基于破坏模式控制的约束砌体墙体加固研究.pdf

：基于破坏模式控制的约束砌体墙体加固研究收稿日期：作者简介：李勇志（），男，工程师，从事结构设计工作李勇志，许子宜，陈俊驰（中电建重庆勘测设计研究院有限公司，重庆 ；西南交通大学，四川 成都 ）摘要：为改善砌体墙体的抗震能力，提出了基于破坏模式下的砌体墙体抗震加固设计方法：混凝土条带加固法、窗下墙设缝加固方法、窗间墙宽度增大加固方法，并采用数值模拟技术，在验证其可靠性的基础上研究了条带配筋率、窗下墙设缝深度、窗间墙墙体宽度等加固因素对约束砌体墙体抗震性能的影响，以墙体破坏率为指标，定量研究了条带配筋率、窗下墙设缝深度、窗间墙墙体宽度等单因素下的合理取值及窗下墙设缝深度和条带配筋率等双因素下的合理取值，研究表明：窗间墙宽度的合理取值应大于 ；混凝土条带的钢筋配筋率合理取值为大于 ；窗下墙设缝深度的合理取值为大于 且小于 ；在窗下墙设缝深度和混凝土条带配筋率等双因素影响下，其合理取值范围为混凝土条带配筋率 且窗下墙设缝深度为 。关键词：约束砌体墙体；抗震加固；破坏模式；数值模拟中图分类号：文献标识码：文章编号：（）研究背景近年来，我国既有砌体结构房屋在地震作用下出现严重破坏，主要发生 种破坏模式 ：窗间墙破坏模式、窗间墙和窗下墙混合破坏模式、窗下墙破坏模式，其中窗间墙破坏模式震害最为严重，呈现较强的“脆性破坏”特征，易形成倒塌机制；而窗下墙破坏模式震害最轻，窗下墙裂缝发展较为缓慢，类似于框架结构中“强柱弱梁”的屈服机制，易实现“大震不倒”的抗震设防目标（见图 ）。?国内外学者对砌体结构的加固方法做了大量的研究，王亚勇 提出采用高强钢绞线网对砌体结构墙体进行加固方法，并通过试验研究得出通过该加固方法可以提高砌体抗剪承载力约 倍；提出利用钢丝网加固受损墙体，使之加固后的承载力可达到加固前的两倍之多；刘培 和李明 通过试验研究得出钢筋网水泥砂浆加固砌体墙体可提高墙体抗剪承载力及抗侧移刚度，并研究了不同参数对墙体抗震性能的影响程度，并给出通过该加固方法提高墙体抗剪承载力的理论计算公式；采用钢筋网灌浆技术对砌体墙体进行加固，通过试验研究得出该加固方法可有效提高砌体墙体的抗震性能，验证该方法的优越性；孟凡龙 通过对砌体墙体嵌筋加固的试验研究，分析了不同高宽比下嵌筋加固墙体的极限承载力和破坏特征，得出嵌筋加固可显著提高墙体极限承载力。传统的砌体结构加固方法着重于提高各构件的承载力，使结构去“硬抗”地震荷载，并没有从破坏模式出发，控制砌体结构出现合理的破坏形式，因此本文通过数值模拟对 种基于窗下墙破坏形式的加固方法进行研究，得出了该方法可有效提高墙体抗震性能，实现窗下墙破坏的破环形式，利于抗震目标的实现。抗震加固方法 混凝土条带加固法混凝土条带加固法减小了结构抗震加固对建筑功能的影响，对建筑外观无太大改变，适用于既有砌体结构和新建砌体结构。其做法是在窗洞两侧加两个竖向混凝土条带（），在混凝土条带中设置竖向钢筋，并沿水泥灰缝设置水平钢筋，水平钢筋一端锚固于构造柱中，一端与竖向钢筋绑扎在一起，如图 所示。窗下墙设缝加固窗下墙设缝加固施工简单且工期短，对建筑功能影响不大，易实现窗下墙的破坏模式，但设缝长度过长会使得窗下墙过早破坏，影响使用。其做法是在窗下墙两边设置同样大小的缝，削弱窗下墙使之相较于窗间墙率先破坏，如图 所示。第 卷 第 期年 月山西建筑?窗间墙宽度增大加固窗间墙宽度增大加固法是通过提高窗间墙刚度，使其落后于窗下墙发生破坏，实现“强柱弱梁”的破坏模式，如图 所示。该方法施工复杂，影响建筑美观，适用于窗间墙刚度不足的约束砌体墙体。?根据上述加固方案的特点，从施工难易程度，工期长短，造价高低以及建筑功能方面进行比较，如表 所示。表 加固方法对比加固方法施工难易工期长短造价高低建筑功能混凝土条带加固法难短低小窗下墙设缝加固易短低小窗间墙宽度增大加固难长低大 数值模拟参数验证本节选取文献 中的 试验墙体作为研究目标，采用 有限元软件建立整体式模型，通过观察其最终的破坏形态，进行材料本构和建模方法的论证。文献 中 试验墙体参数如表 所示。表 文献 中 试验墙体参数表模型编号窗间墙高宽比层高 砌体材料构造柱圈梁钢筋材料 ，根据试验墙体参数，在 软件中选择合理的本构模型进行模拟，具体模型参数如表 所示。表 各构件本构模型参数表构件名称 单元类型本构模型圈梁构造柱 混凝土结构设计规范附录 砌体墙体 受压采用杨卫忠本构模型 ，受拉采用混凝土本构模型钢筋 理想弹塑性本构有限元模型加载方案同文献 保持一致，在模型顶部施加竖向均布荷载，一侧设置耦合参考点，施加水平位移，最终通过受拉损伤参数云图（）来近似模拟砌体墙的开裂程度。对比结果如图 所示。?有限元模拟结果显示的“裂缝”破坏状态与试验基本相同，窗间墙呈现明显的“型”破坏，窗下墙也出现明显剪切破坏，验证了所采用模型参数的可靠性。为进一步验证加固方案的有效性，建立 个不同的加固模型，采用相同的加载方案，得到不同的破坏形态，如图 所示。?采用加固方法后，窗下墙破坏最为严重，而窗间墙基本完好无损，类似于框架结构中“强柱弱梁”的破坏形态。因此，采用合理的加固方法可控制窗下墙破坏模式的发生，提高砌体墙体的抗震性能，达到设防预期的目的。第 卷 第 期年 月山西建筑 加固方法参数分析为进一步研究加固方案中条带配筋率、设缝深度、窗间墙宽度对加固方法的影响，引入墙体破坏率 来描述墙体的破坏情况，越大，墙体受损越严重，一般墙体 大于 即可认为该墙体已发生破坏。本文砌体墙体的破坏准则是依据文献 推导的砌体墙体 抗 剪 强 度 平 均 值 的 计 算 公 式，并 结 合 砌体结构设计规范表 计算得到墙体的抗剪强度计算值为 ，当主拉应力大于 ，砌体墙体发生破坏（见式（）。（）其中，为墙体已破坏的面积；为墙体总面积。为模拟地震作用下约束砌体墙体的破坏情况，本次加载采用汶川什邡 八角地震波进行模拟加载，具体加载方式如图 所示。?条带配筋率条带配筋率是混凝土条带加固法中的重要影响参数，本节通过改变条带钢筋直径大小建立 个不同条带配筋率（，）的约束砌体墙体模型，模型中混凝土条带均为 （长度 宽度），窗洞尺寸均为 （高度 长度）。通过对比主应力云图，研究不同条带配筋率下墙体的破坏情况，结果如图 所示。?当条带配筋率小时，约束砌体墙体出现窗下墙和窗间墙的破坏模式，且窗间墙破坏最为严重；随着条带配筋率的提高，窗间墙破坏程度逐渐降低，明显向窗下墙破坏模式发展。根据式（）分别计算墙体的破坏率，结果如表 所示，并绘制墙体破坏率和条带配筋率的曲线，如图 所示。表 混凝土条带加固模拟结果模型编号配筋率 窗间墙是否破坏窗下墙是否破坏 是 是 否 是 否 是 否 是 否 是?当条带配筋率大于 时，窗间墙的破坏率逐渐降低，而窗下墙的破坏率基本保持在 左右，其变化幅度较小，因此混凝土条带加固法能够有效的限制窗间墙的破坏，建议条带配筋率合理取值为大于 。设缝深度设缝深度是窗下墙设缝加固法中的重要影响参数，本节通过改变设缝深度建立 个不同窗下墙设缝深度的约束砌体墙体模型，设缝深度分别取值为 ，其他材料信息均相同。通过在地震波的作用下得到不同的主应力云图，对比不同设缝深度墙体的破坏情况，如图 所示。当设缝深度较小时，墙体出现窗下墙和窗间墙的混合破坏，且窗间墙破坏最为严重，随着设缝深度的加大，窗间墙破坏逐渐减小，窗下墙的破坏加剧，出现合理的窗下墙破坏模式，但随着设缝深度继续加大，窗间墙高度增加，窗下墙和窗间墙均出现了破坏。根据式（）分别计算墙体的破坏率，结果如表 所示，并绘制墙体破坏率和设缝深度的曲线，如图 所示。第 卷 第 期年 月 李勇志，等：基于破坏模式控制的约束砌体墙体加固研究?表 窗下墙设缝深度加固的模拟结果模型编号设缝尺寸（深 宽 ）窗间墙是否破坏窗下墙是否破坏 是 是 否 是 否 是 否 是 否 是?当设缝深度大于 时，窗间墙破坏明显减小，窗下墙破坏加剧，随着设缝深度逐渐加大，窗间墙破坏率维持在 左右，基本不发生破坏，而窗下墙破坏率维持在 左 右，均 发生明显 破 坏，当 设缝 深 度 大 于 时，窗间墙与窗下墙的连接减弱，使得窗间墙破坏率加大，而窗间墙破坏率基本不变，因此设缝深度不宜过小且 不 宜 过 大，建 议 设 缝 深 度 合 理 取 值 范 围 为 。窗间墙宽度增大窗间墙宽度能够影响窗间墙刚度，从而影响墙体的破坏模式。本节建立 个不同窗间墙宽度的约束砌体模型，窗间墙宽度分别为 ，其他材料信息均相同。通过在地震波的作用下得到不同的主应力云图，对比不同窗间墙宽度墙体的破坏情况，如图 所示。?当窗间墙宽度较小时，墙体出现窗间墙和窗下墙混合破坏模式，且窗间墙破坏程度最大，随着窗间墙宽度加大，窗间 墙 破 坏 程 度 逐 渐 减 小，窗 下 墙 破 坏 基 本 不变 。根据式（）分别计算墙体的破坏率，结果如表 所示，并绘制墙体破坏率和窗间墙宽度的关系曲线，如图 所示。表 窗间墙宽度加固的模拟结果模型编号窗间墙宽度 窗间墙是否破坏窗下墙是否破坏 是 是 否 是 否 是 否 是?当窗间墙宽度大于 时，窗间墙破坏明显减小，而窗下墙破坏明显增强，而随着窗间墙宽度的加大，窗间墙刚度加大，破坏基本不变，墙体破坏率维持在 左右，同时窗下墙宽度减小，墙体破坏率维持在 左右，但最终均出现窗下墙破坏的合理模式，因此，建议窗间墙宽度合理取值范围为大于 。条带配筋率和设缝深度为研究条带配筋率和窗下墙设缝深度等双因素对砌第 卷 第 期年 月山西建筑 体墙体抗震性能的影响，本节建立 个不同条带配筋率和窗下墙设缝深度的约束砌体墙体模型，如表 所示。在地震波的作用下得到不同的主应力云图，对比 个约束砌体墙体的破坏情况，如图 所示。表 约束砌体墙体模型信息模型编号混凝土条带（长度 厚度 ）设缝尺寸（深度 宽度 ）条带配筋率 模型编号混凝土条带（长度 厚度 ）设缝尺寸（深度 宽度 ）条带配筋率?在双因素作用下，砌体墙体均发生窗下墙破坏模式，且随着设缝深度的增加，窗下墙破坏程度加剧，而窗间墙由于受到混凝土条带的约束作用，窗间墙破坏程度较低；随着条带配筋率的增加，窗间墙及窗下墙破坏程度降低。根据式（）分别计算墙体的破坏率，如表 所示；并绘制不同条带配筋率下，墙体破坏率和窗下墙设缝深度的关系曲线以及不同窗下墙设缝深度下，墙体破坏率和条带配筋率的关系曲线，如图 ，图 所示。表 双因素加固墙体的模拟结果模型编号配筋率 设缝尺寸（深度 宽度 ）窗间墙是否破坏窗下墙是否破坏 否 是 否 是 否 是 否 是 否 是模型编号配筋率 设缝尺寸（深度 宽度 ）窗间墙是否破坏窗下墙是否破坏 否 是 否 是 否 是 否 是在两种加固方法作用下，墙体破坏率变化幅度均不大。当条带配筋率小于 时，随着设缝深度的增加，窗下墙破坏率呈下降趋势，而当条带配筋率等于 时窗下墙破坏率反而呈上升趋势，窗间墙破坏率在不同条带配筋率下随设缝深度的加大均呈下降趋势；当设缝深度为 时，随着条带配筋率的增加，窗下墙破坏率呈下降趋势，窗间墙破坏率先呈下降再呈上升趋势；当设缝深度为 时，窗下墙的破坏呈下降趋势，窗间墙破坏率反而呈上升趋势，但上升幅度明显变缓；当设缝深度为 时，窗下墙破坏率呈上升趋势，第 卷 第 期年 月 李勇志，等：基于破坏模式控制的约束砌体墙体加固研究窗间墙破坏率先呈下降再呈上升趋势，结合本文的模拟数据，在条带配筋率为 ，设缝深度为 的条件下，窗间墙的破坏率最小，窗下墙的破坏率最大，为典型的窗下墙破坏模式，因此建议在混凝土条带加固和窗下墙设缝深度加固的作用下，混凝土条带配筋率 且窗下墙设缝深度为 。?结论本文通过总结砌体结构相关地震震害现象，提出种基于破坏模式的砌体结构加固方法，并通过有限元软件在验证了相关模型数据的基础上，建立 组约束砌体墙体有限元模型，通过对比破坏形态及墙体破坏率，探究了单因素（条带配筋率、窗下墙设缝深度、窗间墙宽度）和双因素（条带配筋率和窗下墙设缝深度）变化对约束砌体墙体的破坏模式的影响，得到结论如下：）种加固方法可以有效控制窗间墙的破坏，实现合理的窗下墙破坏模式，提高了砌体墙体的抗震性能，达到设防预期的目的。）在混凝土条带加固法中，随着条带配筋率的增大，砌体墙体的破坏模式从窗间墙和窗下墙混合破坏模式逐步转变成窗下墙的破坏模式。因此混凝土条带加固法能够有效的限制窗间墙的破坏，建议条带配筋率合理取值为大于 。）在窗下墙设缝加固法中，随着设缝深度的增大，砌体墙体的破坏模式从窗间墙和窗下墙混合破坏模式逐步转变成窗下墙的破坏模式，但设缝深度不宜过大，否则窗间墙和窗下墙的相互约束会不断减弱，使得窗下墙过早破坏，同样不利于破坏模式的控制。因此建议设缝深度合理取值范围为 。）在窗间墙宽度增大加固法中，当窗间墙宽度小于 时，墙体出现窗间墙和窗下墙混合破坏模式，随着窗间墙宽度的加大，窗间墙的破坏程度逐步降低，窗下墙的破坏程度基本不变，最终呈现为窗下墙的破坏模式。因此建议窗间墙宽度合理取值范围为大于 。）混凝土条带加固法和窗下墙设缝加固法双重作用下，可以有效的控制破坏模式的出现，建议混凝土条带配筋率 且窗下墙设缝深度为 。参考文献：冯丽丽 地震作用下砖混砌体结构房屋损伤顺序与破坏模式研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，王亚勇，姚秋来，王忠海，等 高强钢绞线网 聚合物砂浆复合面层加固砖墙的试验研究 建筑结构，（）：，（）：刘培，陈绍革，白雪霜 钢筋网水泥砂浆面层加固砖墙承载力增强系数的研究 建筑科学，（）：陈绍革，刘培，白雪霜 水泥砂浆面层加固砖墙抗震受剪承载力计算的探讨 建筑结构，（）：李明，王志浩 钢筋网水泥砂浆加固低强度砂浆砖砌体的试验研究 建筑结构，（）：，：，（）：孟凡龙 砌体结构嵌筋加固墙体抗震性能试验研究及理论分析 兰州：兰州交通大学，吴昊 砌体结构教学楼抗震性能及破坏机制控制研究 成都：西南交通大学，中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范：北京：中国建筑工业出版社，杨卫忠 砌体受压本构关系模型 建筑结构，（）：，（）：（下转第 页）第 卷 第 期年 月山西建筑 每个方面都需要严格控制。设计阶段需要根据既有建筑结构的实际特点，分析选择可行的改造加固方案。在施工阶段，采用静力破除设备等减小对原结构的扰动，并加强各项工艺流程管理，严格控制质量。另外，需要重视过程监测，监测工作是加固工程的一项重要保障措施，能够反馈施工效果及风险预警。通过局部梁的改造变形处理，不但使结构满足了建筑需求，而且减少了对既有结构的扰动范围，利用加固处理技术，严格控制施工质量，保证了建筑的安全性、实用性，并且展现出较好的工程经济性。通过本项目梁的改造加固实例分析，对设计过程的思考、施工流程及质量控制等方面进行了阐述，提出了在改造加固过程中需要注意的技术问题。在实践中，不同的建筑具有不一样的目的性，加固方案及施工方案也会有变化。因此，在具体实践中需要加固技术人员利用现有加固技术，结合工程的特点，进行适应性的思考，为建筑的加固、改造提供切实可行的方案。参考文献：陶义，沈欣 房屋建筑结构加固施工技术研究 建筑技术开发，（）：吕晓芬，夏凯 结构加固技术在房屋建筑施工中的应用 建筑技术开发，（）：李春峰 结构改造加固实例分析 四川建材，（）：赵婷婷 某幼儿园结构检测鉴定及加固处理实例 山西建筑，（）：宋凯 山西某大厦结构加层加固分析 太原：太原理工大学，巨常伟 分析土木建筑工程项目的混凝土加固施工技术 建材发展导向，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构加固设计规范：北京：中国建筑工业出版社，贾福源，徐灵通，刘勇 多坡屋面梁布置及受力分析 建筑结构，（增刊 ）：，（，；，）：，：；櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 （上接第 页），（，；，）：，；，：；第 卷 第 期年 月山西建筑