落錘沖擊加固砌體填充墻的試驗范文

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《自然災害學報》2014年第二期

1墻體落錘沖擊試驗

1．1落錘試驗機湖南大學高性能落錘試驗機如圖1示，試驗機由鋼塔架、導軌、落錘、提升機和數據采集系統等組成。其中導軌由外圍鋼塔架固定，落錘沿著導軌做自由落體運動，從而產生沖擊荷載。沖擊荷載的大小由落錘的質量和高度決定。落錘質量可通過增加或減少配重砝碼來調整，高度則通過提升機的升降調整。試驗機基本技術指標包括:最大沖擊落差16m，錘頭質量124．2～824．2kg，最大沖擊能量130kJ。本試驗中錘頭質量取188kg。試驗機有著完備的數據收集系統:落錘下落過程中，在即將與試件接觸時，會啟動觸發信號，信號反饋至數據采集系統后，系統根據試驗者的設定自動采集所需要的數據。可測量的項目包括:落錘的沖擊速度、錘頭力的大小、試件測點的位移、沖擊過程的高速攝影等。其中落錘的速度是通過測定激光觸發經過落錘上4．2cm反射條的時間計算確定的。沖擊力是通過貼在錘頭的應變片來測量的，錘頭由高強鋼材制作而成，以確保在沖擊過程中錘頭處于彈性狀態，從而保證沖擊力測量的準確性。其他數據如位移時程曲線，則是通過位移計直接連接至數據采集系統測定的。由于應變等指標對砌體墻沖擊試驗研究的結果分析影響較小，試驗中未采集該數據。

1．2試件設計由于本試驗主要研究的是填充墻的抗沖擊性能，這里忽略平面內壓力的影響。墻體尺寸為1．04m×1m，砌體材料采用KP1型燒結多孔磚240mm×115mm×90mm。外框由混凝土澆筑而成，配筋為4A18的鋼筋，箍筋為A8@100。墻體考慮上下兩端的約束作用，而不考慮兩側邊的約束，用于模擬水平方向較長填充墻的一段，其承載能力要稍小于實際工程中的砌體填充墻。對于四邊約束的墻體將在后續的試驗中加以考慮。在本次試驗中墻體的上下兩端與混凝土框架之間用砂漿填充，墻體兩側留豎向空隙。上下兩端墻體內側用兩根50mm×6mm的等邊角鋼作為支撐，角鋼的主要作用是將加固材料錨固到框架上，當墻體發生破壞時，使得加固材料能夠防止墻體的整體倒塌和散塊的飛出，形成良好的防護機制。角鋼與混凝土外框采用螺栓錨固，螺栓直徑為10mm，螺桿長度100mm，預埋深度75mm，螺栓的間距20cm。墻體上表面用水泥砂漿找平，墻體下表面打磨完浮質后，用環氧樹脂膠粘貼加固材料。試件包括4片墻體:1片未加固的墻體，1片CFRP加固砌體墻和2片聚亞胺酯加固砌體墻。墻體設計如圖2示。

1．3材料強度多孔磚強度為10MPa，砂漿強度為5MPa。試驗所采用的單向碳纖維布(CFRP)的極限抗拉強度為2159．3MPa，名義厚度0．11mm，彈性模量220GPa，延伸率為1%～1．7%。聚亞胺酯防護膜彈性模量為200．2MPa，厚度2．6mm，延伸率250%，拉伸應力應變曲線(測試溫度25℃，加載速度508mm/min)如圖3示。可見CFRP的強度和彈性模量要遠遠高于聚亞胺酯，而聚亞胺酯的延伸性能要遠高于CFRP。

1．4加載方式落錘錘頭是一個直徑為200mm的鋼柱體，沖擊時荷載呈集中作用形式，很容易使墻體發生小面積的局部沖切破壞，而大多數墻體受到的沖擊荷載為均布作用荷載。為達到類似的效果，在墻體上表面放置一個分散錘頭集中力的剛性墊塊:尺寸為50．3cm×57cm，厚度為3cm的鋼板。鋼板下方放置一個與鋼板尺寸相同的橡膠墊(3mm厚)，以避免沖擊時接觸剛度過大的問題。試驗時由于無法預測墻體抗沖擊的能力，試驗采取分級增加落錘的高度給墻體施加沖擊力，每個試件初次沖擊的高度為1．5m(根據試探性的墻體沖擊試驗確定)，第2次沖擊則根據第1次的沖擊效果確定沖擊高度，由于第1次沖擊后，墻體會發生彎曲變形，此時剛性墊塊會與墻體部分脫離，進行第2次沖擊試驗時在墊板對應的墻面上用石英砂找平。如此反復，直至墻體失去防護能力。

2試驗結果與分析

2．1墻體沖擊試驗現象(1)未加固砌體墻在1．5m的沖擊高度下，裂縫貫通墻體的上下表面，將墻體分成4個大塊，呈塑性鉸線破壞形式，有砌體碎塊飛濺，如圖4示。(2)CFRP加固砌體墻在1．5m的沖擊高度下，墻體的沉降位移為8．8mm。墻體上表面，有不連續的小裂縫產生且數量較少，墻體下表面即貼碳纖維面墻體有較大裂縫產生，但墻體上下兩面的裂縫并未貫通。CFRP呈“)(”形沿墻體高度方向撕裂，且中間小塊碳纖維斷裂凸起，使墻體上的碎屑飛散，同時觀察到角鋼錨固處墻體產生由下自上的斜裂縫，如圖5示。在1．0m的2次沖擊作用下，墻體幾何中心處位移沉降最大，墻體上表面一側砌體有粉碎性破壞，該處碳纖維斷裂，有較多碎塊飛出。(3)聚亞胺酯加固砌體墻(第1片)在1．5m的沖擊高度下，墻體的沉降位移為11．6mm。角鋼錨固處的聚亞胺酯防護膜有較大的局部變形，對應的上方砌體成45度角開裂延伸至沖擊面，如圖6。在1．0m高的第2次沖擊作用下，防護膜在角鋼部位局部變形加劇，對應的上部墻體沿裂縫開裂破壞，該側墻體與框架連接失效，墻體中部防護膜出現了小面積撕裂，如圖7。在1．0m高的第3次沖擊作用下墻體與框架脫離，但由于角鋼—防護膜的防護機制，墻體保持了完整狀態，并未出現坍塌破壞或砌體離散現象，防護膜中部出現大范圍的撕裂，有少量碎屑飛出，如圖8。(4)聚亞胺酯加固砌體墻(第二片)在2．5m的沖擊高度下，沖擊面墻體呈沖切破壞，防護膜角鋼一側局部變形較大而未開裂，另外一側有1/3長度的防護膜撕裂，防護膜中部有兩道撕裂的小口子，長度在15cm左右，如圖9。

2．2沖擊力時程曲線圖10所示是未加固砌體墻的沖擊力－時間曲線，從圖中可以觀察到，當錘頭和墻體接觸瞬間，會出現一個荷載峰值，墻體會在這個峰值荷載作用下變形，此時錘頭并未脫離墻體，而是隨著墻體向下移動，荷載也會出現“V”形的變化趨勢。當錘頭與墻體脫離時，荷載達到此次沖擊的最大值，之后沖擊力保持下降趨勢。

2．3試驗結果分析(1)墻體承載力未加固墻體在1．5m的沖擊高度下，到達臨界破壞狀態。CFRP加固砌體墻和聚亞胺酯加固砌體墻在1．5m的1次沖擊作用下，沒有出現明顯的破壞特征，在1．0m的2次沖擊作用下，墻體均發生了破壞。兩種加固材料都在一定程度上的提高了墻體平面外的承載能力。由于兩種材料都有足夠的抗拉強度，所以墻體本身(不包含加固材料)的破壞取決于砌體本身的抗壓抗剪強度。(2)加固材料的防護能力在發生爆炸沖擊時，砌體墻的承載能力弱，常常產生高速飛散的碎塊，從而導致人身安全事故。這里我們還需考慮墻體平面外失去承載能力后，加固系統能夠防砌體碎塊飛散的富余承載能力。通過后續的分級加載，結合墻體的完整度、砌塊的破壞程度和加固材料撕裂的程度分析可知，角鋼—防護膜系統防止了墻體的整體坍塌，防護膜與墻體有效的粘接保證砌塊不會產生離散破壞。CFRP加固墻能夠承受的一次沖擊高度近似在2．0m，CFRP由于延性不足，加上與浸漬膠的浸透導致CFRP固化，2．0m沖擊高度下會發生脆斷破壞，不能防止碎塊飛出。聚亞胺酯加固墻能夠承受的一次沖擊高度近似在3．0m，該沖擊高度下聚亞安酯防護膜會撕裂，墻體可能整體倒塌，但碎塊不會或少量飛出。(3)破壞模式未加固墻體在1．5m高度作用沖擊下，發生了塑性鉸線式的破壞。CFRP加固墻體1．5m高度沖擊作用下，靠近框架的3層砌塊的平均下沉位移為8．5mm，中部砌塊的下沉位移為9．4mm。第2次沖擊作用下，墻體一側剪切破壞，此時墻體已經從未加固墻的彎曲破壞轉為剪切變形、破壞。聚亞胺酯加固墻體呈現了和CFRP加固墻體一樣的破壞模式，同樣的高度下，由剪切而產生的變形，大于CFRP加固砌體墻。(4)局部應力由于墻體中部受到由落錘傳至鋼板的直接沖擊，應力波從沖擊面直接滲透到防護面，導致在墻體中部應力較大，出現了CFRP的斷裂凸起和聚亞胺酯的部分撕裂現象。應力波傳播的不同步和沖擊力的不均勻，也是落錘不同于爆炸荷載的特征。(5)沖擊力荷載落錘沖擊荷載在墻體上的持續時間(3～5ms)與荷載時程曲線和爆炸沖擊波有著一定的相似性。通過墊板來分散錘頭的集中沖擊力，避免了小面積局部沖切破壞的發生，使墻體的整體動態響應和破壞模式與爆炸荷載有類似的效果，不同的是爆炸荷載發生時沖擊超壓會擠壓部分迎爆面的砌體，產生很多碎塊。從上述的試驗結果分析可見，落錘沖擊試驗作為現場爆炸試驗和靜力試驗之間的一種折中手段，為開展建筑結構構件的抗爆研究具有一定的意義。它一方面可以用來對比加固和未加固墻體的抗爆能力，另一方面可以用來校核數值模擬結果。但由于沖擊荷載和爆炸荷載之間的差異，目前尚無可行的理論方法進行轉換，根據落錘試驗準確確定墻體的抗爆承載力還相當困難，它受到試件尺寸、重力效應、錘頭力擴散、落錘加載制度等多種因素的影響。此次試驗中我們主要以落錘沖擊高度作為抗爆承載力的間接指標，來定性分析試驗結果，了解加固材料的抗爆加固效果。

3結論

本文通過對加固和未加固砌體墻的落錘沖擊試驗研究，得出以下結論:(1)CFRP和聚亞胺酯的加固對于墻體承載力都有一定程度的提高，同時墻體的破壞模式也發生了改變，由未加固砌體墻的塑性鉸式彎曲破壞轉變為剪切破壞。(2)角鋼－防護膜系統、防護膜與墻體有效粘接能夠保證墻體的整體性，防護膜即加固材料的選取對于防護能力的提高有較大影響，其中聚亞胺酯防護膜要優于CFRP布。(3)沖擊導致的剪切變形和局部應力波的滲透，要求墻體抗爆加固材料應具有較強的抗撕裂性能。(4)在進行砌體填充墻抗爆設計時，當不能進一步提高加固墻體的破壞荷載時，如何增加富余的防護能力，如防碎片飛散等，是以后工程運用中要考慮的重要問題。

作者：喻忠操郭玉榮單位：湖南大學土木工程學院建筑安全與節能教育部重點實驗室