落錘沖擊加固砌體填充墻的試驗(yàn)范文

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《自然災(zāi)害學(xué)報(bào)》2014年第二期

1墻體落錘沖擊試驗(yàn)

1．1落錘試驗(yàn)機(jī)湖南大學(xué)高性能落錘試驗(yàn)機(jī)如圖1示，試驗(yàn)機(jī)由鋼塔架、導(dǎo)軌、落錘、提升機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。其中導(dǎo)軌由外圍鋼塔架固定，落錘沿著導(dǎo)軌做自由落體運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生沖擊荷載。沖擊荷載的大小由落錘的質(zhì)量和高度決定。落錘質(zhì)量可通過增加或減少配重砝碼來調(diào)整，高度則通過提升機(jī)的升降調(diào)整。試驗(yàn)機(jī)基本技術(shù)指標(biāo)包括:最大沖擊落差16m，錘頭質(zhì)量124．2～824．2kg，最大沖擊能量130kJ。本試驗(yàn)中錘頭質(zhì)量取188kg。試驗(yàn)機(jī)有著完備的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng):落錘下落過程中，在即將與試件接觸時(shí)，會(huì)啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)，信號(hào)反饋至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)者的設(shè)定自動(dòng)采集所需要的數(shù)據(jù)。可測(cè)量的項(xiàng)目包括:落錘的沖擊速度、錘頭力的大小、試件測(cè)點(diǎn)的位移、沖擊過程的高速攝影等。其中落錘的速度是通過測(cè)定激光觸發(fā)經(jīng)過落錘上4．2cm反射條的時(shí)間計(jì)算確定的。沖擊力是通過貼在錘頭的應(yīng)變片來測(cè)量的，錘頭由高強(qiáng)鋼材制作而成，以確保在沖擊過程中錘頭處于彈性狀態(tài)，從而保證沖擊力測(cè)量的準(zhǔn)確性。其他數(shù)據(jù)如位移時(shí)程曲線，則是通過位移計(jì)直接連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)定的。由于應(yīng)變等指標(biāo)對(duì)砌體墻沖擊試驗(yàn)研究的結(jié)果分析影響較小，試驗(yàn)中未采集該數(shù)據(jù)。

1．2試件設(shè)計(jì)由于本試驗(yàn)主要研究的是填充墻的抗沖擊性能，這里忽略平面內(nèi)壓力的影響。墻體尺寸為1．04m×1m，砌體材料采用KP1型燒結(jié)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(cè)邊的約束，用于模擬水平方向較長(zhǎng)填充墻的一段，其承載能力要稍小于實(shí)際工程中的砌體填充墻。對(duì)于四邊約束的墻體將在后續(xù)的試驗(yàn)中加以考慮。在本次試驗(yàn)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(cè)留豎向空隙。上下兩端墻體內(nèi)側(cè)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(dāng)墻體發(fā)生破壞時(shí)，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(hù)機(jī)制。角鋼與混凝土外框采用螺栓錨固，螺栓直徑為10mm，螺桿長(zhǎng)度100mm，預(yù)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(zhì)后，用環(huán)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(shè)計(jì)如圖2示。

1．3材料強(qiáng)度多孔磚強(qiáng)度為10MPa，砂漿強(qiáng)度為5MPa。試驗(yàn)所采用的單向碳纖維布(CFRP)的極限抗拉強(qiáng)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(hù)膜彈性模量為200．2MPa，厚度2．6mm，延伸率250%，拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(測(cè)試溫度25℃，加載速度508mm/min)如圖3示。可見CFRP的強(qiáng)度和彈性模量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聚亞胺酯，而聚亞胺酯的延伸性能要遠(yuǎn)高于CFRP。

1．4加載方式落錘錘頭是一個(gè)直徑為200mm的鋼柱體，沖擊時(shí)荷載呈集中作用形式，很容易使墻體發(fā)生小面積的局部沖切破壞，而大多數(shù)墻體受到的沖擊荷載為均布作用荷載。為達(dá)到類似的效果，在墻體上表面放置一個(gè)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(gè)與鋼板尺寸相同的橡膠墊(3mm厚)，以避免沖擊時(shí)接觸剛度過大的問題。試驗(yàn)時(shí)由于無法預(yù)測(cè)墻體抗沖擊的能力，試驗(yàn)采取分級(jí)增加落錘的高度給墻體施加沖擊力，每個(gè)試件初次沖擊的高度為1．5m(根據(jù)試探性的墻體沖擊試驗(yàn)確定)，第2次沖擊則根據(jù)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(huì)發(fā)生彎曲變形，此時(shí)剛性墊塊會(huì)與墻體部分脫離，進(jìn)行第2次沖擊試驗(yàn)時(shí)在墊板對(duì)應(yīng)的墻面上用石英砂找平。如此反復(fù)，直至墻體失去防護(hù)能力。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1墻體沖擊試驗(yàn)現(xiàn)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(gè)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(xù)的小裂縫產(chǎn)生且數(shù)量較少，墻體下表面即貼碳纖維面墻體有較大裂縫產(chǎn)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(shí)觀察到角鋼錨固處墻體產(chǎn)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(cè)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(hù)膜有較大的局部變形，對(duì)應(yīng)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(hù)膜在角鋼部位局部變形加劇，對(duì)應(yīng)的上部墻體沿裂縫開裂破壞，該側(cè)墻體與框架連接失效，墻體中部防護(hù)膜出現(xiàn)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(hù)膜的防護(hù)機(jī)制，墻體保持了完整狀態(tài)，并未出現(xiàn)坍塌破壞或砌體離散現(xiàn)象，防護(hù)膜中部出現(xiàn)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(hù)膜角鋼一側(cè)局部變形較大而未開裂，另外一側(cè)有1/3長(zhǎng)度的防護(hù)膜撕裂，防護(hù)膜中部有兩道撕裂的小口子，長(zhǎng)度在15cm左右，如圖9。

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

2．3試驗(yàn)結(jié)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(dá)臨界破壞狀態(tài)。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(xiàn)明顯的破壞特征，在1．0m的2次沖擊作用下，墻體均發(fā)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(qiáng)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(qiáng)度。(2)加固材料的防護(hù)能力在發(fā)生爆炸沖擊時(shí)，砌體墻的承載能力弱，常常產(chǎn)生高速飛散的碎塊，從而導(dǎo)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(tǒng)能夠防砌體碎塊飛散的富余承載能力。通過后續(xù)的分級(jí)加載，結(jié)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(hù)膜系統(tǒng)防止了墻體的整體坍塌，防護(hù)膜與墻體有效的粘接保證砌塊不會(huì)產(chǎn)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(dǎo)致CFRP固化，2．0m沖擊高度下會(huì)發(fā)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(hù)膜會(huì)撕裂，墻體可能整體倒塌，但碎塊不會(huì)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(fā)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(cè)剪切破壞，此時(shí)墻體已經(jīng)從未加固墻的彎曲破壞轉(zhuǎn)為剪切變形、破壞。聚亞胺酯加固墻體呈現(xiàn)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(chǎn)生的變形，大于CFRP加固砌體墻。(4)局部應(yīng)力由于墻體中部受到由落錘傳至鋼板的直接沖擊，應(yīng)力波從沖擊面直接滲透到防護(hù)面，導(dǎo)致在墻體中部應(yīng)力較大，出現(xiàn)了CFRP的斷裂凸起和聚亞胺酯的部分撕裂現(xiàn)象。應(yīng)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(xù)時(shí)間(3～5ms)與荷載時(shí)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(fā)生，使墻體的整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(fā)生時(shí)沖擊超壓會(huì)擠壓部分迎爆面的砌體，產(chǎn)生很多碎塊。從上述的試驗(yàn)結(jié)果分析可見，落錘沖擊試驗(yàn)作為現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)之間的一種折中手段，為開展建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗爆研究具有一定的意義。它一方面可以用來對(duì)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(shù)值模擬結(jié)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，根據(jù)落錘試驗(yàn)準(zhǔn)確確定墻體的抗爆承載力還相當(dāng)困難，它受到試件尺寸、重力效應(yīng)、錘頭力擴(kuò)散、落錘加載制度等多種因素的影響。此次試驗(yàn)中我們主要以落錘沖擊高度作為抗爆承載力的間接指標(biāo)，來定性分析試驗(yàn)結(jié)果，了解加固材料的抗爆加固效果。

3結(jié)論

本文通過對(duì)加固和未加固砌體墻的落錘沖擊試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論:(1)CFRP和聚亞胺酯的加固對(duì)于墻體承載力都有一定程度的提高，同時(shí)墻體的破壞模式也發(fā)生了改變，由未加固砌體墻的塑性鉸式彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐摹?2)角鋼－防護(hù)膜系統(tǒng)、防護(hù)膜與墻體有效粘接能夠保證墻體的整體性，防護(hù)膜即加固材料的選取對(duì)于防護(hù)能力的提高有較大影響，其中聚亞胺酯防護(hù)膜要優(yōu)于CFRP布。(3)沖擊導(dǎo)致的剪切變形和局部應(yīng)力波的滲透，要求墻體抗爆加固材料應(yīng)具有較強(qiáng)的抗撕裂性能。(4)在進(jìn)行砌體填充墻抗爆設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)不能進(jìn)一步提高加固墻體的破壞荷載時(shí)，如何增加富余的防護(hù)能力，如防碎片飛散等，是以后工程運(yùn)用中要考慮的重要問題。

作者：喻忠操郭玉榮單位：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室