侧面层粘结部分,而在后期加载过程中,主要承重构件仍为该墙体与面层粘结部分,因而墙体承载力不会出现更大的下降。

　　 刚度退化是指试件在试验的过程中,由于裂缝等产生并发展,导致试件荷载-位移关系曲线割线斜率不断降低的现象。本试验中,墙体底梁与试验台座间由于螺栓松动、墙体滑移,导致墙体在推拉过程中荷载不对称,为降低墙体在推拉过程中由于滑移产生的推拉误差,取推拉循环中推力及拉力绝对值之和与推拉位移绝对值和的比值,即:

　　 ${\rm K}{}_i=\frac{F{}_i+|-F{}_i|}{X{}_i+|-X{}_i|}(1)$

　　 式中:K_i为墙体第i个循环的刚度; F_i,|-F_i|分别为墙体第i个循环的最大推力、拉力; X_i,|-X_i|分别为墙体第i个循环的最大推力、拉力所对应的位移。

　　 根据式(1)对于墙体的各循环过程的刚度进行计算,得到各墙体刚度退化曲线如图9所示。

　　 与未加固墙体相比,加固墙体刚度退化速度缓慢,且在相同位移值下,刚度明显较大,尤其是单面加固墙体在刚度达到最大值后,刚度退化下降曲线速度较慢且均匀变化,后期趋于稳定; 门式加固墙体、剪刀撑式加固墙体刚度退化曲线下降速度也较为缓慢,后期趋于平缓。对于单个墙体,加载初期墙体刚度增大,主要原因是试验前期拉杆在未进行试验时比较松,随着后期拉杆锚紧,荷载增大; 随后刚度退化下降曲线速度较快,但随着位移不断增大,曲线下降速度减慢,在后期趋于平缓。

　　 延性是指材料、构件或结构在荷载或其他间接作用之下,从线性阶段进入到非线性阶段后,其能承受的荷载不会明显下降的性能。对于延性的表征通常有材料的韧性、截面的曲率延性系数以及结构的位移延性系数、塑性角转角等,本节采用位移延性系数来表征,位移延性系数 ^[12]即试件极限荷载对应的位移与屈服位移的比值:

　　 $\mu =\Delta {}_{\text{u}}/\Delta {}_{\text{y}}(2)$

　　 式中Δ_y为屈服位移。

　　 在墙体达到破坏荷载后仍具有延性因而将公式修改为:

　　 ${\mu }^{\prime }=\Delta {}_{\text{m}}/\Delta {}_{\text{y}}(3)$

　　 位移延性系数具体数据见表4。

　　 由计算数据可知,各构件延性均大于4,MRPC加固墙体的位移延性系数均明显大于未加固墙体,其中双面加固墙体位移延性系数约为未加固墙体的2.52倍,单面加固、剪刀撑式加固墙体位移延性系数分别约为未加固墙体的1.66,2.10倍,门式加固、井格式加固位移延性系数分别约为未加固墙体的1.14,1.24倍; 在加固墙体达到峰值荷载时,面层尚能发挥作用,直到墙体荷载达到极限承载力的85%以下,仍具有较好延性,以双面加固墙体最为显著。

　　 对于墙体耗能能力的评价标准有很多,且对于能量耗散的评价目前尚没有统一的标准,本试验中各墙体耗能能力以滞回环面积及能量耗散系数 ^[12]来表征,通过各墙体滞回曲线可以看出,滞回环起初为通过原点的直线,随着荷载、位移不断增大,滞回环面积不断增大,滞回环越饱满,表明墙体耗能能力越好。墙体耗能能力采用能量耗散系数E_p来表征:

　　 $E{}_{\text{Ρ}}=\frac{S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{A}\text{B}\text{C}\end{array}}+S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{C}\text{D}\text{A}\end{array}}}{S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{Δ}\text{Ο}\text{B}\text{E}\end{array}}+S{}_{\begin{array}{l}⌒\\ \text{Δ}\text{Ο}\text{D}\text{F}\end{array}}}(4)$

　　 根据图10及表5可知:双面加固墙体耗能能力明显大于其他加固墙体,单面加固墙体耗能能力次之; 剪刀撑式加固墙体能量耗散系数虽小,但对墙体承载力提高较为明显; 井格式加固及门式加固墙体耗能能力提高并不明显; 究其原因,加固面层提高了墙体整体性,对于双面加固、单面加固墙体可充分发挥加固面层的作用,墙体耗能能力更好。

　　 从各加固方式下墙体的加固效果及各加固方式的经济性出发,在采用相同经济成本条件下,剪刀撑式加固及单面加固可取较好的加固效果; 井格式加固可在一定程度上提高墙体抗震性能,虽效果并不显著,但可节约成本; 门式加固与其他加固方式相比经济性与效果较不明显; 在对于加固效果要求较高的情况下,可选择双面加固。

　　 (1)采用MRPC面层加固砌体墙改善了墙体的破坏形式,使得墙体由脆性破坏变为偏塑性破坏。

　　 (2)对于墙体承载力,MRPC双面加固效果最优,单面加固、剪刀撑式加固次之,3种加固方式对墙体极限承载力提高分别为167.62%,113.16%,104.94%,其中,双面加固墙体最高极限承载力为538kN,井格式加固、门式加固对于墙体承载力的提高并不明显。

　　 (3)对于墙体耗能能力,双面加固、单面加固效果显著,墙体滞回曲线饱满,且墙体耗能系数约为未加固墙体的2～3倍。

　　 (4)墙体的不同加固方式对墙体刚度具有重要影响,在整个试验过程中双面加固、单面加固以及剪刀撑加固墙体刚度明显大于其他墙体,为未加固墙体刚度的1.5倍,刚度下降速率缓慢。

　　 (5)双面加固、剪刀撑式加固对于墙体延性的提高效果较好,位移延性系数约为未加固墙体的2倍以上。

　　 (6)MRPC与墙体粘结良好,面层与墙体脱开均为面层与墙体部分砖黏连,黏连部分砖破坏导致面层脱开。

　　 (7)在经济条件允许情况下,应优先选择双面加固; 如果对于抗震承载力提高幅度要求不高,可选择单面加固、剪刀撑式加固方法; 对于原有墙体抗震性能与规范要求相差不大的情况,可选择门式、井格式加固方式。