钢筋混凝土墙板加固石砌体结构抗震性能研究

林婷婷，叶林伟，杨相如

(1.福建船政交通职业学院， 福建 福州 350007；
2.福建船政交通经营管理有限责任公司, 福建 福州 350007)

平潭县处于福建省最大的活动断裂构造带长乐—诏安带的东北端，属于我国建筑抗震设计规范规定的七度设防区。目前，平潭岛上共有石头厝房屋4万多栋，其中具有较高保护价值的仍有3千多栋[1]。从历次地震灾后调查情况来看，在地震发生时砌体房屋的受损最为严重，这主要是由于石构民居大多由当地工匠凭借经验完成设计与施工，致使其不能满足抗震设防的需要，存在较大的安全隐患[2-5]。

综合对比分析现有的石砌体房屋加固方法，再结合平潭现有石头厝建筑风貌保护的需求，认为当墙体采用毛石甚至碎石砌筑，质量较差且经检测砌筑砂浆强度很低时，应首选夹板墙加固技术对石墙体进行加固[6-12]。为明确石砌墙体抗震加固参数，本文利用ABAQUS有限元软件建立了18个数值分析模型，对加固前后的石砌墙体进行抗震性能及参数化分析，研究结果可为后续平潭石头厝的抗震加固设计提供参考依据。

拟分析石砌墙体采用强度等级为MU50的毛料石砌筑，水泥砂浆等级为M5，砌体的抗压强度取3.33 MPa。对石墙体采用单、双面两种加固方式(图1)，综合考虑混凝土面层厚度、配筋率、竖向压力、混凝土强度等影响因素，建立了18个石砌墙的有限元模型，对石砌结构的抗震性能从极限承载力、刚度退化和位移延性三个方面展开分析。具体工况见表1。

图1 石墙体加固方式

采用通用有限元软件ABAQUS建立数值模型，根据平潭地区现有大量石头厝房屋墙体高宽比的调

表1 石砌体墙模型设计工况

说明：(1)构件编号中Q表示墙体；
D表示单侧加固；
S表示双侧加固；
Z表示拟静力分析；
中间数字表示混凝土加固层厚度；
最后一个数字表示配筋率大小，从1到3表示配筋率逐渐增加。(2)表中配筋率均为所配钢筋面积与原墙体面积之比。(3)表中DQZ-0.5、SQZ-0.5和DQZ-0.7、SQZ-0.7分别表示竖向面荷载为0.5 MPa和0.7 MPa，其余参数与DQZ-100-1或SQZ-100-1相同。(4)表中DQZ-C40、SQZ-C40和DQZ-C50、SQZ-C50分别表示混凝土强度等级为C40和C50，其余参数与DQZ-100-1或SQZ-100-1相同。

查，将墙体模型尺寸设为3 000 mm×1 500 mm×450 mm。石砌体墙和混凝土加固层采用实体单元模拟，石砌体材料本构关系参照文献[13]。不考虑加固层与原有石墙的相对滑移，采用tie方式将二者绑定连接。为了提高计算效率，根据受力形式，在保证模型的任意一个坐标轴上都有两个或两个以上单元数的前提下，墙体宽度方向模型尺寸设置为150 mm网格。

石砌墙片的低周反复加载试验，一般分为竖向荷载和水平荷载施加两个方面。有限元分析过程建立两个分析步，先对石砌墙体施加竖向面荷载，再第二分析步施加水平低周反复荷载。对于水平荷载的施加主要有力控制和位移控制加载两种方式，试验时一般采用控制力的方式加载与位移控制方式相结合的方法逐步逼近砌体墙的极限荷载，而数值模拟时，采用控制力的方式较容易出现应力集中现象导致计算不收敛，故本文采用位移控制方式加载其加载，曲线如图2所示。

图2 水平加载位移时程曲线

3.1 混凝土面层厚度的影响

3.1.1 板厚对单面加固石砌墙抗震性能的影响

共分析了3片加固墙体及1片未加固对比墙体的抗震性能，结果见表2所示。从表2中可以看出，采用钢筋混凝土片墙加固石砌墙体后，构件的开裂荷载、极限强度及延性系数均得到有效提高。相比较于未加固墙体，加固层厚度为50 mm、70 mm、100 mm的构件，极限强度提高幅度分别为41.1%、61.4%、86.1%，延性系数提高幅度分别为91.0%、46.3%、36.1%。随着混凝土加固层厚度的增加，石砌墙体开裂荷载逐渐提高，相应的开裂位移逐渐减小，极限荷载及峰值位移也逐级增加，延性系数则逐级降低。这是因为加固层混凝土越厚，墙体整体刚度越大，且混凝土开裂后钢筋的作用逐渐凸显。

表2 不同板厚单面加固石砌墙体数值分析结果

图3和图4分别给出了墙体骨架曲线和刚度退化曲线。从图中可以看出混凝土层越厚，构件刚度越大，延性越差，构件刚度退化速度就越快。

3.1.2 板厚对双面加固石砌墙抗震性能的影响

对内墙采用双面夹板墙加固后抗震性能分析见表3。从表3中可以看出，采用钢筋混凝土双面加固石砌墙体后，构件的开裂荷载、极限强度及延性系数与单面加固构件一样，均得到有效提高。相比较于未加固墙体，加固层厚度为50 mm、70 mm、100 mm的构件，极限提高幅度分别为84.5%、118.9%、173.5%，延性系数提高幅度分别为40.9%、54.9%、57.8%。

图3 板厚对单面加固墙体骨架曲线的影响

图4 板厚对单面加固墙体刚度退化的影响

表3 不同板厚双面加固石砌墙体数值分析结果

图5和图6分别给出了双面加固墙体的骨架曲线和刚度退化曲线。从图中可以看出，随着混凝土厚度的增加，墙体刚度得到大幅度提升。由于钢筋的作用，在采用双面加固后，随着混凝土厚度的增加，墙体延性系数略有增加。但随着混凝土厚度的增加，刚度退化速度加快，与单面加固表现结果一致。

图5 板厚对双面加固墙体骨架曲线的影响

图6 板厚对双面加固墙体刚度退化的影响

3.2 配筋率对石砌墙抗震性能的影响

3.2.1 配筋率对单面加固石砌墙抗震性能的影响

本节分析了三种不同配筋率混凝土板加固后墙体的抗震性能。由表4中数据分析，配筋率对开裂荷载，极限位移基本没有影响，但构件的延性随着配筋率的增加有所提高。

表4 不同配筋率单面加固石砌墙体数值分析结果

从图7和图8初步来看，配筋率的多少对单面加固墙体的抗震性能几乎没有影响。

图7 配筋率对单面加固墙体骨架曲线的影响

图8 配筋率对单面加固墙体刚度退化的影响

3.2.2 配筋率对双面加固石砌墙抗震性能的影响

表5给出了不同配筋率墙体的数值分析结果。图9和图10分别绘制了双面加固时，配筋率不同墙体的骨架曲线和刚度退化曲线。从图9可以看出，配筋率对荷载位移曲线前段部分没有影响，仅对下降段尾部有一些影响，对比表5中数据也得到相同的结论。与单面加固墙体分析结果一样，配筋率对墙体开裂荷载、极限荷载基本没有影响，仅对延性有一定的影响，但影响也不大。从图10也发现，配筋率对刚度退化不产生影响。主要是因为配筋率的改变对墙体整体刚度没有影响，但在适筋范围内，配筋率的增加会提高构件的延性性能。

表5 不同配筋率双面加固石砌墙体数值分析结果

图9 配筋率对双面加固墙体骨架曲线的影响

图10 配筋率对双面加固墙体刚度退化的影响

3.3 混凝土强度对石砌墙抗震性能的影响

为更加清楚对比混凝土强度等级变化对构件加固效果的影响，在本节中将DQZ-100-1和SQZ-100-1构件分别改写编号为DQZ-C30和SQZ-C30。在保证其余参数不变的情况下，分别与采用C40和C50混凝土试件进行加固后抗震性能对比分析。

3.3.1 混凝土强度对单面加固石砌墙抗震性能的影响

表6中给出了单面加固时不同混凝土强度对石砌墙体的加固效果分析。从表中可以看出，随着混凝土强度的增加，墙体刚度得到提高，开裂荷载有所提高，但极限荷载值却出现相反结果。图11和图12分别给出了不同混凝土强度的加固墙体骨架曲线和刚度退化曲线，从图中可以看出，当采用C40和C50混凝土加固时，在混凝土开裂之前达到较大的荷载值，在开裂后出现承载力的瞬间降低，然后又逐步提高到一定水平后，基本保持不变。这主要是因为混凝土强度越高，构件的脆性越明显。从分析过程的应力云图中得知，C40和C50混凝土加固构件在局部区域提前出现破坏，导致承载能力下降。后期荷载位移曲线又逐渐上升，主要是因为在有限元模拟中，混凝土出现破坏后，钢筋承受主要荷载，但很快发生屈服，这就解释了后期加载过程中荷载位移曲线几乎为平直段的原因。从图11可以看出，混凝土强度对构件刚度退化影响不大。

表6 不同混凝土强度单面加固石砌墙体数值分析结果

图12 混凝土强度对单面加固墙体刚度退化的影响

3.3.2 混凝土强度对双面加固石砌墙抗震性能的影响

表7 列出了双面加固时混凝土强度对构件的影响分析结果。图13和图14分别给出了相应工况的骨架曲线和刚度退化曲线。从分析结果来看，混凝土强度对双面加固石砌墙抗震性能的影响与对单面加固构件的影响规律一致，此处不再重复介绍。

表7 不同混凝土强度双面加固石砌墙体数值分析结果

图13 混凝土强度对双面加固墙体骨架曲线的影响

图14 混凝土强度对双面加固墙体刚度退化的影响

3.4 竖向压力对石砌墙抗震性能的影响

竖向压应力是另外一个影响砌体结构抗震性能的重要因素，研究结果表明，随着竖向压应力的变化，砌体墙体会发生剪摩、剪压和斜压三种破坏形态。无论是哪种破坏， 的大小都会对砌体抗剪强度有着重要的影响[14]。

文献[15]中提到，按照一般9层住宅建筑考虑，顶层竖向压应力值较小，为0.2 MPa；
中间层竖向压应力取0.6 MPa；
底层竖向压应力最大，取0.9 MPa。本文考虑到常见的石砌体结构特点，本文在之前的砌体结构模型中，石砌墙体的顶压设定为 0.3 MPa。本节将研究竖向压应力取值对石砌墙体承载力的影响，另选顶压中等的0.5 MPa和顶压较大的0.7 MPa做对比研究分析。

为更加清楚对比竖向压力变化对构件加固效果的影响，在本节中将DQZ-100-1和SQZ-100-1构件分别改写编号为DQZ-0.3和SQZ-0.3。在保证其余参数不变的情况下，分别设置0.5 MPa和0.7 MPa的竖向压应力。

3.4.1 竖向压力对单面加固石砌墙抗震性能的影响

表8给出了单面加固石砌墙体在不同竖向压力作用下的数值分析结果。图15和图16分别给出了相应工况的骨架曲线和刚度退化曲线。从分析结果来看，墙体所受竖向压力越大，抗侧刚度则越大，因此，开裂荷载和极限荷载都得到不同程度的提高。相比较0.3 MPa竖向加载构件，0.5 MPa构件极限荷载提高幅度为28.1%，0.7 MPa构件极限荷载提高幅度为54.0%。但随着竖向压力的增加，构件的延性性能略有降低。从图16中可以看出，竖向压力越大，构件的刚度退化速度越快；
当加载位移超过10 mm时，刚度退化速度又趋于一致。

表8 不同竖向压力单面加固石砌墙体数值分析结果

图15 竖向压力对单面加固墙体骨架曲线的影响

图16 竖向压力对单面加固墙体刚度退化的影响

3.4.2 竖向压力对双面加固石砌墙抗震性能的影响

表9给出了双面加固石砌墙体在不同竖向压力作用下的数值分析结果。图17和图18分别给出了相应工况的骨架曲线和刚度退化曲线。从分析结果来看，竖向压力对双面加固墙体的影响规律与对单面加固墙体的影响规律基本一致，也表现出开裂荷载和极限荷载提高，延性有所降低的现象。相比较0.3 MPa竖向加载构件，0.5 MPa构件极限荷载提高幅度为17.9%，0.7 MPa构件极限荷载提高幅度为36.2%。对比单面加固墙体来看，竖向压力对单面加固墙体的影响更大些。

表9 不同竖向压力双面加固石砌墙体数值分析结果

图17 竖向压力对双面加固墙体骨架曲线的影响

图18 竖向压力对双面加固墙体刚度退化的影响

综合上述拟静力分析结果得到以下结论：

(1) 采用钢筋混凝土夹板墙加固石砌体结构是可行的，采用单面和双面加固后石砌体墙的抗震性能得到明显改善，承载能力大幅度提高。

(2) 在一定范围内增加混凝土厚度可提高承载力，但过厚则会降低延性。

(3) 由于随着混凝土强度提高，构件极限承载力略有下降且脆性越明显，因此设计时不建议采用高强度混凝土。

(4) 增加配筋率对构件的极限承载力影响不大，但在一定程度上能提高构件延性；

(5) 对竖向压力越大的石砌体墙，钢筋混凝土板加固后承载能力提高更明显，但相应的延性会有所降低。

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