体外预应力加固技术[1-4]具有工程量少、成本低廉、原结构使用面积与自重基本不变,且对原结构无需进行卸载的优点。近几年来该技术已应用于老旧房加固改造工程中,典型的加固工程如欧马可办公楼、北京怀柔红楼、北京联合大学校舍等。

近20年来,根据砌体剪-压复合受力相关性[5]，通过施加体外预压应力可以提高砖砌体抗剪承载力,国内外的许多学者对体外预应力加固砌体[6-8]取得了一系列试验理论研究成果。孙伟民等[9]研究开洞、整截面预应力砌块砌体墙体的抗震性能,结果发现:施加预应力后,开窗洞、整截面墙体的开裂荷载分别提高99.6%和123.4%,极限荷载分别提高了75%和80%;尹新生等[10]建立空间桁架腹杆计算模型,预测横向预应力砖砌体的抗剪承载力提高幅度达200%;祝百茹等[11]建模分析得出预应力加固对砌体结构峰值强度提高幅度达到30%,而对刚度影响贡献较小;陈红媛等[12]研究发现对砌体结构提高的主动约束力使楼层结构侧移在6 s之前明显减少,有效防止楼板与圈梁脱空;徐秀凤等[13]通过对有圈梁、构造柱的砌体结构的抗震性能研究,结果表明:预应力加固延缓构造柱塑性铰的产生,提高其恢复性能以及整体抗震能力;刘航等[14-15]对构造柱砖墙、无筋砖墙改变布置间距和轴压比参数,结果发现:受剪承载力随着墙体轴压比增大而增大,开洞墙体受剪承载力可以提高66%～130%;刘航等[16]研究表明其可以提高两层足尺砌体结构房屋设防烈度至少一度，且基本上处于弹性状态,更有效提高上层抗剪承载力。

由于国内对开洞墙体布置斜交叉预应力筋加固以及对比加固方式研究较少,本文对采用不同预应力加固方式的开洞砌体墙进行拟静力试验,主要改变布置角度参数对承载力、抗侧刚度影响,分析加固后墙体的破坏机制和受力特征,有助于对窗间墙体布置预应力筋加固方式的可行性和实用性提供试验参考依据。

1 试验

1.1 试件设计与制作

本次试验共制作1片普通开洞墙和2片预应力加固的开洞墙,墙体试件编号DW-1、YDW-1和YDW-2,其中墙YDW-1采用垂直对称加固,墙YDW-2采用斜交叉加固。每片墙体尺寸为2 000 mm×1 500 mm×233 mm,洞口尺寸为800 mm×800 mm。尺寸为233 mm×110 mm×45 mm、强度等级为MU10的烧结实心砖与强度等级为M2.5的混合砂浆按照砖块一层顺、一层丁的传统方式砌筑墙体。墙体顶部放置C30细石混凝土(抗压强度实测为32.59 MPa)，浇筑的圈梁(截面尺寸为240 mm×240 mm),其纵筋与箍筋分别采用412和6@200。下部基础梁(截面尺寸为540 mm×450 mm)采用C40的细石混凝土浇筑,其纵筋与箍筋分别采用418和8@150。详细试件参数如表1所示,试件尺寸和加固方式如图1所示。

 

表1 试件参数Table 1 Parameter of specimens

  

墙体编号墙体尺寸/(mm×mm×mm)窗洞尺寸/(mm×mm×mm)竖向压应力/MPa预压应力/MPa布置角度/(°)钢筋数量钢筋张拉力/kNDW⁃12000×1500×233800×8000 120—00YDW⁃12000×1500×233800×8000 120 3890813 28YDW⁃22000×1500×233800×8000 120 3869、66815 22、13 47

  

图1 试件尺寸和加固方式Fig.1 Specimen dimension and reinforcement pattern

在张拉端墙体YDW-1采用4对预应力钢筋18垂直等间距d=0.3 m加固洞口两侧墙肢(图1),墙体YDW-2采用4对预应力钢筋18斜交叉加固洞口两侧墙肢,预应力钢筋与基础梁水平夹角分别为69°和66°,在圈梁顶部用M16化学螺栓锚固Q345B钢板,在钢板上表面垂直锚固预应力筋;预应力筋18(车M16螺纹)一端穿过偏出墙体钢板两侧的外侧孔洞(孔径20 mm),并用M18螺母拧紧预应力筋紧紧约束墙体。

开洞墙体的拟静力试验所得到的刚度Ki退化曲线如图8所示。由图8可以看出:相比斜交叉加固,垂直加固可以增大部分初始刚度;位移值较小时,墙体初始刚度均陡降,表明在采用体外预应力筋布置加固对墙体初始抗侧刚度影响较小;开裂后相比DW-1抗侧刚度下降最快,其后期抗侧刚度退化趋向平缓,表明在采用体外预应力加固下开裂后墙体能有效提高其较大的抗侧刚度,有利于开洞墙体抗震。从图8中还可以看出：墙体开裂后YDW-1和YDW-2的刚度明显高于DW-1,YDW-2的刚度略高于YDW-1,表明斜交叉加固的墙体能更有效延缓刚度衰减速度以及提高墙体后期整体刚度。

据相关资料表明，自我国加入WTO之后，原料价格逐渐降低，发展水平不断提升，出口量也在增加。但是，由于国外速冻科技的不断进步，各国之间出现了激烈的竞争，造成产品价格持续降低，利润也随之减少。

  

图2 加固细节Fig.2 Details of reinforcement

1.2 试件材料性能

砌筑墙体前分别对砂浆、烧结砖、锚固钢板、预应力筋、圈梁钢筋等试件进行基本力学性能试验,试件材料性能结果如表2所示。

W4#=0.6(0.6415,0.1279,0.7428,0.1056,0.0961)+0.4(0.2509,0.2159,0,0,0)T=(0.4853,0.1631,0.4457,0.0634,0.0577)T

 

表2 试件材料性能Table 2 Material properties of specimen

  

材料种类抗压强度/MPa屈服强度/MPa砂浆2 01—烧结砖10 4—12—355 66—286 118—431 98—325 4Q345B钢—496 3

1.3 加载装置和加载制度

各墙体的荷载-位移(P-Δ)滞回曲线如图6所示。从图6可以看出:对于开洞墙体DW-1的滞回曲线明显由最初的细长梭形向“S”形转变,相应的滞回环的面积也减小,表明墙体DW-1的抗剪强度不足,延性差,耗能能力较弱。而加固墙体YDW-1和YDW-2的滞回曲线均显著改善后期捏拢程度,每一级滞回环所包围面积增加,极限荷载和延性比普通墙体DW-1得到较大幅度提高,表明布置体外预应力筋能有效提高整体抗剪强度以及改善其变形能力。相比垂直加固，斜交叉加固墙体YDW-2的整体滞回环也最为饱满,表明斜交叉加固可以更有效改善墙体滞回能力和变形能力。

  

图3 加载装置Fig.3 Test set-up

  

图4 测点布置Fig.4 Distribution of observation points

2 结果与讨论

2.1 破坏形态及受力过程

  

图6 开洞墙体P-Δ滞回曲线Fig.6 P-Δ hysteretic loops of the walls with opening

  

图5 开洞墙体破坏形态Fig.5 Failure modes of walls with opening

各墙体的主要试验结果包括开裂荷载、极限荷载、延性系数等如表3所示。从表3可以看出:布置体外预应力筋加固墙体显著提高开裂荷载及抗剪强度,有利于延缓墙体开裂;YDW-1的开裂荷载和极限荷载比DW-1分别提高了57.7%、179.7%,YDW-2的开裂荷载和极限荷载比DW-1分别提高了32.0%、220.1%,开裂后承载力承担随之增大;在墙体极限状态下，YDW-2的极限荷载比YDW-1提高14.4%,表明开裂后斜交叉预应力筋产生类似水平配筋承担部分的抗剪承载力。

2.2 滞回曲线

本次拟静力试验在南京工业大学江浦校区土木实验室进行,加载装置如图3所示。首先竖向恒定荷载0.12 MPa由4个60 t液压千斤顶通过钢分配梁分级均匀施加。采用扭矩扳手拧紧螺帽从中间向两边对称施加预应力。试验先预加载水平荷载5 kN，墙体开裂前由50 t MTS电液伺服作动器按10 kN荷载值分级递增加载,每级加载循环1次。开裂后持续按开裂位移值倍数递增加载,每级位移值循环3次。整个加载过程中由光纤光栅表面位移计测量钢筋应变,测点布置如图4所示。

2.3 主要试验结果

整个试验过程中,砖墙体裂缝开展、屈服及破坏等受力过程大致相同,墙体前期均处于弹性工作状态。初始水平微裂缝一般均出现在墙体左侧上部第一、二层砖块之间;随着加载荷载的增大,墙肢两侧上下墙角斜裂缝逐渐发展,沿灰缝向墙体内部延伸,洞口底部两侧主斜向下裂缝和墙肢斜向内裂缝继续延伸、变宽,且伴有砂浆和砖块剥离的沙沙声,当加载位移值接近极限位移时,原有洞口斜裂缝继续扩大,墙体砖块出现局部破碎,最后墙体均发生剪切破坏。相比DW-1墙体开口下部剪切破坏,墙体YDW-1、YDW-2破坏状态更为相似,墙肢上部一侧剪切破坏;YDW-1在加载后期出现了上下墙角砖块破碎脱落较为严重,窗口下部阶梯裂缝较多,而墙体YDW-2破坏主要以墙肢主裂缝的加宽和延伸,各墙体破坏形态如图5所示。

2.4 骨架曲线

从图7开洞墙体的骨架曲线可以看出:虽然采用不同的加固方式,但两者骨架曲线变化相似,布置体外预应力筋加固开洞墙可以较大幅度地提高其抗剪强度、改善其后期变形能力。开裂前期,荷载值上升趋势基本相似,均以线性关系增大;墙体YDW-2的极限荷载大于墙体YDW-1，极限位移小于后者，表明布置预应力筋数量相同时，采用斜交叉加固方式要比垂直型的延性效果好。

加载过程中采用光纤光栅表面应变计记录每一个循环水平最大荷载对应的预应力筋应力值，如图1所示墙体一侧应变计从左至右依次编号为J-1、J-2、J-3、J-4。从图9可以看出:同类预应力筋应力变化趋势基本相似。在墙体开裂之前,YDW-1预应力筋应力基本以线性关系增大,YDW-2斜交叉筋在加载过程中处于张拉弛状态;墙体开裂之后,YDW-1外侧预应力筋应力增量较大,YDW-2同方向预应力筋变化大致相同;达到极限状态时,YDW-1、YDW-2外侧预应力筋的应力增量分别为146.15和154.73 MPa,YDW-1一侧预应力筋因墙体破坏而松弛造成应力降低,而与推拉作用方向相反的YDW-2预应力筋则处于受压状态。

 

表3 墙体主要试验结果Table 3 Summary of test results

  

墙体编号开裂荷载Pcr/kN开裂位移Δcr/mm屈服荷载Py/kN屈服位移Δy/mm极限荷载Pu/kN极限位移Δu/mm极限位移Δ0 85u/mmu=Δ0 85uΔyDW⁃137 8200 9645 591 7659 585 9606 9433 94YDW⁃159 6471 65107 363 91166 6715 10216 4944 21YDW⁃249 9361 33126 743 68182 7813 44215 8504 30

  

图7 开洞墙体骨架曲线Fig.7 Skeleton curves of the walls with opening

2.5 刚度退化

在锚固端基础梁上表面先用M22电钻头打孔,孔洞深度为300 mm,再清除孔洞灰尘,灌注1∶3的混合AB型结构胶,最后按照加固角度植入预应力筋的另一端,至少养护3 d后方可进行试验。张拉端和锚固端预应力加固细节如图2所示。

  

图8 开洞墙体刚度退化曲线Fig.8 Stiffness degradation curves of the walls with opening

2.6 预应力筋应力分析

天津土地综合承载力与区域经济发展系统整体效应、协调度均缓慢提高，协调发展度逐步加大。2001—2009年土地综合承载力与区域经济发展处于中度失调向轻度失调过渡状态，2010—2012年处于勉强协调向中度协调发展阶段，2013—2014年处于良好协调发展阶段。这表明天津市充分利用存量土地资源，不断增强土地利用整体规划意识，加大固体废物综合利用率，提高生活垃圾无害化处理率，加快经济增长方式向集约型转变，土地综合承载力与区域经济发展之间的协调程度逐步趋于良好状态。

针对苏区多山，河道狭窄且地形复杂的状况，刘少奇指示赣南省木船工会成立了河流修道委员会，由赣南省木船工会委员长王贤选兼任河流修道委员会主任。其首要任务是发动工人群众疏通瑞金河道，要求在第二次全苏大会前一个半月内完成任务。

3 结论

1) 在水平低周反复荷载作用下,加固后墙体均为剪压破坏形态,均表现为墙肢一侧上部被剪切破坏模式。

  

图9 预应力筋荷载-应力曲线Fig.9 Stress loops of the prestressing tendons

2) 体外预应力能够有效提高墙体的开裂荷载及其整体抗剪强度,改善其延性与滞回能力;墙体开裂后,体外预应力能够明显延缓其刚度退化速度,改善其整体变形能力。

3) 垂直加固方式能显著提高墙体的开裂荷载,试验设计、施工工艺相对简单实用,而斜交叉预应力加固方式可以更有效提高开洞墙体的极限荷载及后期抗侧刚度。

4) 目前试验虽然能成功对比两者加固效果的异同,但对于斜交叉预应力筋如何有效约束墙体以及张拉端锚固仍需进一步合理优化。

12月4日，该公司股东会已同意董事会上述第二条决议内容。此外，公司计划近期另行召开董事会聘任新的公司总经理。

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