敬登虎　顏江華　曹雙寅

摘要：為了研究木框架內(nèi)磚砌體填充墻的抗震加固方法，共完成了3個縮尺試件的低周往復荷載試驗?；谠囼炑芯浚玫搅嗽嚰钠茐奶卣?、滯回曲線、骨架曲線、承載力、延性和耗能能力等抗震性能指標。試驗結(jié)果表明：未加固試件的破壞主要由填充墻的剪切裂縫控制且伴有平面外傾斜，木框架未見損傷；對磚砌體填充墻采用嵌入水平鋼筋與端部外貼鋼板進行加固可以有效地提高試件的承載力與延性，且一定程度的裂縫損傷對加固后試件的名義屈服荷載、峰值荷載影響不大，但對延性與能量耗散能力影響明顯。

關(guān)鍵詞：磚砌體填充墻；木框架；抗震加固；鋼板；嵌入鋼筋

中圖分類號：TU398.4 文獻標識碼：A

木結(jié)構(gòu)在我國古建筑中占有很大的比重，此類建筑物通常采用磚砌體填充墻作為房屋的圍護與隔斷?；阢氪ㄕ鸷Φ恼{(diào)查與分析結(jié)果，地震作用下木構(gòu)架基本保持完好，由于填充墻的嵌固作用，木構(gòu)架產(chǎn)生的位移很?。坏?，墻體由于強度不足容易發(fā)生破壞，即通常所說的“墻倒屋不塌”。文獻通過對北京古建太和殿的抗震性能分析，認為考慮填充墻的嵌固作用后，整體結(jié)構(gòu)的變形減小，有利于避免木構(gòu)架發(fā)生整體傾覆，類似于帶填充墻的RC框架。此外，在歐洲一些國家，如葡萄牙、土耳其、法國、希臘、西班牙、德國等，帶砌體墻的木框架結(jié)構(gòu)形式也得到較為廣泛的應(yīng)用，并經(jīng)歷了多次地震災(zāi)害的考驗。但是，歐洲的木框架通常增設(shè)多種斜撐，其對砌體墻的約束能力變強，墻體在經(jīng)歷地震后具有更好的整體性，這點與我國現(xiàn)存古建筑的實際情況相差較大?；谀究蚣軆?nèi)填充墻的破壞特點，為了避免填充墻倒塌造成的財產(chǎn)損失等不利影響，且考慮到古建筑加固時的特殊要求，本文對磚砌體填充墻采用水平灰縫嵌入鋼筋與端部外貼鋼板相結(jié)合的方法進行加固，盡量減少對墻體外貌的改變，其中外貼鋼板加固具有很好的可逆性。

1試驗概況

1.1試件設(shè)計與制作

試驗共設(shè)計了3個試件（編號依次為KJ-1，KJ-2和KJ-3），其中試件KJ-1直接加載；試件KJ-2先加載至填充墻出現(xiàn)一定裂縫損傷，然后進行裂縫修補與墻體加固，再進行加載；試件KJ-3直接進行填充墻加固，然后進行加載。試件模型取自清工部《工程做法則例》卷二十四（七檁小式大木）一節(jié)中的扇面墻，并以1：1.76的縮尺比例進行設(shè)計。木框架的梁柱節(jié)點采用改進的燕尾榫，形狀為端部寬、根部窄，與之對應(yīng)的卯口則是里面大、外面小，這樣能很好地防止拔榫現(xiàn)象。試件的具體設(shè)計如圖1所示。木材選用樟子松；磚砌體填充墻采用標準黏土磚砌筑，混合砂漿按M5要求進行配比（水泥：石灰：水=1：0.84：1.53），墻體厚度為115 mm；地梁為鋼筋混凝土梁，其截面尺寸為300 mm×500 mm。

試件具體制作時，先澆筑地梁，然后制作木框架，最后砌筑磚砌體填充墻。

1.2試件加固方案

試件KJ-2和KJ-3中的填充墻兩側(cè)對稱地采用鋼筋嵌入水平灰縫內(nèi)，同時在填充墻端部兩側(cè)分別外貼鋼板進行加固，相關(guān)步驟與構(gòu)造措施如下：①鑿除需要嵌筋的水平灰縫砂漿，槽的深度為20 mm；②灑水潤濕已鑿好的槽，并用M5混合砂漿填入槽內(nèi)至深度的一半，然后放入鋼筋，每根長1 450 mm（伸入端部鋼板內(nèi)），并施加一定的擠壓力；③在已嵌人鋼筋的槽內(nèi)再填入M5砂漿，直至灰縫平整；④待所有灰縫嵌筋施工完后，在墻端部兩側(cè)外貼鋼板，鋼板與砌體之間用2 mm厚M5砂漿抹平，且鋼板之間用直徑12 mm的對拉螺桿擰緊。具體的加固詳圖如圖2所示。加固所用鋼板為Q235鋼；鋼筋為HPB300級、直徑6 mm的光圓鋼筋。為了使得鋼板有效地工作，需將鋼板在基礎(chǔ)處進行植筋生根，植筋深度為150 mm，所用鋼筋直徑為20 mm，并與鋼板采用單面焊接（連接長度為100 mm）。

1.3材料性能

樟子松實測的順紋抗壓強度平均值為32.4MPa，橫紋抗壓強度平均值為9.5 MPa，抗彎強度平均值為91.6 MPa。黏土磚的實測抗壓強度平均值為19.03 MPa，混合砂漿的實測抗壓強度平均值為3.18 MPa。Q235鋼的實測屈服強度平均值為313.8MPa，極限強度平均值為493.3 MPa。直徑6 mm光圓鋼筋的實測屈服強度平均值為332.0 MPa，極限強度平均值為433.9 MPa。

1.4試驗加載與測量內(nèi)容

本試驗采取水平低周往復加載，柱頂豎向荷載通過手搖千斤頂施加，水平荷載通過支承在反力墻上的MTS作動器施加。參考《工程做法則例》中卷二十四，計算扇面墻中金柱的豎向荷載，并考慮到梁、柱、檁、椽等構(gòu)件自重，本試驗中豎向荷載取10kN。試驗前在緊挨梁底兩端固定20 mm厚加載端板，通過4根長螺桿與作動器端板固定，為了不妨礙燕尾榫節(jié)點的轉(zhuǎn)動，同時考慮到布置儀器方便，將作動器作用力中心位置定于距離木梁底60 mm處。具體試驗裝置見圖3。

水平方向采用荷載位移混合控制加載方法，荷載與位移控制轉(zhuǎn)折點定在磚砌體填充墻出現(xiàn)斜裂縫時。具體的加載制度如下：墻體斜裂縫出現(xiàn)之前水平加載由荷載控制，以每5 kN一級逐級加載，每級荷載循環(huán)一次；墻體出現(xiàn)明顯斜裂縫之后，確定控制位移△，再按照△的倍數(shù)（1△，2△，3△，…）進行位移控制加載，每次位移循環(huán)3次，直至水平荷載下降至極限狀態(tài)（峰值荷載的85%或試件平面外傾斜）停止試驗。

試件的主要測量內(nèi)容為水平荷載P與水平位移△形成的P-△滯回曲線。

2試件破壞過程與特征

為了便于敘述，作動器的水平正向加載定為推方向，水平荷載記為正值；水平負向加載定為拉方向，水平荷載記為負值。此外，靠近作動器的一邊為填充墻的右側(cè)，反之為左側(cè)。

2.1試件KJ-1

首先通過手搖千斤頂對每根柱子施加豎向力10 kN，此時除了木頭擠緊聲外無別的現(xiàn)象。然后，開始施加水平荷載。當加載到+25 kN時，右側(cè)墻體底部出現(xiàn)一條水平裂縫（沿著第一、二皮磚之間的灰縫發(fā)展，見圖4）。當加載到-25 kN時，左側(cè)墻體底部相同位置也出現(xiàn)了一條水平裂縫，但是左右兩條水平裂縫并未連通。

當加載到+30 kN時，沿著近似平行于墻體右側(cè)頂點對角線方向上同時出現(xiàn)多段明顯斜裂縫（見圖5中1號～3號）。此時控制位移△確定為10mm，然后進入位移加載。在1△第一次循環(huán)負向加載時，墻體左側(cè)出現(xiàn)斜裂縫（如圖5所示）。在3，5第一次循環(huán)負向加載時，墻體右下角最底一皮磚被壓斷裂，同時填充墻上部出現(xiàn)平面外傾斜趨勢；在3△第二次循環(huán)正向加載時，墻體左下角最底一皮磚也被壓斷裂。當加載到5A時第一次循環(huán)完成，墻體外傾非常明顯，試驗停止。

2.2試件KJ-2

首先對試件KJ-2進行預(yù)開裂加載，最大水平、斜向墻體裂縫寬度達到15 mm時停止加載。再次加載之前，首先采用灌注結(jié)構(gòu)膠對裂縫進行灌注修補，然后進行嵌筋與外貼鋼板加固。

第二次加載過程中，當加載到-30 kN時，左側(cè)出現(xiàn)明顯斜裂縫。此后，進入位移加載階段，控制位移確定為5mm。隨著位移的增加，墻體斜裂縫逐漸增加。加載到4A之后，墻體上的斜裂縫數(shù)量基本穩(wěn)定，裂縫寬度不斷增加；局部有灰縫砂漿掉落，使得嵌入灰縫的水平鋼筋外露。當加載到10△時，荷載下降至峰值荷載的85%，試驗停止。在加載過程中填充墻體未出現(xiàn)外傾現(xiàn)象，雖裂縫開展增多，但整體性還是很好。試件的最終破壞以4條斜裂縫為主，如圖6所示。

2.3試件EJ-3

當加載到-30 kN時，墻體左側(cè)出現(xiàn)明顯的斜裂縫。隨后，進入位移加載階段，控制位移同樣是5mm。當3A加載完后，裂縫數(shù)量已基本穩(wěn)定，墻體呈現(xiàn)出5條主裂縫。在后期加載過程中，5條主裂縫寬度不斷加大，局部同樣有灰縫砂漿掉落，使得嵌入鋼筋外露（如圖7所示）。當加載到11△時，荷載下降至峰值荷載的85%，試驗停止。試件的最終破壞形態(tài)如圖8所示，此時填充墻也未出現(xiàn)平面外傾斜。

2.4破壞特征

3個試件無論加固與否，最終破壞都表現(xiàn)為填充墻剪切裂縫。在試驗過程中木框架未發(fā)現(xiàn)破壞，燕尾榫節(jié)點也未出現(xiàn)拔榫、榫頸剪壞、榫頸彎曲破壞等。未加固試件KJ-1中填充墻先出現(xiàn)底部水平裂縫（最底一皮磚上面的水平灰縫），然后隨著荷載增加才出現(xiàn)斜裂縫。試件KJ-2和KJ-3加固后沒有出現(xiàn)底部水平裂縫，而是出現(xiàn)數(shù)量更多的斜裂縫。試件KJ-1在幾條主要剪切斜裂縫充分發(fā)展后，砌體墻被裂縫分割為幾塊，墻體的整體性降低，導致砌體墻出現(xiàn)嚴重平面外傾斜。試件KJ-2和KJ-3加固后，雖然填充墻裂縫的數(shù)量增加，但加固鋼筋與外貼鋼板能保證墻體的整體性，并有效地防止墻體平面外傾斜。

3抗震性能分析

3.1滯回曲線

試件實測的P-A滯回曲線如圖9所示。由圖9可以看出，試件KJ-1，KJ-2和KJ-3的滯回曲線形狀相似，都表現(xiàn)為Z形。該現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因在于，帶磚砌體填充墻的木框架主要以填充墻剪切破壞為主，滯回曲線受到了大量的剪切滑移影響；同時，填充墻與木框架在加載過程中會出現(xiàn)脫開間隙。因此，在后面循環(huán)加載的早期，木框架與墻體的間隙需要閉合，試件的抗側(cè)剛度相對較小，曲線發(fā)展平緩。此外，加固試件KJ-2和KJ-3的循環(huán)周數(shù)明顯大于未加固試件KJ-1，且試件KJ-3的滯回環(huán)在前期比試件KJ-2略顯飽滿。

3.2骨架曲線

所有試件的骨架曲線如圖10所示。所有試件的骨架曲線均有明顯的剛度轉(zhuǎn)折點，為了后面比較方便，本文將此明顯的剛度轉(zhuǎn)折點定義為試件的名義屈服點。此外，需要強調(diào)的是，由于試件KJ-1后期加載時填充墻出現(xiàn)嚴重的外傾，其下降段未能加載到峰值荷載點的85%。從骨架曲線上可以看出，加固試件KJ-2和KJ-3的正反向平均抗側(cè)剛度在名義屈服點前較未加固試件KJ-1有明顯提高，幅度達到90%以上；名義屈服點至峰值荷載點之間，加固試件的平均抗側(cè)剛度較未加固試件提高并不明顯，骨架曲線增長開始變緩。上述現(xiàn)象的主要原因在于名義屈服點之前，嵌縫鋼筋與外貼鋼板貢獻逐漸增大；名義屈服點之后，鋼筋、鋼板可能屈服或與砌體之間發(fā)生黏結(jié)滑移，其貢獻逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3荷載與層間轉(zhuǎn)角

試件KJ-1，KJ-2和KJ-3的名義屈服荷載P，與峰值荷載Pp見表1。由表1可知，加固試件KJ-2和KJ-3的P_y相對試件KJ-1分別平均提高了32.1%和30.2%；P_p分別平均提高了27.8%和20.6%。由此可見，本試驗中的裂縫損傷對加固后的名義屈服荷載與峰值荷載均影響不大。主要原因在于加固試件中填充墻沒出現(xiàn)外傾破壞，對應(yīng)名義屈服點與峰值荷載點時，墻體均已產(chǎn)生裂縫損傷，此時主要依靠木框架約束、嵌縫鋼筋與外貼鋼板來加強墻體的受力性能。這3個外界條件對加固試件而言是相同的。此外，試件KJ-1，KJ-2和KJ-3對應(yīng)極限荷載狀態(tài)的位移見表1，由此可以得到試件KJ-1，KJ-2和KJ-3的層間平均轉(zhuǎn)角分別為1/32，1/33和1/30。

3.4延性指標和耗能能力

延性指標采用極限狀態(tài)下位移與名義屈服點位移的比值（正反方向取平均值），計算結(jié)果見表1所示。由表1可知，加固后試件KJ-2和KJ-3的延性指標分別提高了32.5%和82.5%。因此，本試驗中的裂縫損傷對加固試件的延性有明顯的影響。

試件的能量耗散能力以荷載一變形滯回曲線所包圍的面積來衡量，即圖11中ABCDA所圍成的面積S（ABC+CDA）。本文采用Origin軟件對滯回曲線進行數(shù)值積分，計算出構(gòu)件每個滯回曲線所圍面積，分別得到名義屈服點和極限狀態(tài)之前所有滯回曲線所圍面積之和，即累積滯回耗能大小。能量耗散能力大小的指標采用能量耗散系數(shù)E來表示，E=S_{（ABC+CDA）}/S_{（OBE+ODF）}。3個試件的能量耗散能力計算結(jié)果見表2。

從表2中可以看出，試件KJ-1，KJ-2和KJ-3在達到名義屈服點時累積滯回耗能分別占極限狀態(tài)時累積滯回耗能的6.3%，1.4%和3.1%；加固試件KJ-2，KJ-3相對試件KJ-1，其極限狀態(tài)時累積滯回耗能分別提高了162.5%和191.3%；在極限狀態(tài)時，試件的能量耗散系數(shù)維持在0.6左右。名義屈服點之前，試件整體近似處于彈性狀態(tài)，耗能相對很小。名義屈服點之后，斜裂縫迅速發(fā)展，并且加載后期裂縫兩邊砌體會發(fā)生滑移，鋼板與嵌縫鋼筋也發(fā)揮更大的約束作用，從而消耗更多的能量。此外，該結(jié)果也說明本試驗中裂縫損傷對試件的能量耗散能力有明顯的影響。

4結(jié)論

通過本文試驗研究，可初步得到以下幾點結(jié)論：

1）木框架內(nèi)磚砌體填充墻的最終破壞主要以填充墻的剪切裂縫為主，墻體最終發(fā)生平面外傾斜，木框架未見明顯損傷；加固試件中填充墻未出現(xiàn)外傾，且墻體裂縫數(shù)量增多。

2）帶磚砌體填充墻木框架在填充墻加固前后，其滯回曲線均呈Z形。

3）采用灰縫嵌入鋼筋與外貼鋼板加固填充墻后，加固試件KJ-2和KJ-3的名義屈服荷載相對未加固試件KJ-1分別平均提高了32.1%和30.2%；峰值荷載分別平均提高了27.8%和20.6%。

4）加固試件KJ-2和KJ-3的延性相對未加固試件分別平均提高了32.5%和82.5%；累積滯回耗能分別提高了162.5%和191.3%；3個試件在極限狀態(tài)下的層間平均轉(zhuǎn)角分別為1/32，1/33，1/30。

5）當磚砌體填充墻中的裂縫損傷（水平、斜向裂縫寬度不超過15 mm）不嚴重時，其對承載力的加固效果影響不大，但對延性與能量耗散能力有明顯影響。

6）磚砌體填充墻端部外貼鋼板可以有效地防止其發(fā)生平面外傾斜。