高延性混凝土加固砌体结构受压性能试验研究

' 西安建筑科技大学硕士学位论文高延性混凝土加固砌体结构受压性能试验研究专业:建筑与土木工程硕士生:余志平指导老师:董振平高工邓明科教授摘要砌体结构在我国的历史较悠久且分布广泛。砌体结构主要缺点有自重大、整体性差、抗拉强度低等。因此需对大批既有的砌体结构进行加固。高延性混凝土（HDC）是一种具有高强度、高延性、受拉应变硬化和多裂缝开展等特点的新型结构材料。采用HDC作为加固材料，具有施工方便、节省材料、综合造价低等明显优势，为砌体结构加固开辟了新途径。在课题组前期研究的基础上，本文对HDC面层加固砖砌体长柱及砖墙的受压性能进行试验研究和理论分析。本文主要内容有:（1）采用HDC加固砖砌体构件，设计制作了16组试件，包括6根短柱、33根长柱和9片砖墙。通过对HDC加固砖砌体组合试件进行静力加载试验，考虑不同高厚比、加固方式及偏心距等参数，对砖砌体试件的受力性能、破坏形态以及荷载和挠度分布规律等进行研究。试验表明采用HDC加固效果良好，能够显著提高砖砌体的承载能力和整体性。（2）基于HDC加固砖砌体组合试件受压试验结果，考虑HDC面层与砖砌体共同作用。对HDC加固砖砌体组合试件进行正截面承载力分析，给出试件在轴心受压和偏心受压情况下的正截面承载力的计算公式，试验值与计算值吻合良好。（3）考虑加固后构件受到二次受力的影响与初始应力水平有关。根据砖砌体与HDC加固材料的应力-应变关系，分析加固后两种材料的极限状态，给出构件二次受压强度影响系数的确定方法及受压承载力的计算公式。关键词:高延性混凝土（HDC）；砖砌体构件；破坏形态；抗压加固；承载力；二次受力；论文类型:应用基础研究基金项目:陕西省青年科技新星项目（2015KJXX-31） 西安建筑科技大学硕士学位论文ExperimentalStudyonCompressiveBehaviorofBrickMasonryStructuresStrengthenedwithHighDuctileConcreteSpecialty:architecturalandcivilengineeringName:YuZhipingInstructor:Engineeringprof.DongZhenpingProf.DengMingkeABSTRACTMasonrystructurehasalonghistoryandextensivedistribution.Themasonrystructurehasthedisadvantagesofheavyweight,poorintegrity,lowtensilestrengthandsoon,soalargenumberofearlymasonrystructuresneedtobestrengthened.Highductileconcrete(HDC)isanewtypeofstructuralmaterialwhichhasthecharacteristicsofhighstrength,highductility,tensilestrainhardeningandmultimicro-crackspropagation.HDCusedasareinforcingmaterialwitheasyconstruction,materialsaving,lowcomprehensivecostandotherobviousadvantages,whichprovidesanewapproachtothereinforcementofmasonrystructure.Inthispaper,thecompressivepropertiesofreinforcedbrickmasonrycolumnsandbrickwallwithHDCsurfacelayerarestudiedandanalyzedtheoreticallyonthebasisofthepreviousresearchgroup.Themaincontentsofthispaperareasfollows:（1）16groupsofspecimensweremadebystrengtheningbrickmasonrystructurewithHDCsurfacelayer.including6shortcolumns,33longcolumnsand9brickwalls.ThecompositebrickmasonrystructuresreinforcedwithHDCwasdesignedandtestedunderthestaticloading,consideringthedifferentdepth-thicknessratio,strengtheningmodes,anddifferenteccentricityparameters,themechanicalproperties,failuremodesandthedistributionofload-deflectionofspecimensareanalyzed.TheresultsshowthattheHDCreinforcementeffectisgood,whichcansignificantlyimprovethebearingcapacityandtheintegrityofthecomponent.（2）BasedonthetestandanalysisofmechanicalpropertiesofbrickmasonrystructuresstrengthenedwithHDC,consideringtheinteractionofHDCsurfacelayerandbrickmasonry.Atheoreticalformulaaboutbearingcapacityofaxialcompressionand 西安建筑科技大学硕士学位论文eccentriccompressionforcompositebrickmasonrystructuresreinforcedwithHDCwereproposed.,thetheoreticalvaluesareingoodagreementwiththeexperimentalvalues.（3）Consideringtheeffectofsecondaryloadonstrengtheningisrelatedtotheinitialstresslevel.Accordingtothestress-strainrelationtoanalyzethelimitstateofthetwomaterialsafterstrengthened,theinfluencecoefficientofsecondaryloadandformulaforcalculatingthebearingcapacityofcomponentsisderived.Keywords:HighDuctileConcrete(HDC);brickmasonrystructure;failuremodes；compressivestrengthening;bearingcapacity;secondaryloaded；PaperType:AppliedBasicResearchFundItems:ShaanxiYouthScienceandtechnologynewstarproject（2015KJXX-31） 西安建筑科技大学硕士学位论文目录第1章绪论..................................................................................................................11.1砌体结构研究与现状........................................................................................11.2高延性混凝土基本性能及研究现状................................................................21.2.1高延性混凝土的研究.............................................................................31.2.2高延性混凝土的性能.............................................................................41.3高延性混凝土加固砖砌体结构研究现状........................................................51.4本文的研究内容................................................................................................6第2章HDC加固砖砌体组合柱受压性能试验研究................................................92.1引言....................................................................................................................92.2试件设计施工与制作........................................................................................92.2.1试件设计.................................................................................................92.2.2试件制作与养护...................................................................................142.3试验的材料性能试验.....................................................................................152.3.1钢筋与对拉螺栓材料性能试验...........................................................152.3.2砖块抗压强度.......................................................................................162.3.3砂浆和HDC试块强度.........................................................................162.4试验装置及加载方式.....................................................................................172.4.1试验装置...............................................................................................172.4.2加载方式及试件对中...........................................................................182.5试验测试方案..................................................................................................192.6试验现象..........................................................................................................202.6.1砖柱轴压试验破坏过程及破坏形态...................................................202.6.2砖柱偏压试验破坏过程及破坏形态...................................................332.6.3破坏机理..............................................................................................412.7试验结果分析..................................................................................................432.7.1承载力分析...........................................................................................432.7.2竖向应变分析.......................................................................................452.7.3荷载-竖向应变曲线分析......................................................................462.7.4荷载-挠度曲线分析..............................................................................49I 西安建筑科技大学硕士学位论文2.7.5HDC面层、钢筋和对拉螺栓应变曲线分析......................................512.8本章小结..........................................................................................................55第3章HDC加固砖砌体组合砖墙轴心受压性能试验研究...................................573.1引言...................................................................................................................573.2试件设计施工与制作.......................................................................................573.2.1试件设计................................................................................................573.2.2试件制作与养护....................................................................................593.3试验的材料性能试验......................................................................................593.4试验装置及加载方式......................................................................................603.4.1试验装置................................................................................................603.4.2加载方式及测试内容............................................................................603.5试验现象及结果分析.......................................................................................613.5.1试验现象................................................................................................613.5.2承载力分析............................................................................................683.5.3轴向应变分析........................................................................................693.5.4荷载-轴向应变曲线分析.......................................................................693.5.5加固层作用机理分析............................................................................713.6HDC面层应变和对拉螺栓应变.....................................................................713.7本章小结..........................................................................................................73第4章HDC加固砖砌体组合试件正截面承载力计算...........................................754.1引言...................................................................................................................754.2砖砌体的力学性能...........................................................................................754.2.1砖砌体的抗压强度计算公式................................................................754.2.2砖砌体受压应力-应变曲线...................................................................764.3对比试件承载力计算.......................................................................................774.3.1砌体受压时承载力的影响系数...........................................................774.3.2对比试件正截面受压承载力的计算...................................................774.4组合砌体计算模型...........................................................................................784.5HDC加固砖砌体组合试件正截面承载力计算.............................................814.5.1材料的本构模型...................................................................................814.5.2材料强度利用系数................................................................................83II 西安建筑科技大学硕士学位论文4.5.3HDC加固砖砌体组合试件轴压承载力计算......................................874.5.4HDC加固砖砌体组合试件偏压承载力计算......................................884.5.5HDC加固砖砌体组合长柱受压承载力理论值与试验值对比分析..934.6本章小结..........................................................................................................93第5章初始应力比对加固后试件承载力的影响....................................................955.1引言.................................................................................................................955.2结构加固的受力特征......................................................................................955.3加固砖柱极限状态分析..................................................................................965.4初始应力指标控制.........................................................................................975.5HDC面层加固后承载力计算公式.................................................................985.5.1材料的应力-应变曲线选取..................................................................985.5.2加固受后构件的受力状态及承载力计算方法................................1005.6本章小结........................................................................................................104第6章结论与展望..................................................................................................1056.1结论................................................................................................................1056.2展望...............................................................................................................106参考文献......................................................................................................................107致谢..............................................................................................................................113III 西安建筑科技大学硕士学位论文第1章绪论1.1砌体结构研究与现状1.国内外砌体结构的发展砌体结构是指由块体和砂浆砌筑而成的墙、柱作为建筑物主要受力构件的结构。是砖砌体、砌块砌体和石砌体结构的统称[1]2。砌体结构在我国各类建筑中占有十分重要的位置。我国砌体结构中砖、石砌体结构发展历史尤为悠久，如辽宁西部有五千多年历史的石砌围墙遗址和女神庙遗址等[2]。驰名中外的万里长城[3]、河南登封的嵩岳寺塔、河北赵县的安济桥[4]等，还有大雁塔和小雁塔是唐代佛寺建筑的遗存[5]。为悠久的中华历史增添了许多异彩。新中国成立以来，经济迅猛增长，砌体结构的发展由缓慢转为快速，建筑材料得到不断的创新和发展，在实践与理论研究方面成就显著[4][6]。在国外，砌体结构的典型也不胜枚举。如埃及金字塔，举世闻名的三大金字塔是埃及金字塔的黄金时代的标志[7]。古罗马和古希腊也保存了大量的古代砌体结构，如角斗场、比萨斜塔和Civict塔[8-9]等，都是古代人民应用砌体结构的典范。19世纪20年代，水泥的发现大大提高了砂浆的强度，使得砖砌体结构进一步的快速发展。2.砌体结构的优缺点及应用范围砌体结构的优点主要包括:1）块材在自然界大量存在，便于就地取得且价格便宜；2）具有良好的耐火和耐久性，保温、隔热性能好，节能效果明显；3）施工方法简单方便，具有较好的连续施工性能；4）可采用配筋砌体结构来提高强度或改善砌体结构的延性，抗震性能较好[10]。由于砌体结构具有以上诸多特点，在我国曾得到广泛的应用，尤其是建国以来，砌体结构发展迅速。民用建筑如住宅、办公楼等大量采用砖墙承重，公共建筑如影剧院、食堂等以及工业建筑如中小型单层厂房和多层的轻工业厂房也广泛采用砌体结构[11]。据统计，1980年全国砖的年产量为1566亿块，1966年增至6200亿块，为世界其他各国砖年产量的总和，全国基本上建设中采用砌体作为墙体材料占90%以上[12]。同时，砌体结构也存在着诸多缺点:1）砖砌体强度较低，自重大，不利于抗震[10]；2）砖块材料呈脆性，抗裂性差，整体性差；3）采用手工砌筑，砌筑工作繁重，施工质量离散；4）砌体结构的抗拉、抗弯和抗剪强度均较低，抗震性能较1 西安建筑科技大学硕士学位论文差；5）生产大量粘土砖，对土地资源耗用很大[13-14]。3.砌体结构的加固由于建造年代比较久远及当时的设计水平有限等原因，结构存在着明显不足，整体性差且建筑水平承载力薄弱，抗震性能很差，结构老化严重，地震中破坏率很高。故在抗震鉴定的基础上，综合经济和安全因素，对大批早期的砌体结构进行加固改造，提高砌体结构的使用寿命和抗震能力。在我国，国家用于建筑物维修、加固、改造的费用正在逐年增加，“一五”期间的更新改造资金已达到同期建设投资的4.2%，而且到了“七五”期间已经达到了54%[15]。大批旧砌体结构需要进行加固改造，以及在使用过程中建筑功能的改变（如改建或扩建等）使原有房屋承载力不足等，使得旧砖砌体结构的维修加固规模不断扩大。对于新建砌体结构，由于设计构造不当或施工失误等引起建筑破坏等也需进行修复和加固[16-17]。目前，我国传统的砌体加固方法有以下几种[18]:1）增大截面法；2）扶壁柱加固法；3）增设钢筋网砂浆或混凝土面层法；4）外包钢加固法；5）压力灌浆法；6）托梁加垫法；7）托梁换柱法[19]；8）增加预应力撑杆法；9）增设钢拉杆法。上述这些传统的加固方法同时也存在着许多缺点:1）施工工序复杂、周期长，对生产和生活具有一定的影响。2）加固后在不同程度上损伤原结构，减小原有建筑空间，影响建筑物的使用功能及美观；3）加固费用较高，后期需采用较高的防护办法。针对上述加固方法存在的不足之处，本课题组采用高延性混凝土（HDC）对砌体结构进行加固。高延性混凝土加固砌体结构，是利用高延性混凝土的高韧性、高抗裂性及高耐损伤能力的特性，提高砌体结构的承载力、变形能力（延性）和整体性的一种加固方法。此方法对原建筑空间的影响较小，可以延长结构的使用寿命，减少甚至免去强震后修复的工作，节约加固的成本。1.2高延性混凝土基本性能及研究现状高延性水泥基复合材料（EngineeredCementitiousComposite，简称ECC）是一种低纤维体积掺量，利用普通混凝土制作工艺可以加工成型的以非连续的短纤维或连续的长纤维做增强材料组成的高性能复合材料[20]。最先从初期纤维增强混凝土[21]开始理论研究一直到纤维增强无机胶凝材料的机理[22]首次应用复合材料进行了理论探讨，之后此种材料在众多学者的研究和工程应用下[23-25]，在建筑结构中2 西安建筑科技大学硕士学位论文开始大量的使用。对于这种新材料，本课题组将其命名为高延性纤维混凝土（HighDuctileConcrete，简称HDC）。1.2.1高延性混凝土的研究ECC最早是由美国Michigan大学的V.C.Li教授提出的，在20世纪90年代早期开展研究了聚乙烯醇纤维水泥基复合材料(PVA-ECC)，PVA-ECC通常是以粒径较小的胶凝材料作为基体，用PVA纤维做增强材料(体积掺量≤2%)，具有应变-硬化特性。PVA-ECC具有高韧性和高延性的特点，其拉应变值可大于3%，且在拉伸应力作用下具有多裂缝开展的特征[26-27]。Y.M.Lim和V.C.Li[28]通过试验得出，ECC高延性混凝土在相同的条件下，延性和韧性最好，且对裂缝起到很好的控制作用。V.C.Li和S.Wang等[29]指出基于性能设计的方法可以使PVA-ECC材料具有拉伸应变-硬化特征。T.Matsumoto和P.Suthiwarapirak等[30]通过四点弯曲疲劳试验得出:PVA-ECC具有较长的疲劳寿命并且具有很好的疲劳延性，破坏时呈现出多裂缝开展状态。V.C.Li和ZhangJ[31]等研究结果表明:PVA-ECC做修补面层可以提高混凝土的开裂荷载以及降低路面的开裂破坏现象。V.C.Li和TetsuoHorikoshi等[32]通过改变纤维掺量对PVA-ECC的耐久性进行了研究，试验结果表明PVA-ECC材料有具有良好的耐久性。我国对ECC的研究起步较晚，对ECC材料的研究方向也主要集中在其基本性能和基础理论的研究上，近几年也逐渐有研究人员将其应用至结构构件的研究和实际工程应用中，并且取得了较好的成果。庞超明等[33]从材料配合比设计入手，研究了粉煤灰、砂胶比等对高延性水泥基复合材料（HDCC）力学性能的影响，优化了特定材料下的材料制备技术。蔡向荣[34]进行了超高韧性水泥基复合材料单轴受压韧性试验测定与评价，建立了UHTCC的抗压韧性评价标准。田砾等[35]通过四点弯曲试验得出了不同配合比和不同加载速率应变硬化水泥基复合材料(PVA-SHCC)的力-变形曲线，试验结果表明:当加载速率逐渐降低时，微裂缝条数明显增多，同时材料表现出良好的应变硬化特征。梁兴文等[36-38]提出了具有高强度且极限变形量满足实际工程需要的PVA-ECC材料的配合比和制备工艺，进行了ECC材料单轴受压/拉应力-应变全曲线的试验测定与分析，提出了适合ECC构件正截面承载力计算和结构非线性分析的计算模3 西安建筑科技大学硕士学位论文型；通过对实测的应力-应变全曲线进行合理简化，给出了相应的抗拉本构方程；还提出ECC三轴受压状态下的破坏准则和本构方程。邓明科、刘海勃等[39]通过对HDC材料进行单轴受压试验研究，得出了HDC材料抗压韧性的评价指标，并将纤维对基体的约束作用与箍筋的约束作用进行等效分析，得出HDC变形能力的定量评价指标。1.2.2高延性混凝土的性能ECC按掺合纤维的类型可分为聚乙烯纤维（Polyethylene，PE）ECC、聚丙烯（Polypropylene，PP）ECC和聚乙烯醇纤维（PolyvinylAlcohol，PVA）ECC、混杂纤维ECC等。目前最广泛的是采用聚乙烯醇纤维PVA作为增强材料的PVA-ECC[40]。与普通混凝土相比，其主要有以下性能特点:（1）力学性能与普通混凝土相比较，ECC高延性混凝土的优点主要集中在拉伸应变硬化（图1.1）、弯曲（图1.2、图1.3）、抗剪等力学性能方面。试验表明，ECC具有良好的抗损伤能力[41]，受水平拉伸应力作用后的裂缝宽度较小。结构中使用ECC高延性混凝土表现出剪应力作用下的高延性和韧性、良好的耗能能力及结构整体性[42-43]；由于ECC高延性混凝土有优良的延性和韧性[44-46]，钢筋混凝土结构中箍筋的数量可以适当的减少甚至取消[47]。另外，在冲击荷载作用下，ECC高延性混凝土也具有很好的抗剪性能[48]。5L-1L-24L-33/MPa力应2弹性屈服阶段下降阶段1阶段00.00.20.40.60.81.0单轴拉伸应变/%图1.1HDC单轴拉伸应力-应变曲线和多裂缝分布情况[49]4 西安建筑科技大学硕士学位论文图1.2HDC弯梁弯曲变形[37]图1.3HDC薄板弯曲变形[50]（2）耐久性能有试验表明，ECC试件受力破坏后表面的裂缝宽度可控制在50μm左右。其裂缝的宽度却只有普通混凝土的五分之一。疲劳荷载作用下的弯曲性能与PE、钢纤维对比发现，其变形能力更大，且裂缝条数随着应力水平提高不断增加[51]。因此，当用ECC高延性混凝土取代部分普通混凝土时，混凝土的干缩和疲劳扩展裂缝、水和氯离子等有害物质渗透到钢筋表面导致钢筋锈蚀[52]及保护层剥落、抗冻融循环能力[53]等问题，均能够得到减缓甚至避免。ECC高延性混凝土因其良好的受拉延性和韧性以及微裂缝控制性能都使其具有良好的耐久性。1.3高延性混凝土加固砖砌体结构研究现状西安建筑科技大学高晓军等[54]。对ECC面层加固砖砌体墙的抗震性能进行了研究，结果表明，加固后砖墙的开裂荷载、极限抗剪承载力、极限位移等比加固前有了较大幅度提高，并且墙体的延性得到了改善、耗能能力增强。因此，加固后墙体的抗震性能得到了提高。西安建筑科技大学樊鑫淼等[49]89。对5组共15个砖砌体柱进行轴心受压加载试验，研究分析了ECC面层加固后砖砌体柱的承载力和轴向变形性能，提出了ECC面层加固砖柱的轴压承载力计算方法。对砖砌体窗间墙进行抗震加固，分析ECC面层加固砖砌体窗间墙的效果，给出了5片砖砌体墙对应的抗弯承载力计算方法。对课题组前期的ECC面层加固砖砌体墙试验进行了较为全面的理论分析，分别推导了对应的砖砌体墙抗剪承载力和初始刚度计算方法。西安建筑科技大学范丽玮等[55]。对11个砖砌体短柱进行轴心受压试验研究，用HDC高延性混凝土面层对低强度砂浆砌体短柱进行加固，研究表明面层加固发挥了HDC高强度、高延性的特征，同时验证了前期课题组提出轴心受压理论公式的可靠性。还对27个HDC加固砖砌体组合短柱受压性能试验研究，研究表明5 西安建筑科技大学硕士学位论文HDC能够明显改善砖砌体的破坏形态和很大幅度地提高原结构的承载力和变形能力，提高构件的整体性。并推导了HDC加固砖砌体组合短柱轴压和偏压情况下的正截面受压承载力计算公式，得出计算值与试验值吻合良好，为HDC高延性混凝土应用于砌体结构加固提供了理论依据。AyoubDehghani和GregorFischer等[56]对ECC加固砖砌体进行了研究。通过考虑因素有ECC面层厚度以及单双面加固，对12个砖柱试件进行加载，试验得出:加固后砖柱的承载力有了明显提高，改善了砖柱的变形性能，并且得出合适的加固层厚度。对12个砖砌体试件进行平面外四点弯曲试验，试验得出:ECC面层与砖砌体之间有良好的粘结，试验过程中跨中无剥离现象。加固试件受弯承载力明显提高，试件破坏为延性破坏，使用粘结剂因渗透到砖砌体中反而使承载力降低。对7个三砖抗剪试件进行试验，试验得出:ECC面层加固提高了试件的抗剪承载力，改善了其变形能力，而且面层厚度在一定范围内变大，承载力会随之提高。对10片砖砌体墙进行对角加载试验，试验表明:ECC面层与砖砌体之间有良好的粘结，试验过程中无剥离现象双面加固效果更好，改变了砖砌体了脆性破坏模式，充分发挥了ECC材料的高延性的特点。M.A.kyriakides和S.L.Billington[57]。对ECC加固砖砌体梁和柱进行了试验研究。对6组砖砌体柱试件进行轴心抗压实验，并考虑ECC面层、栓钉以及钢筋网格大小等因素的影响，试验表明:仅ECC面层加固的试件承载力及弹性模量提高近50%；ECC面层加钢筋网加固试件承载力较仅ECC面层加固试件承载力降低，并且面层与砖砌体粘结性能不好，面层完全剥离；ECC面层加栓钉加固试件发生脆性破坏，栓钉突然断裂导致荷载突然下降；ECC面层加钢筋网加栓钉加固试件效果并不理想。对6组砖砌体梁试件进行平面外四点抗弯实验，并考虑ECC面层、栓钉以及钢筋网格大小等因素的影响，试验表明:加固后试件的承载力均显著提高，变形能力得以改善。ECC面层加钢筋网加固试件面层与砖砌体粘结性能较弱，ECC面层加栓钉加固试件效果很好，破坏过程与仅有ECC面层加固试件相似；ECC面层加钢筋网加栓钉加固试件承载力较前者相比无明显提高，但变形能力改善显著。加载过程中ECC面层出现多裂缝开展，无剥离现象。而且进行了模型分析，并提出ECC面层加固砖砌体试件抗压强度公式。1.4本文的研究内容在前期课题组前期研究的基础上[55]，为进一步研究HDC加固砖砌体结构受6 西安建筑科技大学硕士学位论文压性能，开展以下工作:通过结构静载试验，对HDC面层加固砖砌体长柱及砖墙进行轴心和偏心受压试验和分析，对不同高厚比、加固方式、偏心距下对HDC加固砖砌体组合试件的受压性能及承载力计算公式进行了初步研究。主要内容如下:（1）本文进行HDC加固砖砌体组合长柱受压性能的研究。本试验设计13组（每组3个）试件。共39个试件，其中6根短柱，33根长柱。包括未加固的对比试件、四面配筋HDC加固试件、双面配筋HDC加固试件、单面配筋HDC加固试件、双面和单面HDC面层并设置对拉螺栓的加固试件。配筋大小和对拉螺栓都相同，通过与未加固试件的对比，分析不同高厚比、加固方式、偏心距下承载力的提高幅度、变形性能的提高效果、挠度开展规律、破坏特征的不同及破坏机理等。（2）为了验证HDC加固砖墙承载力的提高对比砖柱的有效性。进行HDC加固砖砌体组合砖墙受压性能的研究。本试验设计3组（每组3个）试件。共9片窄墙，包括对比试件、双面HDC面层并设置对拉螺栓加固试件、单面HDC面层并设置对拉螺栓加固试件。通过与未加固试件的对比，分析不同加固方式下承载力的提高幅度、变形的提高效果、破坏特征的不同及加固作用机理等。（3）基于试验结果，根据《砌体结构设计规范》中组合砌体的计算模式。考虑HDC与砖砌体的共同作用，建立一套符合HDC加固砖砌体组合试件轴心受压及偏心受压承载力计算公式。（4）本文试验是在卸荷情况下进行加固并加载的，所以在试验研究的基础上，从理论上进行二次受压分析，对试验得出的承载力计算公式进行修正，得出HDC加固砖砌体组合试件轴心受压及偏心受压的二次受压承载力计算公式。7 西安建筑科技大学硕士学位论文8 西安建筑科技大学硕士学位论文第2章HDC加固砖砌体组合柱受压性能试验研究2.1引言砌体结构在我国大量的存在，发展历史尤为悠久，特别是在十九世纪50年代，砌体结构以取材方便且造价便宜、抗压性能好等被用作房屋建筑的柱等受压构件。但随着经济的发展，砌体结构发展迅速[67]。由于建造年代比较久远及当时的设计水平有限等原因，结构存在着明显不足，结构老化严重，地震中破坏率很高，需要对其进行加固。目前，传统的加固方法主要有：钢筋混凝土面层加固法、钢筋网水泥砂浆面层加固法和外包型钢加固法、外加预应力撑杆加固法等，但上述方法均存在不足之处[58]4。本课题组采用高延性混凝土（HDC）对砌体结构进行加固。采用HDC作为加固材料，具有施工方便、节省材料、综合造价低等明显优势，为砌体结构加固开辟了新途径。本章对HDC加固砖砌体组合砖柱受压性能进行了试验研究，共进行了13组砖柱受压试验。考虑高厚比、加固方式、偏心距参数的影响，通过记录试验现象并整理试验数据，对破坏现象及及破坏形态、荷载与轴向变形、荷载-应变曲线、荷载-挠度曲线等进行了详尽的分析。2.2试件设计施工与制作2.2.1试件设计本试验共设计13组（每组3个）试件。总共39个试件，其中6个短柱，33个长柱。短柱的高厚比β为3，长柱的高厚β为10，制作试件时，为了便于纵向钢筋的描固和避免端部的局部压碎破坏以及加载和吊装的方便，对于大高厚比的轴心受压和偏心受压的加固构件，在试件的上部设置一混凝土垫梁[59]；下部设置混凝土底板，垫梁及底板尺寸如下图所示，在e=0.6y的大偏心受压试件，在偏心方向混凝土垫梁往两端再延伸100mm。试件的各项设计参数见表2.1。试件尺寸及布置情况见图2.1。9 西安建筑科技大学硕士学位论文表2.1编号及参数设计表试件尺寸偏心距e试件加固方式加固方向编号（长度×宽度×高度）（mm）个数Z1240×370×720不加固-e=03对拉螺栓+两面HDC面沿370mmZH1240×370×720e=03层（20mm）方向C2e=03e=0.3yC33240×370×2400不加固-（56mm）e=0.6yC43（111mm）钢筋+四面HDC面层CH1240×370×2400环箍加固e=03（30mm）CH2e=03e=0.3yCH3钢筋+双面HDC面层沿240mm3240×370×2400（56mm）（30mm）方向e=0.6yCH43（111mm）钢筋+双面HDC面层沿370mmCH5240×370×2400e=03（30mm）方向钢筋+单面HDC面层沿370mmCH6240×370×2400e=03（30mm）方向对拉螺栓+双面HDC面沿370mmCH7240×370×2400e=03层（20mm）方向对拉螺栓+单面HDC面沿370mmCH8240×370×2400e=03层（20mm）方向本试验所有试件采用规格240mm×115mm×53mm的普通烧结砖，设计强度等级为MUl0，试件砌筑时砂浆设计强度等级为Mb2.5，面层高延性混凝土（HDC）设计强度等级为C60，面层加固用的钢筋采用Ⅰ级钢，对于面层竖向钢筋，四面加固为8F8，双面加固为6F8，单面加固为3F8，面层箍筋为F6@200，砖柱顶部垫梁采用10的纵向钢筋和8的箍筋，顶梁及底板的混凝土设计强度等级为C40。10 西安建筑科技大学硕士学位论文15720(a)对比砖柱试件尺寸图2002008824002400HDC面层30200200115370115130240130(b)钢筋+四面加固柱试件尺寸图11 西安建筑科技大学硕士学位论文200200888824002400HDC面层HDC面层3030200200115370115115370115(c)钢筋+双面加固柱试件尺寸图（沿240mm方向）2002400200130240130(d)钢筋+双面加固柱试件尺寸图(e)钢筋+单面加固柱试件尺寸图（沿370mm方向）（沿370mm方向）12 西安建筑科技大学硕士学位论文20020020对拉螺栓@600节点详图对拉螺栓152400@6002400@600HDC面层720对拉螺栓200200115370115(f)对拉螺栓+双面加固柱试件尺寸图（沿370mm方向）200200对拉螺栓@600节点详图对拉螺栓@600对拉螺栓24002400@600HDC面层200200115370115130240130(g)对拉螺栓+单面加固柱试件尺寸图（沿370mm方向）13 西安建筑科技大学硕士学位论文砖柱砖柱螺杆螺杆螺帽螺帽方形板方形板钢筋条钢筋条螺栓孔d=10mm60mm方形板钢筋6,L=40mm焊接(h)对拉螺栓加固详图及试件尺寸做法图2.1试件尺寸及加固截面详图2.2.2试件制作与养护（1）砌筑前准备垫板和底座的准备。对于短柱，砖柱砌筑在厚度为10mm且四个角都带吊钩的刚性垫板上，一共6块垫板。垫板直接找平准备砌筑。对于长柱，为方便试件的加载和吊装，制作33块长×宽×厚为600mm×500mm×200mm的混凝土底板，底板内部铺设三层Ф8的焊接钢筋网片。并且在底板四个角以及四边中部分别埋设四个吊钩，支模，同时找平，模板采用胶合板。马上进行钢筋绑扎，安放，浇筑混凝土，同时把竖向钢筋预埋至底板混凝土中，与底梁焊接。用保水性较好的黑心棉养护一个星期后。拆除模板，准备砌筑。钢筋和对拉螺栓按照CAD图进行下料，对需要贴应变片的部位用角磨机打磨，用无水乙醇清洗表面，再贴应变片，为确保应变片在试验过程中可以正常使用，用环氧树脂对其进行包裹保护，再对应变片进行编号，等待砌筑时使用。（2）施工顺序对于短柱，垫板先用1:3水泥砂浆找平，短柱一次性砌筑到设计高度。对于加固试件，对拉螺栓按照设计要求放置。短柱试件顶部采用厚度为15mm的1:3水泥砂浆找平，并采用水平尺对其平整度进行检查。对于长柱，提前于底板上划14 西安建筑科技大学硕士学位论文线，画出砖砌筑的位置，由于长柱试件量较大，分两段砌筑，第一段砌筑到设计柱高的一半，待砖砌体与砂浆达到一定强度后，再进行第二段砌筑，第二段砌筑到试件设计高度。对于钢筋加固的长柱试件，从第二皮砖开始，每隔四皮砖放置一个横向箍筋，对拉螺栓加固的长柱，对拉螺栓按照设计图纸进行放置。砌筑完成以后，自然养护3-4天。接着顶梁模板。顶梁纵筋采用610，箍筋采用Ф8@100，顶梁钢筋与竖向钢筋焊接，绑扎完成之后，马上浇筑混凝土，自然养护一周，拆除顶梁模板。最后加固，人工压抹HDC面层。对于钢筋加固试件，由于钢筋加固厚度较厚，采用分层抹压，先压抹厚度20mm，再进行最后10mm厚的抹面。对拉螺栓加固为一次抹到设计厚度。完成之后，采用保水性较好的黑心棉进行湿水养护一周。由于砌筑和抹面的时间均较长，砂浆每隔一天留一组到两组试块，HDC每隔一天留一组试块。普通砖标准试件也提前预留好一到两组。（3）注意事项试件砌筑前一天，将砖用水浇湿，砌筑时砖的含水率尽量控制在10～12%左右，砌筑砂浆现场搅拌。全部试件由2名从施工现场抽调的瓦工来完成，采用分层流水作业法砌筑，将同一盘砂浆轮流砌筑到每个试件的同一部位。试件较长，且初始偏心对轴心受压长柱具有较大的影响，因此要求工人严格按照《砖石工程施工质量验收规范》[60]进行操作，施工过程中每砌筑一线砖吊一次线，以保证试件的垂直。每线砖都要用水平尺控制水平度，从而保证试件的水平灰缝均匀。随时用皮数杆控制砌筑高度，使水平砂浆灰缝厚度保持在8-12mm。水平砂浆灰缝的饱满度不得低于90%，竖向砂浆灰缝的饱满度不得低于80%。2.3试验的材料性能试验2.3.1钢筋与对拉螺栓材料性能试验根据根据《建筑材料试验手册》[61]要求，直径为8mm和6mm的钢筋为同一批次，每一种钢筋做3个标准试件。一共准备3个F6和3个F8钢筋的标准试件，同时对拉螺栓也准备3根试件。按照《金属拉伸实验方法》（GBJ27-82）[62]的规定进行拉伸试验。拉伸试验在西安建筑科技大学结构试验中心300kN压力试验机上进行，钢筋的力学性能指标如表2.2所示。15 西安建筑科技大学硕士学位论文表2.2钢筋与对拉螺栓材性试验结果钢筋屈服强度fy钢筋极限强度fu钢筋弹性模量型号直径d/（mm）/（MPa）/（MPa）/（MPa）583505252.00´10HPB300563455652.05´105对拉螺栓62983902.05´102.3.2砖块抗压强度本试验对10块砖进行抗压试验，并且进行了强度推定，测定结果见表2.3。表2.3标准砖强度试块编号12345678910受压面积132131131133133131131129132131/102mm2破坏荷载435.8349.2392.2361.8365.4432.9353.9404.9305.6439.5/kN抗压强度32.926.629.927.127.433.027.031.122.933.5/MPa平均值29.1/MPa2.3.3砂浆和HDC试块强度本次试验采用的高延性混凝土基本组成为:水泥（P·O42.5R）、粉煤灰、精细河砂、PVA纤维、水和高效萘系减水剂。PVA纤维的具体参数见表2.4。表2.4PVA纤维各项性能指标抗拉强度弹性模伸长纤维名称长度/mm直径/μm密度g/cm3/MPa量/GPa率%国产PVA123916004071.3与试件试验同期，测定砂浆试块与高延性混凝土（HDC）试块的强度，见表2.5和表2.6。16 西安建筑科技大学硕士学位论文表2.5砂浆试块强度压力平均值抗压强度平均值砂浆试块压力实测值/（kN）/（kN）/（MPa）20.0322.7123.4523.3621.6824.8721.3219.8120.4817.1419.6115.8519.7119.6720.315.5115.5615.0619.6420.1321.1114.7415.6914.8817.7517.215.8821.9821.1120.4417.4517.6517.3119.8520.9123.8419.633.9318.4019.6218.5519.9714.4318.6320.3420.0817.9920.2622.6523.5420.8322.1821.3623.9522.922.1515.1712.7214.1917.6617.6716.8727.324.1522.7921.7621.6222.59表2.6HDC试块强度压力平均值抗压强度平均值HDC高延性混凝土试块压力实测值/（kN）/（kN）/（MPa）523.75542.06558.01346.42512.74507.34679.22575.57606.73615.15661.55563.21631.97695.9572.9657.29637.74613.37562.69528.69436.63560.09673.352.4试验装置及加载方式2.4.1试验装置本试验在西安建筑科技大学雁塔校区结构与抗震试验室5000kN电伺服压力试验机上对试件进行静力加载。对于偏心受压长柱试件，为了实现试件的偏心受压，上部和下部同时采用单向转动的刀铰支座进行加载。试验装置图及加载图如图2.2。17 西安建筑科技大学硕士学位论文试验机上承压板试验机上承压板试验机上承压板试验机上承压板1122223332223321331试验机下承压板试验机下承压板试验机下承压板试验机下承压板（a）轴压长柱试验装置图（b）偏压长柱试验装置图试验机上承压板3534试验机下承压板1、刀口支座；2,混凝土垫梁3、位移计；4、导杆；5、砂浆垫层（c）轴压短柱试验装置图（d）长柱与短柱加载图图2.2试验装置示意图2.4.2加载方式及试件对中本试验为单调静力加载试验，加载方法参考《砌体试验基本力学性能试验方法标准》（GB/T50129-2011）[63]的有关规定进行。本试验采用分级加载制度，在正式加载前，对试件进行预压三到五次，预压荷载为预估破坏荷载值5%至10%区间内，预压完成以后，卸载并对读数进行清零，开始加载；试件加载采用等位移连续加载方式，对于轴压试件，在开裂荷载出现之前，加载速度0.5mm/min，开裂荷载之后，加载速度变为0.2mm/min；对于偏压试件，加载速度变为0.2mm/min；加荷至预估破坏荷载80%后，连续加载直至试件破坏，荷载值降低至峰值荷载的85%，18 西安建筑科技大学硕士学位论文即可认为试件达到破坏状态。每次吊装前在试件上端和下端的四周画出四个面的中心线，分别与试验机的上下盖板中心线对齐，特别是长柱，尽量避免产生偏心。保证试件的几何对中。对于偏压柱的安装，在推进压力机之前，在刀铰下垫方木，保持刀铰水平状态，保证试件的竖直，再缓慢推进压力机下，准确对位，特别是偏心方向的竖直状态，在误差允许的范围内，进行加载，待预压完成之后，上下盖板都与砖柱接触之后，卸去刀铰下方木，再进行试验的加载。2.5试验测试方案首先在试件表面涂刷薄薄的一层白色涂料，便于在试验过程中能够更加清楚地观察到裂缝的出现和发展情况，待涂料晾干，对于加固的试件在试件表面用黑色铅笔绘制网格，网格尺寸为100mm×100mm。试验需要的主要仪器和测量设备。500T微机控制电液伺服压力试验机一台；TDS-602静态数据采集仪一台及微机控制系统一套；量程为20mm、50mm、100mm的位移计多个、应变片及数据线等。试验数据采集使用TDS-602静态数据采集仪，对试验过程实时监控。侧向挠度测量。主要是测量b=10的砖柱的侧向挠度。在试件的宽面的中部，沿试件高度的1/4、1/2、3/4处布置了三个量程为10cm的位移计，用来测量试件在荷载作用下的侧向变形，同时为了监测试件另一个方向的侧向变形，在试件的窄面中部也分别沿试件高度的1/4、1/2、3/4处布置了三个量程为10cm的位移计。竖向位移测量。为了测量砖柱和砖墙在竖向方向的变形，分别再砖柱和砖墙的两个对角测量试件的竖向位移，最后得出试件的荷载-轴向应变曲线。应变测量。钢筋应变片的规格为3mm×2mm胶基钢筋应变片，混凝土应变片规格为100mm的纸基应变片，电阻值均为120Ω。1）混凝土应变：在面层上粘贴混凝土应变片测量HDC受压和受拉应变。轴心受压时，短柱在HDC面层宽侧面中部粘贴。长柱在试件的中部粘贴。偏心受压时，在偏心方向的两个面层均粘贴。2）钢筋和对拉螺栓应变：轴心受压时，沿试件高度的1/4、1/2、3/4处分别测量竖向钢筋的应变，同时在中部位置测量箍筋的应变。对拉螺栓的应变在柱中部测量砖柱受压时中部对拉螺栓横向拉应变。偏心受压时，在偏心方向两个面层竖向钢筋的应变片布置在1/4、1/2、3/4高度处，中部布置应变片测量箍筋应变。19 西安建筑科技大学硕士学位论文2.6试验现象2.6.1砖柱轴压试验破坏过程及破坏形态以下几个荷载在此先定义:开裂荷载—试件出现第一条裂缝时的荷载。峰值荷载—试件达到最大承载力时的荷载。极限荷载—试件破坏（丧失承载能力）时的荷载。当荷载下降到峰值荷载的85%时，本试验加载完毕，停止加载。（1）试件Z1组Z1组三个轴心受压短柱试件作为对比试件，三个短柱试件受力过程基本上相似，从受压开始，至第一批裂缝期间。砖柱基本处于弹性阶，当加载到峰值荷载的40%-70%时，砖表面开始出现第一批裂缝，裂缝在一个或几个面的单块砖，如不增加荷载，裂缝不会发展。荷载继续增加，当达到峰值荷载的80%-90%，单块砖之间裂缝迅速沿竖向扩展，并通过若干皮不连续的砖。荷载若不增加，裂缝仍会继续发展，但较缓，继续增至峰值荷载，裂缝迅速发展，砖柱局部出现外皮掉落现象。荷载继续增加，裂缝变长变宽，最后进入破坏阶段，砖柱被劈裂为几个独立的小柱体，砖柱个别角部砖被压碎，并且外鼓。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.3-图2.5。图2.3试件Z1-1破坏形态及裂缝分布图2.4试件Z1-2破坏形态及裂缝分布20 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.5试件Z1-3破坏形态及裂缝分布（2）试件ZH1组ZH1组试件为两面370mm方向加上下对拉螺栓抹面加固，在加载初期，试件基本处于弹性工作阶段。当加载至峰值荷载的50%-65%时，试件开始进入裂缝阶段，试件第一条竖向裂缝出现在砖面层的中部或者中上部的单块砖内。荷载继续加载，窄侧砖面层的中部、上部，下部均出现多条竖向砖裂缝并且延伸，加载至峰值荷载的80%-90%，砖面层上的竖向裂缝逐延伸、且加宽，面层与砖砌体有脱开的迹象，荷载继续增加至峰值荷载，砖面层继续出现多条竖向裂缝，并且继续增多且上下贯穿，两侧面面层的上部，中部，下部均有脱开，且靠近面层脱开处砖均有拉裂，继续增加至破坏荷载，HDC面层与砖面层全部脱开，HDC加固面层一侧中上部面层断裂，且对拉螺栓拉断，面层脱离最大距离达1cm，其余两个试件均对拉螺栓未断裂，面层脱离砖面层最大距离5mm，两侧砖面层出现多条竖向贯穿裂缝，最大裂缝达到3mm，两个窄侧面的砖在对拉螺栓处砖压碎外鼓并掉落，试件中部砖也有压碎并且掉落，其中砖外鼓最大的距离约为1cm，试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.6-图2.8。图2.6试件ZH1-1破坏形态及裂缝分布21 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.7试件ZH1-2破坏形态及裂缝分布图2.8试件ZH1-3破坏形态及裂缝分布（3）试件C2组在以下的试验现象描述中。所有的柱子高度为2400mm，竖向的砖共38皮，描述裂缝位置时，除特殊注明外，文中所说皮数均为从上往下读取数据。对于HDC面层来说，除特殊注明外，文中所述的高度均为从底座上顶面往上读取数据。C2-1、C2-2、C2-3为对比长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。C2-1试件裂缝情况如下:在260kN时，左侧面第5皮砖出现裂缝，继续加载，裂缝增加较缓。在270kN~300kN时，正立面第9皮砖、左立面第2皮砖、背立面第2皮砖出现裂缝。在340kN~430kN时，裂缝开始增多，正立面第2~3皮砖裂缝贯通且右侧第5、26皮砖出现裂缝，左立面从下往上第9~10皮砖形成多条贯通裂缝。在430kN~490kN时，背立面从下往上第11皮砖出现裂缝，正立面第11~12皮砖出现贯通裂缝，左立面第9~10皮砖裂缝往上延伸1皮，从下往上第16皮砖出现裂缝。继续加载，正立面从下往上第6~14皮砖形成一条贯通裂缝。且右立面第13~14皮砖、从下往上第11~12皮砖裂缝贯通，左立面已裂开的第8~9皮砖裂缝继续加宽并延伸。加载至537kN，正立面的第5、12、19皮砖，背立面从下往上第11皮砖均出现裂缝。加载至破坏荷载，在左立面第5~13皮砖，正立面第7~16皮砖，右立面第10~13皮砖，从下往上第7~12皮砖，均出现竖向贯通裂22 西安建筑科技大学硕士学位论文缝。背立面从下往上第10~14皮砖出现多条竖向裂缝，右立面与正立面在第12皮砖角部砖压碎掉落，并出现群缝，正立面第9~14皮砖之间砖压碎并且形成多条竖状裂缝，这也是砌体破坏的主要原因。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.9。C2-2试件裂缝情况如下:开裂荷载在270kN。峰值荷载在368kN。最后试件正立面从下往上第15~20皮砖出现贯通裂缝，左立面与背立面在第15~24皮砖出现多条贯通裂缝，左立面和正立面在第14~22皮砖角部砖压碎掉落，背立面中部砖也有压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.10。C2-3试件裂缝情况如下：开裂荷载在280kN。峰值荷载在355kN。最后左立面从下往上第12皮砖左侧和右侧范围内出现多条竖向裂缝，右立面与背立面第16皮砖位置出现贯通裂缝，左立面与正立面砖在第14~18皮砖区域角部压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.11。（4）试件CH1组CH1-1、CH1-2、CH1-3为四面钢筋加固的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。CH1-2试件裂缝情况如下：在750kN时正立面中部从顶开始往下约10cm位置出现一条长度为8cm的表面裂缝。在峰值荷载1020kN时，正立面与左立面在1.1m~2m高度，沿两面层角部面层脱离出现裂缝，裂缝宽度最大达5mm，在1.6m高度除了右立面，其他三个HDC面层外层同时产生水平裂缝，并且正立面和左立面HDC面层外鼓较多。继续加载，荷载维持在900kN上下，且持续一段时间，右立面在1.6m高度出现一条水平裂缝，正立面和左立面角部位置HDC面层完全压碎，裂至砖面层，左立面在1.4m~2.2m高度且靠近背立面的面层裂开，出现竖向裂缝，并出现多条竖向裂缝。继续加载至破坏荷载。正立面与左立面HDC角部面层继续脱开，最大裂缝达10mm，面层完全裂开，面层水平裂缝上下错位。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.13。CH1-1裂缝情况如下:开裂荷载在900kN。峰值荷载在1237kN。正立面和左立面在1.4m高度处面层断裂，背立面也在1.4m处从左立面开始往里延伸15cm长的裂缝。同时左立面和背立面角部出现一条竖向裂缝。峰值荷载过后，荷载突然降落至85%，试件破坏。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.12。CH1-3裂缝情况如下:开裂荷载在820kN，峰值荷载在1120KN，当荷载达到峰值荷载时，HDC面层在正立面、背立面和左立面同时膨胀水平方向外鼓。承载力迅速下降，荷载继续加载至破坏荷载的85%，最后，正立面于0.5m至1m出现23 西安建筑科技大学硕士学位论文竖向裂缝，在1.5m高度左立面与正立面角部面层脱开压碎，在1.7m高度左立面与背立面角部面层压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.14。图2.9试件C2-1破坏形态及裂缝分布图2.10试件C2-2破坏形态及裂缝分布图2.11试件C2-3破坏形态及裂缝分布图2.12试件CH1-1破坏形态及裂缝分部24 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.13试件CH1-2破坏形态及裂缝分布图2.14试件CH1-3破坏形态及裂缝分布（5）试件CH2组CH2-1、CH2-2、CH2-3为双面钢筋加固（沿240mm方向）的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。CH2-2试件裂缝情况如下:在420kN时，背立面底部出现裂缝。在620kN时，左立面在1.5m高度HDC面层外层断裂外鼓，外鼓约15mm。继续加载，左立面HDC外层面层全部脱离断开。在780kN时，右立面在0.9m高度HDC面层外层剥离断裂，左立面在2.1m高度HDC外层断裂，砖面层正立面第18~20皮砖中部出现一条贯通裂缝，第21皮砖出现裂缝。背立面第14~15皮砖和第17~18皮砖均出现竖向贯通裂缝。在820kN时，正立面第20~22砖面层出现贯通裂缝，第16、34皮砖出现裂缝，背立面第18~20皮砖出现贯通缝，第4、9、22~23皮砖出现了裂缝，达到峰值荷载832kN时，正立面第19~20皮砖出现贯通裂缝，HDC面层断裂的面层完全脱开。加载至破坏荷载，正立面第20皮砖压碎外鼓剥落，背立面第20皮砖出现多条竖向裂缝，左立面HDC面层完全断裂脱且上下错层。右立面HDC面层最后完全断裂脱开，HDC面层裂缝外鼓20mm。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.16。CH2-1试件裂缝情况如下:开裂荷载发生在340kN。荷载到峰值在750KN。加载破坏荷载，右立面HDC面层外层断开掉落，左立面HDC面层断裂处上下错25 西安建筑科技大学硕士学位论文层，砖面层在第16皮砖出现贯通裂缝。在正立面与背立面，砖出现多条竖向裂缝，且正立面局部砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.15。图2.15试件CH2-1破坏形态及裂缝分布图2.16试件CH2-2破坏形态及裂缝分布图2.17试件CH2-3破坏形态及裂缝分布CH2-3试件裂缝情况如下:开裂荷载在600kN。在760kN时，左立面1.2m高26 西安建筑科技大学硕士学位论文度HDC面层面层外鼓断裂，出现水平裂缝。在峰值荷载790kN时，右立面1.3m高度HDC面层断裂外鼓，加载至破坏荷载，砖面层在正立面和背立面中部均出现多条竖向裂缝，形成多条竖向贯通裂缝，同时裂缝处砖部砖压碎外鼓并且掉落，HDC面层外鼓严重，最后完全脱开。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.17。（6）试件CH5组CH5-1、CH5-2、CH5-3为双面钢筋加固（370mm方向加固）的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。CH5-2试件裂缝情况如下：在400kN时，背立面在1.7m高度出现一条20cm长的裂缝。在480kN时，背立面在0.6m高度处出现一条20cm长的水平裂缝。在660kN时，右立面在第11、37皮砖出现两条竖向裂缝，左立面在第8皮砖中部出现2条竖向裂缝。在720kN时，背立面在1.3m高度处HDC面层出现一条水平裂缝，正立面在2.2m高度出现10cm长的水平裂缝，1.9m高度出现一条12cm长的水平裂缝，荷载继续增加，左立面在第8皮砖上下出现多条贯通裂缝。在840kN时，在1.4m高度正立面HDC面层出现水平裂缝，背立面在0.6m高度位置出现水平裂缝。左立面和右立面下部出现多条竖向贯通裂缝。在峰值荷载时，在1.9m高度处正立面HDC面层完全断开外鼓。荷载继续加载至破坏荷载，在1.9高度正立面HDC面层外鼓，裂缝上下错层，背立面HDC面层断裂处外层于内层完全剥离，右立面在第8皮砖上下出现多条竖向裂缝，左立面在相同高度均出现多条竖向裂缝，同时局部有贯通裂缝，并且砖局部有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.19。CH5-1试件裂缝情况如下:开裂荷载在330kN，到峰值荷载815KN时，正立面在1.1m与1.5m高度HDC面层断裂外鼓。加载至破坏荷载，正立面与背立面HDC面层与砖面层完全脱开，外层基本上呈现掉落状态，右立面在第12皮砖上下出现群缝，砖有压碎掉落。左立面在相同高度均出现群缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.18。CH5-3试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在520kN。在910kN时，正立面在1.45m高度HDC面层断裂外鼓，在峰值荷载966kN时，背立面在0.9m高度HDC面层断裂外鼓，同时原1.6m高度水平裂缝贯通。加载至破坏荷载，HDC面层完全断裂，上下错位，左立面和右立面中上部砖形成多条竖向裂缝，部分砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.20。27 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.18试件CH5-1破坏形态及裂缝分布图2.19试件CH5-2破坏态及裂缝分布图2.20试件CH5-3破坏形态及裂缝分布（7）试件CH6组CH6-1、CH6-2、CH6-3为单面钢筋加固（370mm方向加固）的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。28 西安建筑科技大学硕士学位论文CH6-1试件裂缝情况如下:在660kN时，在右立面第26皮砖开裂。在730kN时，在1.7m高度正立面HDC面层断裂外鼓，裂缝长度为20cm左右，右立面第14~15皮砖出现一条竖向贯通裂缝。在740kN时，右立面第5~6皮砖继续出现贯通裂缝。在750kN时，左立面第7~8出现贯通裂缝，正立面之前的断裂的HDC面层完全断裂贯通，加载到760kN时，HDC面层继续外鼓，左立面第10~11皮砖和第14~16皮砖各出现一条贯通缝，右立面的第25皮砖出现裂缝，至峰值荷载798KN时，裂缝增多并且裂缝延伸。加至破坏荷载，背立面第12~16皮砖形成多条竖向裂缝，左立面下部和中上部形成多条竖向裂缝且中上部砖有压碎，背立面和左立面以及右立面中上部砖压碎掉落，正立面HDC面层断裂部位与砖面层完全脱开。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.21。CH6-2试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在440kN。到峰值荷载685KN时，在0.6m、1.1m、1.4m高度正立面HDC面层断裂外鼓，同时顶部与HDC接触部位也出现裂缝，面层与砖脱开，裂缝一直延伸到第4皮砖，最后加载至破坏荷载，背立面在上部形成多条竖向裂缝，同时局部有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.22。CH6-3试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在420kN。至峰值荷载在662KN时，正立面在2.1m高度HDC面层断裂外鼓，荷载下降，加载至破坏荷载，HDC断裂处最后与砖面层完全断裂脱开，同时竖向延伸，另三个面在第1~4皮砖位置出现多条竖向裂缝，并且局部砖面层上有压碎掉落现象，左立面和背立面的第4~6皮砖接触角部三皮砖范围砖有压碎掉落现象。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.23。（8）试件CH7组CH7-1、CH7-2、CH7-3为双面设置对拉螺栓加固（370mm方向加固）的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。CH7-2试件裂缝情况如下:在460kN时，右立面第5皮砖有压裂。在470kN后，HDC面层底部有外鼓的趋势，加载到520kN时，HDC面层在第3皮砖位置与砖面层有脱开的迹象，在590kN时，左立面与HDC接触位置的第5~6皮砖面层出现拉裂缝，加载至630kN时，左立面第8皮砖中部出现竖向裂缝，在650kN时，砖有压裂。右立面从下往上第4~8皮砖均有开裂，左立面在相同高度砖也出现贯通裂缝。加载至峰值荷载691kN时，正立面顶部HDC与砖面层脱开外鼓，最大裂缝位于顶部，约2mm。荷载突然下降到580kN。随后继续加载，荷载又继续29 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.21试件CH6-1破坏形态及裂缝分布图2.22试件CH6-2破坏形态及裂缝分布图2.23试件CH6-3破坏形态及裂缝分布上升一段，再下降。最后加载至破坏荷载，正立面HDC面层与砖面层脱开处裂缝30 西安建筑科技大学硕士学位论文最大达8mm，背立面在1.8m~1.9m高度HDC断裂出一道斜裂缝，两个砖面层在中上部出现多条竖向裂缝，同时上部砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.25。CH7-1试件裂缝情况如下:开裂荷载在530kN，在峰值荷载576kN时，背立面顶部HDC与砖面层脱开。加载至破坏荷载，脱开的最大裂缝为4mm，且裂缝一直延伸到顶梁上部，顶梁挤裂。竖向裂缝贯通1~12皮砖。右立面第7~12批砖靠近HDC面层位置被拉裂，其左侧第1~12皮砖中部出现一条大裂缝，两砖面层中山部也出现多条竖向裂缝群。在两砖面层第4~8皮砖之间，砖被压碎外鼓掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.24。CH7-3试件裂缝情况如下:开裂荷载在440kN，在峰值荷载684kN时，正立面1.8m高度和背立面1.1m高度HDC面层断裂外鼓，继续加载至破坏荷载，正立面HDC面层第5~20皮砖与砖面层完全脱开，最大裂缝宽度为5mm。两个断裂面层处HDC面层错位，右立面下部中间和左立面中部中间各出现一条竖向主裂缝，砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.26。图2.24试件CH7-1破坏形态及裂缝分布图2.25试件CH7-2破坏形态及裂缝分布（9）试件CH8组CH8-1、CH8-2、CH8-3为单面设置对拉螺栓加固（370mm方向加固）的长柱试件组，其裂缝破坏形态大致相同。31 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.26试件CH7-3破坏形态及裂缝分布CH8-2试件裂缝情况如下:在420kN时，在正立面第3~6皮砖出现裂缝，右立面第3~4皮砖出现一条竖向裂缝，在430kN时，HDC面层在第2皮砖与砖面层有脱开，正立面第4皮砖出现竖向裂缝，左立面第7~8皮砖中部出现竖向裂缝。随着荷载的加载，裂开的裂缝继续延伸和加宽。在510kN时，右立面第4~6皮砖出现两条裂缝，正立面第5~7皮砖出现三条竖向裂缝。在520kN时，右立面第12皮砖出现裂缝。在550kN时，左立面第6皮砖出现裂缝，右立面的第5皮砖裂缝延伸至第7皮砖。在560kN时，正立面第5~7形成贯通缝，裂缝发展较缓慢。在560~670kN之间，裂缝发展加快，在三个砖面层的中上部形成多条竖向贯通缝，同时正立面和右立面角部砖有压碎，在峰值荷载689KN时，背立面上部HDC面层与砖面层脱开外鼓，同时顶梁裂开。这是承载力下降主要原因，继续加载至破坏荷载，三个砖面层多条竖向裂缝并且角部砖压碎外鼓掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.28。CH8-1试件裂缝情况如下：开裂荷载在350kN，在峰值荷载574KN时，正立面顶梁下HDC与砖面层脱开，加载至破坏荷载，两侧面中上部的砖面层中部出现竖向裂缝，而且砖外皮有脱落，正立面上部第4皮砖上下砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.27。CH8-3试件裂缝情况如下：开裂荷载在390kN，在峰值荷载460KN时，背立面在1.8m高度HDC面层断裂外鼓。荷载继续加载至破坏荷载，HDC面层与砖面32 西安建筑科技大学硕士学位论文层裂开的最大距离为10mm，在三个砖面层的中部出现多条竖向主要裂缝，同时角部砖有压碎。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.29。图2.27试件CH8-1破坏形态及裂缝分布图2.28试件CH8-2破坏形态及裂缝分布图2.29试件CH8-3破坏形态及裂缝分布33 西安建筑科技大学硕士学位论文2.6.2砖柱偏压试验破坏过程及破坏形态在以下的实验现象描述中，加载的砖柱高度为2400mm，共38皮砖，对于砖面层与HDC面层描述裂缝位置编号与轴压一样。无论对比试件和加固试件，以下现象描述中正立面为靠近受力点面层，背立面为远离受力点面层。左立面和右立面为两宽侧砖面层。（1）试件C3组C3-1、C3-2、C3-3为小偏压长柱对比试件组，其裂缝破坏形态大致相同。C3-2试件裂缝情况如下：开裂荷载在130kN，在背立面一侧砖面层有撕裂，在270kN时，左立面第9~10皮砖出现竖向裂缝，在330kN开始时，新的裂缝增加同时原裂缝延伸，左立面第8~9皮砖和正立面第11皮砖裂缝延伸，右立面第25~27皮砖裂缝加宽。在340kN时，正立面第8~9皮砖出现竖向裂缝且第9皮砖灰缝有压裂，到峰值荷载358KN时，正立面第10皮砖裂缝宽度达0.5mm，第25~26皮砖出现竖向裂缝，右立面第11~28皮砖区域出现多条竖向压裂缝且第9~10皮砖角部压裂，加载至破坏荷载，正立面、左立面和右立面在第6~11皮砖之间出现多条竖向贯通裂缝，最大裂缝达2mm，裂缝宽度最大位置出现在右立面，同时右立面靠近正立面的角部砖有压碎。正立面底部砖也有压碎，灰缝外挤。砖与灰缝错位。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.31。C3-1试件裂缝情况如下：开裂荷载在150kN，在峰值荷载206KN时，左立面和正立面在第17皮砖压碎外鼓，荷载继续加载至破坏荷载，最后正立面第17皮砖位置砖压成多条竖向大裂缝，同时外鼓进3mm。左立面第10~16皮砖靠近正立面位置出现一条贯通大裂缝，背立面第17皮砖灰缝有裂开。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.30。C3-3试件裂缝情况如下：开裂荷载在150kN。到峰值荷载313KN时，左立面、右立面、正立面在第1~4皮砖出现竖向贯通缝，左立面位置砖压裂，砖外皮脱落。荷载继续加载至破坏荷载，三个面层的角部砖完全压碎并且脱落,同时内部砖压成多条竖向的裂缝。背立面砖面层在第3~4皮砖出现水平裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.32。（2）试件CH3组CH3-1、CH3-2、CH3-3为双面钢筋加固（240mm方向加固）小偏压长柱试件，其裂缝破坏形态大致相同。CH3-3试件裂缝情况如下：在560kN时，左立面第28皮砖出现裂缝，在600kN34 西安建筑科技大学硕士学位论文时，右立面第24皮砖出现了裂缝，加载至610kN时，右立面从底往上第4皮砖出现裂缝，左立面第1~4皮砖与HDC面层出现裂缝，加载至620kN时，左立面第3~4皮砖裂缝贯通，左立面第8~9皮砖出现竖向裂缝，在640kN时，右立面底部图2.30试件C3-1破坏形态及裂缝分布图2.31试件C3-2破坏形态及裂缝分布图2.32试件C3-3破坏形态及裂缝分布35 西安建筑科技大学硕士学位论文第1皮砖出现裂缝，左立面第4~26皮砖区域多个单转出现竖向裂缝及贯通裂缝。加载至665kN时，在1m高度正立面HDC面层外层断裂外鼓，裂缝从第9皮砖延伸至第24皮砖，右立面第8、17皮砖出现裂缝，左立面第5~6皮砖出现竖向裂缝，峰值荷载时，左立面和右立面在第4~10皮砖形成多条竖向裂缝。继续加载至破坏荷载，正立面HDC面层完全断裂，与砖面层完全脱开，同样高度位置的两砖面层压裂外鼓。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.35。CH3-1试件裂缝情况如下：试件开裂荷载在573kN，也就是峰值荷载，正立面HDC外层在50cm位置断裂外鼓，内层完好，加载至破坏荷载之前，荷载在550kN徘徊一段时间，在这期间，左立面从底部往上第7~9和第11~12皮砖出现贯通裂缝，右立面第7~8皮砖出现裂缝，达到破坏荷载，正立面HDC面层完全断裂，上下错位，从16~32皮砖与HDC面层完全脱开，两处裂缝达5mm。同时砖面层下部多条竖向裂缝，砖压碎外鼓。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.33。图2.33试件CH3-1破坏形态及裂缝分布图2.34试件CH3-2破坏形态及裂缝分布CH3-2试件裂缝情况如下：试件开裂荷载在460kN，到峰值荷载668kN时，正立面60cm高度HDC面层断裂，原1m高位置裂缝完全断裂，加载至破坏荷载，正立面50cm高位置的HDC外鼓5mm，1m高位置HDC上下错位1cm，裂缝与砖面层脱离达到5mm，左立面第9~12皮砖区域砖有压碎掉落。右立面从第7~24皮砖形成竖向贯通缝。背立面底部与砖面层有裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分36 西安建筑科技大学硕士学位论文布见图2.34。图2.35试件CH3-3破坏形态及裂缝分布（3）试件C4组C4-1、C4-2、C4-3为大偏压对比长柱试件，C4-2、C4-3裂缝破坏形态大致相同。C4-1裂缝破坏形态单独描述。C4-1试件裂缝情况如下：在100kN时，背立面第一皮砖灰缝裂开，加载至110kN时，背立面底部第2皮砖出现水平缝，在115kN背立面第17皮砖又出现水平缝。在165kN时，背立面第15皮砖灰缝开裂，并且随着荷载的增加往内延伸。在185kN时，左立面第2皮砖裂缝往内延伸15cm。在230kN时，背立面灰缝的宽度达0.5mm。在255kN时，左立面砖面层第8皮砖出现竖向裂缝，同时裂缝往内延伸8cm。在60kN时，正立面砖底部开始出现裂缝，靠近左立面侧砖开裂并且延伸，右立面第3皮砖出现裂缝。在270kN时，正立面底部出现贯通裂缝，右立面底部四皮砖出现贯通裂缝，在280kN时，裂缝增加迅速，背立面第17皮砖位置出现3处水平裂缝，正立面第23~24皮砖和第27~28皮砖出现新的裂缝，同时原底部裂缝继续延伸。至峰值荷载290KN时，左立面第9皮砖上下3皮砖出现贯通裂缝，右立面底部裂缝变宽，正立面底部第一皮砖压碎剥落，加载至破坏荷载，正立面中下部出现一条大斜裂缝，砖压碎掉落，两个宽侧面靠近正立面几条通长的竖向大裂缝，最大裂缝宽度达5mm，同时砖也有压碎掉落。背立面出现多条水平37 西安建筑科技大学硕士学位论文裂缝，最大裂缝达5mm。柱身最后往南倾斜。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.36。C4-2试件裂缝情况如下：试件开裂荷载在140kN，在左立面第3皮砖灰缝裂开，从背立面往正立面方向延伸7cm，第3~5皮砖出现一条贯通缝，背立面第4皮砖灰缝裂开。在145kN时，正立面第3~4皮砖出现竖向裂缝，到达峰值荷载155kN时，左立面第3~5皮砖产生两条贯通缝，背立面水平灰缝加宽，最大宽度达2mm，正立面第5皮砖出现竖向裂缝，加载至破坏荷载，正立面第1~8皮砖区域砖压碎掉落，左立面和右立面靠近正立面位置砖面层出现多条竖向裂缝。背立面在相同高度出现几条水平缝，最大裂缝达1cm，灰缝上下砖完全脱离。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.37。C4-3试件裂缝情况如下：试件开裂荷载发生在60kN，背立面的第3皮砖水平灰缝开裂。在峰值荷载122KN时，加载至破坏荷载时，最后正立面上部出现一条贯通缝，同时局部砖压碎掉落，背立面多条灰缝开裂，裂缝往内延伸最大距离为25cm，左立面和右立面靠近正立面位置砖面层在上部形成多条竖向裂缝试件最后上部都往南倾斜。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.38。图2.36试件C4-1破坏形态及裂缝分布图2.37试件C4-2破坏形态及裂缝分布38 西安建筑科技大学硕士学位论文图2.38试件C4-3破坏形态及裂缝分布（4）试件CH4组CH4-1、CH4-2、CH4-3为双面钢筋加固（240mm方向加固）大偏压长柱试件，其裂缝破坏形态大致相同。CH4-2试件裂缝情况如下：在280kN时，开始出现第一条裂缝，右立面中部靠近正立面位置砖面层与HDC面层有裂开现象。当荷载达到350kN~420kN时，右立面第4~7皮砖与砖面层有脱开现象。砖面层开始出现裂缝，在右立面第10~13皮砖以及底部第1皮砖，在425kN时，正立面中部HDC面层有外鼓现象，加载到435kN时，正立面中上部HDC面层外层开裂，在450kN时，正立面中部HDC面层外层与内层外鼓脱开。在460kN时，正立面中上部HDC面层又出现一条水平缝，当达到峰值荷载470KN时，正立面HDC面层外层与内层脱开距离达到5mm，右立面同样高度位置砖面层与HDC面层脱开。继续加载至破坏荷载，正立面中部HDC面层与砖面层完全断裂，最大脱开的距离达2cm，同时面层上下错位，错位的距离达10mm，同时面层处砖有压碎，背立面HDC面层出现多条水平裂缝。两未加固砖面层出现中部和中上部靠近正立面位置出现多条竖向贯通裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.40。CH4-1试件裂缝情况如下：试件开裂荷载在250kN。到峰值荷载537KN时，正立面在1m高度位置HDC面层断裂外鼓，一直裂至砖面层，加载至破坏荷载，39 西安建筑科技大学硕士学位论文正立面HDC面层外鼓距离达10mm，两个宽侧面砖面层在中部与HDC面层脱开，同时面层上部，中部和下部靠近正立面产生多条跨越多皮砖的竖向贯通裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.39。图2.39试件CH4-1破坏形态及裂缝分布图2.40试件CH4-2破坏形态及裂缝分布图2.41试件CH4-3破坏形态及裂缝分布40 西安建筑科技大学硕士学位论文CH4-3试件裂缝情况如下：试件裂荷载发生在305kN。在460kN时，正立面上部HDC面层外层断裂外鼓，外鼓距离约10mm，当达到峰值荷载498KN时，HDC面层与砖面层脱开的裂缝继续延伸，背立面底部出现横向裂缝。加载至破坏荷载。正立面HDC断裂处面层上下错位，与砖面层完全脱开，中上部HDC面层与砖面层产生通长裂缝，两未加固砖面层在中上部靠近正立面位置出现多条竖向贯通裂缝，局部位置出现裂缝比较集中，在中部砖面层外鼓，内部压碎脱落。同时背立面中上部出现多条水平裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图2.41。2.6.3破坏机理（1）未加固试件对于未加固的砖砌体柱，由于灰缝厚度和密实性的不均匀，以及砖和砂浆的交互作用等原因，使砖的抗压强度不能充分发挥，亦即砌体的抗压强度将较大地低于砖的抗压强度。在轴心和偏心受压荷载的作用下，短柱呈现脆性破坏，长柱呈现一定延性破坏。开裂荷载之前，试件基本都处于弹性工作阶段。砖在受压时，造成受弯及受剪。同时还受到水泥砂浆的附加拉力，一旦大于砖的抗拉强度时，砖柱就会开裂。由于试件的竖向灰缝一般不饱满，故在竖向荷载作用下，砖柱竖向灰缝处易产生应力集中，会加快砖块的开裂。对于轴压和小偏压试件，竖向裂缝首先出现；对于大偏心长柱试件，截面受压面积大幅减小，柱初始裂缝出现在受拉区水平灰缝处，而后受压区出现竖向裂缝。有少部分长柱出现局压破坏。对于轴压轴压和偏压荷载作用下的的砖柱，最终因砖块局部后者全部压碎而发生脆性破坏和一定的延性破坏。（2）四面加固试件在加载初期，HDC加固面层与核心砖砌体共同受力，当荷载达到开裂荷载时，HDC面层出现几条细小的竖向裂缝。持续加载至破坏荷载的80%~90%时，面层出现明显外鼓现象，首先在四个角部有箍筋的薄弱位置HDC面层之间出现剥离现象，核心砖砌体与HDC加固面层不能够共同工作。由于HDC面层刚度远大于砖砌体的刚度，荷载进一步转移到加固面层上，但由于面层厚度较薄，在竖向荷载作用下，在箍筋的位置出现横向断裂缝，最后面层完全断裂，砖砌体被压碎达到极限荷载。由于HDC面层对核心砖砌体的套箍作用，约束砖砌体横向变形，整体提高了组合长柱的受压能力，加载到最后试件具有良好的整体性，仍具有较高的承载力。41 西安建筑科技大学硕士学位论文（3）双面加固试件对于轴压试件，在加载初期，面层与核心砖砌体共同承受竖向荷载。由于HDC面层极限压应变均大于砖砌体，当竖向荷载达到极限荷载约90%时，核心砖砌体局部压碎，加固面层与核心砖砌体有明显脱开现象。加载至破坏荷载，对于钢筋加固试件，加固面层在箍筋的薄弱位置，面层外层先断裂，最后到极限荷载，面层完全断裂破坏。而对于对拉螺栓加固试件，面层最先断裂的位置在对拉螺栓之间，试件受压过程中对拉螺栓之间面层无横向约束，到极限荷载时，外鼓断裂。未加固面竖向裂缝贯通，砖块向外鼓出并有砖皮脱落。面层断裂之后，荷载下降迅速。但两侧面层仍具有一定的承载力。面层对核心砌体有一定的约束作用，使试件具有良好的整体性。由此可见，HDC加固面层与砖砌体之间的粘结性能较好，充分发挥了HDC高延性混凝土高强度、高延性的特点。对于偏压钢筋加固试件，在加载初期，HDC面层与核心砖砌体共同受力。随着荷载的增加，近偏压侧面层与核心砖砌体间出现竖向裂缝，当荷载达到破坏荷载的90%时，近偏压侧HDC面层与砖砌体竖向裂缝继续加宽，由于面层分层抹压，破坏时最先发生两面层之间，最后面层与核心砖砌体脱开，断裂外鼓，对于大偏压，试件受拉侧面层有横向水平裂缝。之后未加固侧竖向裂缝逐步贯通，砖砌体局部被外鼓压碎，试件达到破坏荷载。未加固侧先出现裂缝，加固面层未出现纵向受力裂缝，高延性混凝土加固面层有效的约束了砖砌体裂缝的产生和发展。之后，试件仍可承受一定荷载，试件承载力试件整体性良好。（4）单面加固试件在加载初期，面层与核心砖砌体共同承受竖向荷载。由于单面加固，HDC面极限压应变大于砖砌体，受压时，砖面层最先出现竖向裂缝，当竖向荷载达到极限荷载约90%时，核心砖砌体出现压碎及多条竖向裂缝，加固面层与核心砖砌体有明显脱开现象。加载至破坏荷载，未加固面层砖砌体出现多条竖向贯通裂缝。对于钢筋加固试件，加固面层在有箍筋的薄弱位置，面层断裂外鼓。对于对拉螺栓加固试件，面层最先断裂的位置在对拉螺栓之间，试件受压过程中，对拉螺栓之间面层区域无横向约束，到极限荷载时，面层外鼓断裂。最后到极限荷载，面层完全断裂破坏。未加固面曾层多条竖向裂缝贯通，砖块向外鼓出并有砖皮脱落。面层断裂之后，荷载下降迅速。砖柱仍具有一定的承载力。42 西安建筑科技大学硕士学位论文2.7试验结果分析2.7.1承载力分析将本次试验的39个试件的开裂荷载、极限荷载的试验结果汇总如表2.7、表2.8所示。表2.7轴心受压砖柱试验结果试件开裂荷载平均值极限荷载平均值荷载比值荷载比值编号/kN/kN/kN/kNZ1-1200439Z1-2280263--524478--Z1-3310473ZH1-1430667ZH1-23404031.536356811.42ZH1-3440741C2-1260537C2-2270275-368361-C2-3280355CH1-19001237CH1-27508232.99102011253.11CH1-38201120CH2-1340757CH2-24204531.648327942.19CH2-3600793CH5-1330815CH5-24004161.518708332.3CH5-3520966CH6-1660798CH6-24405131.866857151.98CH6-3440662CH7-1530576CH7-24604761.736916501.80CH7-3440684CH8-1350574CH8-24203861.406895741.59CH8-3390460表2.8偏心受压试件试验结果开裂荷载平均值极限荷载平均值荷载试件编号荷载比值/kN/kN/kN/kN比值C3-1150206C3-2130140-358335-C3-3150313CH3-157057343 西安建筑科技大学硕士学位论文CH3-24605303.706686471.93CH3-3560701C4-1100290C4-2140100-155139(290)-C4-360122CH4-1250537CH4-22802782.784705013.60CH4-3305498(1.72)从表中可知：（1）本试验的短柱、长柱，无论轴压还是偏压，相对于未加固试件，HDC加固试件的开裂荷载与极限荷载都有大幅度的提高。（2）对轴心受压短柱，与未加固试件相比，双面HDC加固试件的开裂荷载提高1.53倍。极限荷载提高1.42倍。（3）对钢筋加固的轴心受压长柱，与未加固试件相比（C2-1试件因砌体离散性大，数据不参与取平均值），HDC四面加固试件的开裂荷载为对比试件的2.99倍，极限荷载为对比试件的3.11倍，HDC双面240mm方向加固试件的开裂荷载为对比试件的1.64倍，极限荷载为对比试件的2.19倍。HDC双面370mm方向加固试件的开裂荷载为对比试件的1.51倍，极限荷载为对比试件的2.30倍。HDC单面370mm方向加固试件的开裂荷载为对比试件的1.86倍，极限荷载为对比试件的1.98倍。（4）对小偏压钢筋加固试件，与未加固试件对比（C3-1试件因砌体离散性大，数据不参与取平均值），HDC双面加固试件的开裂荷载为对比试件平均值的3.70倍，极限荷载为对比试件的1.93倍。对于大偏压钢筋加固试件，HDC双面加固试件的开裂荷载为对比试件的2.78倍。极限荷载情况不加固试件分劈裂破坏和局压破坏分别取平均值（C4-1位劈裂破坏，C4-2和C4-3位局压破坏），加固试件分别为为对比试件的1.72倍和3.6倍。（5）对拉螺栓加固的长柱，与未加固试件相比，HDC双面370mm方向加固试件的开裂荷载为对比试件的1.73倍。极限荷载为对比试件的1.80倍。HDC单面370mm方向加固试件的开裂荷载为对比试件的1.40倍。极限荷载为对比试件的1.59倍。（6）对240mm方向钢筋加固的长柱试件，随着偏心距的增大，试件的开裂荷载值和极限荷载值逐渐减小，加固试件对偏心受压构件来说，开裂荷载和极限荷载提高幅度都比较大。44 西安建筑科技大学硕士学位论文（7）于长柱轴压试件的双面加固和单面加固，无论是钢筋加固还是对拉螺栓加固，其极限承载力双面均大于单面，且配筋HDC面层加固的试件极限承载力提高幅度大于加固面层内只设置对拉螺栓的构件极限承载力。开裂荷载提高的幅度基本上一致。2.7.2竖向应变分析将各组试件的峰值应变汇总如下表2.9和表2.10。表2.9轴心受压砖柱试验结果试件编峰值压应变平均值提高幅度试件峰值压应变平均提高幅度号e0em/%编号e0值em/%Z1-10.0077ZH1-10.0111Z1-20.00870.0082-ZH1-20.010.010326Z1-30.0082ZH1-30.0098C2-10.0033CH1-10.0034C2-20.00350.0032-CH1-20.00360.00345C2-30.0028CH1-30.0031CH2-10.0039CH5-10.0034CH2-20.00420.003922CH5-20.00350.003717CH2-30.0036CH5-30.0043CH6-10.0045CH7-10.0032CH6-20.00370.004026CH7-20.00360.00332CH6-30.0039CH7-30.003CH8-10.0031CH8-20.00420.00321CH8-30.0024表2.10偏心受压砖柱试验结果试件编号峰值压应变e0平均值em提高幅度/%C3-10.0027C3-20.00310.0028-C3-30.0026CH3-10.0027CH3-20.00320.003420CH3-30.0042C4-10.0035C4-20.00220.0025-C4-30.0018CH4-10.0036CH4-20.00330.003332CH4-30.00345 西安建筑科技大学硕士学位论文从表2.9和表2.10可以看出:（1）短柱双面加固试件与未加固短柱相比，峰值应变提高26%。对于轴压长柱，四面钢筋加固与未加固长柱相比，提高5%左右，双面钢筋加固提高17%与22%，单面钢筋加固提高26%，双面对拉螺栓加固提高2%，单面对拉螺栓提高1%。对于偏压长柱，小偏压提高20%，大偏压提高32%。（2）无论短柱、长柱，加固后砖砌体的峰值应变得到了提高，显著减小了原砌体的脆性破坏特征。（3）对于长柱，双面或者单面钢筋加固与对拉螺栓加固相比较。能更好的改变砌体的变形能力，主要是因为砖柱用钢筋加固能够更有效的约束砖砌体的横向变形，显著的改善了砖柱的裂缝破坏形态，对裂缝的发展有比较明显的延缓效果，使砖柱纵向塑性变形性能得到充分发挥，改善了砖柱的变形能力。（4）对于偏压长柱，大偏压加固后峰值应变提高的程度明显高于小偏压。2.7.3荷载-竖向应变曲线分析将各试件的荷载竖向应变曲线汇总如下图2.42-图2.54。800800700Z1-1700ZH1-1ZH1-2600Z1-2600ZH1-3Z1-3500500400400P/kN300P/kN3002002001001000000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.01400.0020.0040.0060.0080.0100.0120.014ee图2.42试件Z1组荷载-应变曲线图2.43试件ZH1组荷载-应变曲线130013001200C2-11200CH1-11100C2-21100CH1-21000C2-31000CH1-3900900800800700700P/kN600P/kN6005005004004003003002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图2.44试件C2组荷载-应变曲线图2.45试件CH1组荷载-应变曲线46 西安建筑科技大学硕士学位论文130013001200CH5-11200CH2-11100CH5-21100CH2-21000CH5-31000CH2-3900900800800700700P/kN600P/kN6005005004004003003002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图2.46试件CH2组荷载-应变曲线图2.47试件CH5组荷载-应变曲线130013001200CH6-11200CH7-11100CH6-21100CH7-2CH6-310001000CH7-3900900800800700700P/KN600P/kN6005005004004003003002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图2.48试件CH6组荷载-应变曲线图2.49试件CH7组荷载-应变曲线13001200CH8-11100CH8-21000CH8-3900800700P/kN600500400300200100000.0010.0020.0030.0040.0050.006e图2.50试件CH8荷载-应变曲线800800700C3-1C3-2700CH3-1600CH3-2C3-3600CH3-3500500400400P/KN300P/KN3002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图2.51试件C3组荷载-应变曲线图2.52试件CH3组荷载-应变曲线47 西安建筑科技大学硕士学位论文800800700C4-1700C4-2CH4-1600C4-3600CH4-2CH4-3500500400400P/KN300P/KN3002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图2.53试件C4组荷载-应变曲线图2.54试件CH4组荷载-应变曲线由图2.42~2.54可以看出，试件应力-应变曲线具有以下特点：（1）在加载初期，试件变形很小，基本处于弹性阶段，应力-应变曲线基本为一条直线。（2）与未加固试件相比，在出现裂缝之前，试件的整体刚度得到明显提高。曲线的斜率明显大于不加固试件。四面加固提高的幅度最大，双面加固大于单面加固。钢筋加固比对拉螺栓加固提高幅度稍大一些。（3）裂缝继续发展期间，试件内部的裂缝开始逐渐延伸，荷载继续增大，砌体的应变增加较快；曲线的斜率开始变缓，逐渐变小趋势，试件表现出一定的塑性特点。（4）试件进入峰值荷载以后，对于未加固轴压试件，未加固短柱曲线下降明显较快，呈现明显脆性破坏。长柱试件曲线下降较平缓，表现出一定的延性破坏。分析原因，短柱最后因裂缝贯通而被分为若干个独立小柱体而丧失承载力，达到破坏状态。长柱在峰值荷载前，裂缝不明显，在峰值荷载之后，裂缝上下贯通，加宽加快，最后局部位置砖压碎，柱子出现一定弯曲，最后进入破坏状态。但对于未加固偏压长柱，小偏压长柱在峰值荷载之后，曲线陡降，很快进入破坏状态，大偏压长柱出现两种破坏形态，C4-1试件在荷载达到破坏荷载时，受压侧中下部出现一条斜向大裂缝，最后进入破坏状态，曲线表现为在峰值荷载后陡降。C4-2和C4-3试件最后破坏形态为在试件受压侧局部砖压碎、受拉侧出现水平裂缝而进入破坏状态。曲线表现为出现陡降。本试验承载力下降到峰值荷载的85%时，就认为试件进入破坏状态，试验停止加载。对于加固的砖砌体试件，在破坏荷载之后，试件的承载力承载力仍然比未加固试件的峰值荷载高很多。试验中所有的柱子在最后试验完成加载都并未倒塌破坏，而是仅靠着机械咬合力赖以支撑。48 西安建筑科技大学硕士学位论文（5）对于未加固的砖柱，同组试件峰值荷载离散型相对较大，而对于加固试件，同组试件的峰值荷载相对接近。离散型较小。2.7.4荷载-挠度曲线分析将各试件的荷载-挠度曲线汇总如下图2.55-图2.65。600140050012001000400800300P/KNP/KN600200400C2-1CH1-1100C2-2200CH1-2C2-3CH1-300-8-6-4-202468-7-6-5-4-3-2-101234D/MMD/MM图2.55C2组荷载挠度曲线图2.56CH1组荷载挠度曲线90011008001000900700800600700P/kN500P/kN600400500300400CH2-1300200CH5-1CH2-2200CH5-2100CH2-3100CH5-300-4-3-2-10123456789-4-3-2-101234D/MMD/MM图2.57CH2组荷载挠度曲线1图2.58CH5组荷载挠度曲线900800800700700600600500500P/kNP/kN400400300300200CH7-1200CH6-1CH7-2CH6-2100100CH7-3CH6-300-4-3-2-101234-4-3-2-101234D/MMD/MM图2.59CH6组荷载挠度曲线图2.60CH7组荷载挠度曲线49 西安建筑科技大学硕士学位论文800700600500P/kN400300200CH8-1CH8-2100CH8-30-4-3-2-1012345D/MM图2.61CH8组荷载挠度曲线400800350700300600250500P/KN200400P/KN150300100C3-1200CH3-1C3-2CH3-250100CH3-3C3-300-202468-2-101234567D/MMD/MM图2.62C3组荷载挠度曲线图2.63CH3组荷载挠度曲线350600300500250400200P/kN300P/kN150200100CH4-1C4-150C4-2100CH4-2CH4-3C4-300-4-20246-1012345D/MMD/MM图2.64C4组荷载挠度曲线图2.65CH4组荷载挠度曲线从图2.55-图2.65的荷载-挠度曲线可以看出：（1）对于轴压长柱，加固长柱在峰值荷载前的挠度曲线的斜率明显比未加固长柱的陡峭，说明加固后的长柱的挠度变形得到了有效的改善。（2）对于偏压长柱，加固后的长柱试件的挠度变形也有所改善。比未加固试件提供更好的变形能力。（3）无论对于轴心受压长柱，还是偏心受压长柱，在挠度相同的情况下，加固试件的荷载远大于未加固试件的荷载值，说明加固以后，试件整体刚度增大，整体稳定性有了很大的提高，试件能承受更大的荷载。50 西安建筑科技大学硕士学位论文2.7.5HDC面层、钢筋和对拉螺栓应变曲线分析根据各试件在每级荷载作用下的应变测试结果绘制出各加固试件的荷载-应变曲线，对于钢筋加固的长柱试件，纵向钢筋的应变取面层中部钢筋应变作曲线图，箍筋取柱中部箍筋应变作曲线图，对于对拉螺栓加固的长柱试件，对拉螺栓取中部区域对拉螺栓作应变曲线图。所有曲线如图2.66~2.78所示，同时得到各试件在极限荷载时的应变见表2.11和表2.12。800140012006001000800400CH1-1面层受压应变600CH1-2面层受压应变P/kNP/kNCH1-3面层受压应变400CH1-1钢筋受压应变200CH1-1箍筋受拉应变ZH1-1面层受压应变CH1-2钢筋受压应变ZH1-2面层受压应变200CH1-2箍筋受拉应变ZH1-3面层受压应变CH1-3钢筋受压应变CH1-3箍筋受拉应变00-1500-1000-5000500100015002000-2500-2000-1500-1000-5000500100015002000μεμε图2.66ZH1组荷载-应变曲线图2.67CH1组荷载-应变曲线90011001000800900700800600700500CH2-1面层受压应变600CH2-2面层受压应变CH5-1面层受压应变400CH2-3面层受压应变500CH5-2面层受压应变P/kNCH2-1钢筋受压应变P/kN400CH5-3面层受压应变300CH2-1箍筋受拉应变CH5-1钢筋受压应变CH2-2钢筋受压应变300CH5-1箍筋受拉应变200CH2-2箍筋受拉应变CH5-2钢筋受压应变200CH5-2箍筋受拉应变CH2-3钢筋受压应变100CH5-3钢筋受压应变CH2-3箍筋受拉应变100CH5-3箍筋受拉应变00-3000-2000-10000100020003000-3000-2000-100001000μεμε图2.68CH2组荷载-应变曲线图2.69CH5组荷载-应变曲线900800800700700600600500500CH6-1面层受压应变400400CH6-2面层受压应变P/kNCH7-1面层压应变CH6-3面层受压应变P/kN300CH7-2面层压应变300CH6-1钢筋受压应变CH7-3面层压应变CH6-1箍筋受拉应变200CH7-1对拉螺栓拉应变200CH6-2钢筋受压应变CH7-2对拉螺栓拉应变CH6-2箍筋受拉应变CH7-3对拉螺栓拉应变100CH6-3钢筋受压应变100CH6-3箍筋受拉应变00-4000-3000-2000-1000010002000300040005000-2000-1500-1000-5000500μεμε图2.70CH6组荷载-应变曲线图2.71CH7组荷载-应变曲线51 西安建筑科技大学硕士学位论文800700600500400300P/kNCH8-1面层压应变200CH8-2面层压应变CH8-3面层压应变CH8-1对拉螺栓拉应变100CH8-2对拉螺栓拉应变CH8-3对拉螺栓拉应变0-1400-1200-1000-800-600-400-2000200400600με图2.72CH8组荷载-应变曲线700800600700500600500400400300P/kNP/kN靠近偏心一侧面层应变300CH3-2靠近偏心一侧面层应变200远离偏心一侧面层应变CH3-2远离偏心一侧面层应变靠近偏心一侧钢筋应变200CH3-2靠近偏心一侧钢筋应变远离偏心一侧钢筋应变CH3-2远离偏心一侧钢筋应变100靠近偏心一侧箍筋应变100CH3-2靠近偏心一侧箍筋应变远离偏心一侧箍筋应变CH3-2远离偏心一侧箍筋应变00-2500-2000-1500-1000-50005001000-2000-100001000200030004000μεμε图2.73CH3-1荷载-应变曲线图2.74CH3-2荷载-应变曲线800600700500600400500400300P/kN300CH3-3靠近偏心一侧面层应变P/kNCH3-3远离偏心一侧面层应变200CH4-1靠近偏心一侧面层应变200CH3-3靠近偏心一侧钢筋应变CH4-1远离偏心一侧面层应变CH3-3远离偏心一侧钢筋应变CH4-1靠近偏心一侧钢筋应变CH3-3靠近偏心一侧箍筋应变100CH4-1远离偏心一侧钢筋应变100CH3-3远离偏心一侧箍筋应变CH4-1靠近偏心一侧箍筋应变CH4-3远离偏心一侧箍筋应变00-6000-5000-4000-3000-2000-1000010002000-6000-4000-20000200040006000800010000μεμε图2.75CH3-3荷载-应变曲线图2.76CH4-1荷载-应变曲线52 西安建筑科技大学硕士学位论文600500500400400300300P/kNCH4-3靠近偏心一侧面层应变P/kN200CH4-3远离偏心一侧面层应变200CH4-2靠近偏心一侧面层应变CH4-3靠近偏心一侧钢筋应变CH4-2远离偏心一侧面层应变CH4-3远离偏心一侧钢筋应变CH4-2靠近偏心一侧钢筋应变100CH4-3靠近偏心一侧箍筋应变100CH4-2远离偏心一侧钢筋应变CH4-3远离偏心一侧箍筋应变CH4-2靠近偏心一侧箍筋应变CH4-2远离偏心一侧箍筋应变00-2500-2000-1500-1000-50005001000-8000-6000-4000-200002000400060008000μεμε图2.77CH4-2荷载-应变曲线图2.78CH4-3荷载-应变曲线从表2.11和表2.12以及图65~图78所示的关系曲线可以看出：（1）HDC面层和纵筋应变分析1）对拉螺栓加固短柱ZH1，在加载初期，HDC面层应变随着荷载的增加而增大，至开始出现裂缝之前，呈一条直线。出现裂缝后，由于两端对拉螺栓的作用，柱子中部面层开始外鼓，面层应变片开始转为受拉，曲线由负值往正值方向偏移，最后面层断裂进入破坏荷载时。2）钢筋加固轴压长柱试件为CH1、CH2、CH5、CH6，在加载初期，HDC面层和受压钢筋应变几乎同步增长，材料基本处于弹性阶段，在接近破坏时，钢筋屈服，进入弹塑性阶段，荷载增加缓慢，应变增长迅速，钢筋强度得到充分发挥。而HDC应变曲线近似为线性，材料仍处于弹性阶段，面层未达到极限压应变，HDC强度未得到充分利用。3）对拉螺栓加固轴压长柱试件为CH7和CH8，从应变曲线可以看出，HDC面层和对拉螺栓应变随着荷载的增加而增长，曲线呈线性。接近破坏荷载时，对拉螺栓应变增长迅速，说明在后期，对拉螺栓发挥了对面层的约束作用，增加面层和核心砌体共同的抗压能力。而面层材料仍处于弹性阶段，未达到极限压应变，HDC强度未得到充分利用。4）CH3组长柱试件，偏心距ey=0.3，从应变曲线可以看出，靠近轴力一侧纵筋屈服，钢筋被完全利用，荷载-应变曲线近似两线段，在达到屈服应变前斜率较大，钢筋处于弹性阶段，在屈服之后，直线斜率明显减小。钢筋由弹性阶段进入弹塑性阶段，而面层仍未达到极限压应变，HDC强度未得到充分利用。远离轴力一侧纵筋以及HDC面层压应变随荷载增加而增大，材料还处在弹性阶段，接近峰值荷载时，仍为压应变。钢筋未屈服，面层也未达到峰值压应变，得不到充分利用。长柱在此偏心距下，试件处于全截面受压状态。53 西安建筑科技大学硕士学位论文5）CH4组长柱试件，偏心距ey=0.6，在偏心荷载作用下，试件靠近轴力一侧受压，远离轴力一侧受拉。达到极限荷载时，靠近轴力一侧钢筋基本屈服，钢筋完全被利用，远离轴力一侧纵筋未屈服。高延性混凝土仍为线性增长，未达到极限压应变，强度未得到充分利用。（2）箍筋应变分析1）轴压试件中部的箍筋，对于CH1组四面钢筋加固试件，箍筋的荷载-应变曲线斜率很大，箍筋应变很小，说明四面加固的长柱HDC面层对核心砌体的围套约束作用在此阶段较小，在极限荷载时，箍筋应变曲线变缓，应变增加较快，说明此时箍筋及HDC面层发挥了对核心砌体的约束作用。只有CH1-3箍筋应变达到屈服，其他未达到屈服，分析原因，可能是面层较厚，柱子较长，面层钢筋位置较薄弱，面层断裂时，主要出现在钢筋部位，箍筋来不及发挥作用，面层断裂剥离，荷载下降，柱子丧失承载能力。2）双面和单面钢筋加固的长柱，箍筋的应变分为两段曲线，在开裂荷载前和开裂荷载后，前期荷载-应变曲线呈线性，说明此时，箍筋发挥作用小，后期箍筋应变增长较快，大部分箍筋屈服，完全发挥作用，少部分箍筋未达到屈服应变，没有充分利用。说明对于双面钢筋加固试件，箍筋发挥了对面层对核心砌体的约束作用。3）偏心受压构件，远离轴力一侧的箍筋未达到受拉屈服，几乎没有发挥作用。靠近轴力一侧的箍筋应变在加载前期，曲线斜率较大，基本上箍筋未发挥作用，在加载后期，至极限荷载，箍筋应变增长迅速，说明在后期，箍筋及HDC面层充分发挥了对砖砌体的约束，共同受力。直至高延性混凝土面层与核心砌体发生局部剥离。箍筋达到屈服，此时砌体达到极限压应变而破坏。表2.11轴压试件极限荷载时的应变试验结果试件高延性试件高延性试件对拉高延性钢筋钢筋编号混凝土编号混凝土编号螺栓混凝土CH1-1-1500-1788CH5-1-1560-1513CH7-1574-1133CH1-2-2373-1362CH5-2-2409-1756CH7-2352-1527CH1-3-1328-2244CH5-3-3196-2785CH7-3336-1602CH2-1-2305-2802CH6-1-3503-2533CH8-1273-1180CH2-2-2482-2108CH6-2-1487-2371CH8-2639-1526CH2-3-2158-1293CH6-3-1839-1274CH8-31589-109154 西安建筑科技大学硕士学位论文表2.22偏压试件极限荷载时的应变试验结果钢筋高延性混凝土试件远轴力近轴力远轴力近轴力远轴力近轴力编号侧纵向侧纵向侧箍筋侧箍筋侧纵向侧纵向CH3-1-614-2045162876-319-1788CH3-2-1026-18893661952-391-1482CH3-3-514-2386223558-241-2298CH4-1281-41191801157224-1983CH4-2363-358323149241578-1388CH4-3794-2190296675340-15812.8本章小结（1）本试验所用短柱、长柱在不同试验因素组合下，加固之后试件极限受压承载有大幅度提高，是未加固砖柱的1.59~3.6倍。说明HDC面层可与核心砖砌体共同承担竖向荷载，提高组合砌体的受压承载力。（2）HDC面层加固柱的承载力大幅度提高。在达到极限承载力时加固面层与核心砖砌体才发生局部剥离，说明加固面层与原砖砌体协同工作性能良好，高延性混凝土面层与核心砌体间具有较好的粘结能力。（3）HDC面层加固砖砌体柱的极限应变有较大幅度提高。相对于未加固砖柱，加固后，试件的峰值应变提高幅度范围在1%~32%之间。说明HDC面层加固能够对裂缝的发展有较明显的抑制和延缓作用。显著的改善了砖柱的裂缝形态，充分发挥了砖柱的纵向塑性变形性能。（4）通过对所有长柱的荷载-挠度曲线分析，可以得到加固轴砖柱的挠度变形明显小于未加固砖柱，说明加固后砖柱的挠度变形得到了有效的改善。加固后试件整体刚度以及整体稳定性有了很大的提高，能承受更大的荷载。（5）对于未加固小偏心和大偏心长柱试件，通过HDC面层加固，能够有效的改善长柱的破坏形态，提高构件的极限承载力，改善试件的变形能力和挠度，提高偏压试件的整体稳定性。（6）载初期，箍筋应变增长缓慢，在接近破坏荷载时，应变急剧增大，充分发挥了对于核心砌体的约束作用，加载结束后，试件仍具有一定的承载能力和变形能力，有很好的整体性。55 西安建筑科技大学硕士学位论文（7）达到破坏荷载时，钢筋达到屈服应变，面层未达到极限压应变，核心砖砌体被压碎，HDC面层与核心砌体间出现局部剥离，两者不能完全共同工作，HDC面层强度未得到充分利用。因此采用高延性混凝土加固试件的受压承载力提高有一定限制。56 西安建筑科技大学硕士学位论文第3章HDC加固砖砌体组合砖墙轴心受压性能试验研究3.1引言在砖砌体结构房屋中，砖墙是最为重要的承重构件之一。由于砌体结构的抗拉强度低、抗裂性能差以及材料自身的脆性特点，由于建造年代比较久远及当时的设计水平有限等原因，结构存在着明显不足，结构老化严重，地震中破坏率很高。故在抗震鉴定的基础上，综合经济和安全因素，对大批早期的砌体结构进行加固改造。目前，很多加固方法的技术理论水平均较为成熟，且在工程实践中得到了应用，常用的砖砌体加固方法有：钢筋网水泥砂浆面层加固法、钢筋混凝土面层加固法、增设砌体扶壁柱加固法和砌体结构构造性加固法、粘贴纤维复合材加固法等，但上述方法均存在不足之处[58]4。本章对HDC加固砖砌体组合砖墙受压性能进行了试验研究，本次试验共进行了3组砖墙，共9个试件，进行轴心受压试验。本试验重点考虑不同加固方式对轴心受压承载力的影响，且与上一章砖柱加固进行对比分析，进行承载力公式合理性的验证，通过记录试验现象并整理试验数据，对破坏现象及及破坏形态、荷载与轴向变形、荷载-应变曲线等进行了详尽的分析。3.2试件设计施工与制作3.2.1试件设计本试验设计3组（每组3个），共9片砖墙进行试验。砖墙的β为7.9。试件的厚度和宽度的制作允许误差为±5mm。本试验所有试件采用规格240mm×115mm×53mm的普通烧结砖，制作试件时，同一组砖墙由一至两名熟练瓦工砌筑，砌筑试件的同时制作砂浆试块3组。砌筑完成后，在自然条件下与砖墙在相同条件下养护。对试件宽侧面层压抹高延性混凝土。由于砖墙高而窄，为了避免局部压碎破坏以及加载和吊装的方便，对于砖墙，在试件的上部设置一混凝土垫梁[59]；下部设置混凝土底梁；砖墙设计参数见表3.1，具体尺寸如图3.1。本次设计试验砖的设计强度等级为MUl0，砌筑时砂浆设计强度等级为Mb2.5，高延性混凝土（HDC）设计强度等级为C60。砖墙顶部垫梁及底梁采用14的纵筋和10@100的箍筋。混凝土设计强度等级为C40。本次砖墙试验所有的材料，砖和砂浆、对拉螺栓以及高延性混凝土与上一章砖柱采用同一厂家的材料，属同一批构件，与砖柱同时施工、同时砌筑，同条件养护。57 西安建筑科技大学硕士学位论文表3.1编号及参数设计表试件尺寸试件加固方式加固方向编号（长度×宽度×高度）个数Q1不加固-3对拉螺栓+双面HDC面层QH1740×240×1900沿740mm方向3（20mm）对拉螺栓+单面HDC面层QH2沿740mm方向3（20mm）20019007403004074040240(a)对比砖墙试件尺寸图40240404024040200200200120对拉螺栓对拉螺栓500@550@550190019001900120HDC面层HDC面层55020@60020@600节点详图节点详图对拉对拉螺栓对拉螺栓螺栓300300300802408080240804074040(b)双面设置对拉螺栓加固尺寸图(c)单面设置对拉螺栓加固尺寸图（沿740mm方向）（沿740mm方向）58 西安建筑科技大学硕士学位论文砖墙砖墙螺杆螺杆螺帽螺帽方形板方形板钢筋条钢筋条螺栓孔d=10mm60mm方形板钢筋6,L=40mm焊接(d)对拉螺栓加固详图及试件做法图3.1试件尺寸及加固截面详图3.2.2试件制作与养护为方便试件的加载和吊装，制作了9个长×宽×高为820mm×400mm×300mm混凝土底梁。底梁的配筋为纵筋采用814，箍筋采用10@100。底梁浇筑完毕拆模。等待墙体砌筑。对拉螺栓的应变片贴好并进行编号，等待砌筑时使用。砌筑前，先画出砖砌筑的位置。试件砌筑前一天，将砖用水浇湿，砌筑时砖的含水率尽量控制在10～12%左右，砌筑砂浆现场搅拌。采用分层流水作业法砌筑，将同一盘砂浆轮流砌筑到每个试件的同一部位。砖墙的设计高度为1900mm，一次性砌筑到设计高度。其中砌筑过程中对拉螺栓以及有应变片的对拉螺栓按照设计图要求放置，边砌边放。完成以后，自然养护3-4天。再进行顶梁模板制作。顶梁的纵筋采用614，箍筋采用10@100。自然养护一周，最后人工对面层压抹HDC。完成后，立即采用保水性较好的黑心棉进行湿水养护。等待试验加载。3.3试验的材料性能试验本试验所采用砖、砂浆和HDC与上一章的长柱所有的材料都是同一厂家，同一配比，同样标号，对拉螺栓也是同一批次的，砖墙与砖柱同时砌筑，同条件养护。本章材料性能数据不再重复计算，直接采用上一章材性试验数据。根据上一章的试验研究得出：砖的抗压强度平均值为29.1MPa，砂浆的抗压强度平均值为59 西安建筑科技大学硕士学位论文3.93MPa，HDC的抗压强度平均值为57.29MPa，对拉螺栓的屈服强度为298MPa。3.4试验装置及加载方式3.4.1试验装置本试验在西安建筑科技大学雁塔校区结构与抗震试验室5000kN电伺服压力试验机上对试件进行静力加载。试验装置及加载图如图3.2。试验机上承压板2233试验机下承压板1、刀口支座；2,混凝土垫梁；3、位移计（a）轴压砖墙试验装置图（b）轴压砖墙加载图图3.2试验装置示意图3.4.2加载方式及测试内容本试验为单调静力加载试验，本试验采用分级加载制度，在正式加载前，对试件进行预压三到五次，预压荷载为预估破坏荷载值5%至10%区间内，预压完成以后，卸载并对读数进行清零，开始加载；试件加载采用等位移连续加载方式，对于轴压试件，在开裂荷载出现之前，加载速度0.5mm/min，开裂荷载之后，加载速度变为0.2mm/min；加荷至预估破坏荷载80%后，连续加载直至试件破坏，荷载值降低至峰值荷载的85%，即可认为试件达到破坏状态。本次试验的测量试件的开裂荷载，极限荷载及轴向位移。在试验加载过程中，主要观察第一条明显的裂缝，记录裂缝位置及开裂荷载值，同时随着荷载的增加，观察记录试件的裂缝发展变化的特点，加载完成之后，标记主要的裂缝，同时记60 西安建筑科技大学硕士学位论文录破坏特征。本次试验测量的应变主要有对拉螺栓和面层混凝土应变。墙体两边中部四个对拉螺栓，其中选择对角的对拉螺栓粘贴有应变片，作为应变片1和应变片2，用于测量加载过程中，测量加载过程中对拉螺的应变。加固面层中部粘贴有应变片，用于测量面层在轴压下的应变状态。3.5试验现象及结果分析3.5.1试验现象以下几个荷载在此先定义:开裂荷载—试件出现第一条裂缝时的荷载。峰值荷载—试件达到最大承载力时的荷载。极限荷载—试件破坏（丧失承载能力）时的荷载。当荷载下降到峰值荷载的85%时，本试验加载完毕，停止加载。在以下的试验现象描述中。所有的砖墙高度为1900mm，竖向的砖共30皮，描述裂缝位置时，除特殊注明外，文中所说皮数均为从下往上读取数据。对于HDC面层来说，除特殊注明外，文中所述的高度均为从底梁上顶面往上读取数据。（1）试件Q1组Q1-1、Q1-2、Q1-3为对比砖墙试件组，其裂缝破坏形态大致相同。Q1-1试件裂缝情况如下:在800kN时，砖墙正立面靠左位置第16、23皮砖出现裂缝。在870kN时，正立面中部第23皮砖及靠左第23~26皮砖出现多条竖向裂缝，背立面靠左第16、23皮砖出现裂缝，左立面第17~19皮砖之间出现一条贯通裂缝，在880kN时，右立面第21皮砖出现裂缝。在890kN时，裂缝增多增快，在正立面的左、中、右集中区域出现多条竖向裂缝，在910kN时，在左立面的第15~16皮砖，中部第24~26皮砖，右立面第17~24皮砖，正立面在15~17皮砖。均出现一条或者多条竖向贯通裂缝。在920kN~940kN时，原裂缝继续延伸并且加宽。背立面16~24皮砖出现竖向裂缝及贯通裂缝，左立面在14~17皮砖之间出现竖向裂缝。右立面在21~26皮砖之间出现裂缝。加载至破坏荷载，正立面和背立面中部均出现几条主要的竖向大裂缝，砖突出外鼓有压碎掉落。两侧面中部各出现从上往下的一条大裂缝，最大裂缝宽度达3mm，且右立面和正立面角部在中部砖有碎裂。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.3。Q1-2试件裂缝情况如下:开裂荷载在500kN，继续加载，正立面中部及两侧面出现多条裂缝及贯通裂缝。至峰值荷载742KN时，左立面和正立面在上部的角部砖外鼓裂开。继续加载至破坏荷载，正立面左侧中上部形成一条大裂缝及多条61 西安建筑科技大学硕士学位论文竖向裂缝。背立面靠左侧中上部砖有劈裂外鼓，两个侧面均出现一条大主裂缝，靠近侧面部位砖被压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.4。Q1-3试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在740kN，即峰值荷载，四个面均出现裂缝。加载至破坏荷载，四个砖面层在下部均出现多条竖向裂缝，同时左立面底部附近包括正立面和背立面，砖压碎脱落，左立面中部出现一条大裂缝，最大裂缝宽度大5mm。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.5。（2）试件QH1组QH1-1、QH1-2、QH1-3为双面设置对拉螺栓加固（740mm方向加固）砖墙试件组，其裂缝破坏形态大致相同。QH1-2试件裂缝情况如下:在1180kN时，HDC面层有撕裂，1390kN~1450kN时，右立面第7、27皮砖，22~29皮砖出现竖向及贯通裂缝。在1740kN时，左立面在第21~24皮砖出现两条竖向裂缝。在1750kN时，右立面第28~29皮砖裂缝延伸至第30皮砖。在1780kN时，裂缝往下延伸一皮砖，原裂缝继续加宽，左立面第15~24皮砖出现两条竖向贯通裂缝。在1880kN时，背立面顶梁下10cm处HDC面层断裂外鼓，荷载继续上升，当到达峰值荷载时，正立面中下部HDC面层断裂外鼓，继续加载至破坏荷载，两HDC断裂面层上下完全错开，与砖面层完全脱离。最大距离有10mm。两侧砖面层在中下部均形成一条大裂缝，最大宽度达5mm。同时上部形成多条竖向裂缝，砖局部有压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.7。QH1-1试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在1020kN，到峰值荷载1661KN时，正立面上部HDC面层断裂外鼓。继续加载至破坏荷载，正立面HDC断裂面层错位，与砖面层完全脱开，最大脱离距离有5mm，同时背立面两端出现多条水平缝，两砖面层中上部出现多条竖向贯通裂缝，砖有压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.6。QH1-3试件裂缝情况如下:试件开裂荷载在910kN，当到峰值荷载1928KN时，背立面中部HDC面层断裂外鼓。继续加载至破坏荷载，HDC断裂面上下错位，与砖面层完全脱离，最大裂缝达4mm，断裂处砖面层压碎外鼓掉落。两侧砖面层中上部出现多条竖向裂缝及贯通裂缝。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.8。62 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.3试件Q1-1破坏形态图3.4试件Q1-2破坏形态63 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.5试件Q1-3破坏形态图3.6试件QH1-1破坏形态及裂缝分布64 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.7试件QH1-2破坏形态及裂缝分布图3.8试件QH1-3破坏形态及裂缝分布（3）试件QH2组QH2-1、QH2-2、QH2-3为单面设置对拉螺栓加固（740mm方向加固）砖墙试65 西安建筑科技大学硕士学位论文件组，其裂缝破坏形态大致相同。QH2-1试件裂缝情况如下:在710kN时，正立面和左立面在第23皮砖角部有压裂。在800kN时，正立面第25皮砖中部压碎掉落，背立面在HDC顶部出现两条竖向裂缝。在1570kN时，正立面第20~22及28~30皮砖出现两条贯通裂缝，砖有压碎外鼓，左立面第24~25皮砖出现竖向裂缝，在1610kN时，右立面第21~22皮砖掉落，裂缝达2mm，第5~8皮砖形成一条通缝，正立面中部第24~28皮砖出现通缝，到1680kN时，左立面第18~19皮砖出现贯通缝，右立面第21~22皮砖裂缝往上延伸4皮砖，达到峰值荷载1703kN时，顶梁下面层HDC裂开，加载至破坏荷载，正立面19~30皮砖出现两条主要贯通裂缝，左立面23~26皮砖高度HDC面层与砖面层有脱开现象，同时中部出现多条竖向裂缝，右立面第16皮砖到顶部出现一条贯通缝，同时第15~18皮砖完全压碎掉落。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.9。QH2-2试件裂缝情况如下:裂荷载在1080kN，峰值荷载在1552KN，背立面中上部HDC面层断裂外鼓。加载至破坏荷载，正立面第15~26皮砖形成贯通裂缝。左立面1~6皮砖出现两条裂缝，第9~20皮砖HDC面层与砖面层有裂缝并且局部有脱开，右立面在相同高度HDC面层与砖面层出现裂缝且局部脱开。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.10。QH2-3试件裂缝情况如下:开裂荷载在850kN。至峰值荷载1529KN时，背立面1.2m高度HDC面层断裂外鼓。加载至破坏荷载，正立面上部形成多条竖向主要裂缝。最大裂缝达到3mm，两侧面各形成一条竖向大裂缝，裂缝宽度最大达4mm，正立面与两侧面角部砖压碎外鼓。试件的最终破坏形态及裂缝分布见图3.11。66 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.9试件QH2-1破坏形态及裂缝分布图3.10试件QH2-2破坏形态及裂缝分布67 西安建筑科技大学硕士学位论文图3.11试件QH2-3破坏形态及裂缝分布3.5.2承载力分析将本次试验的9个试件的开裂荷载、极限荷载的试验结果汇总如表3.2所示。表3.2墙体受压砖墙试验结果开裂荷载平均值荷载比值极限荷载平均值荷载比值试件编号/kN/kN/kN/kNQ1-1800943Q1-2740620-742731-Q1-3500720QH1-110201661QH1-2118010361.67191518342.50QH1-39101928QH2-17101703QH2-210808801.41155215942.18QH2-38501529从表中可知:（1）相对于未加固试件，HDC加固试件的开裂荷载与极限荷载都有相当大幅68 西安建筑科技大学硕士学位论文度的提高。（2）对于加固的砖墙而言（Q1-1试件因砌体离散性大，数据不参与取平均值），与未加固试件相比，HDC双面740mm方向加固开裂荷载为对比试件的1.67倍，极限荷载为对比试件的2.5倍。HDC单面740mm方向加固开裂荷载为对比试件的1.41倍，极限荷载为对比试件的2.18倍。3.5.3轴向应变分析将各组试件的峰值应变汇总如下表3.3。表3.3轴心受压砖墙试验结果峰值压应变平均值提高幅度试件编号e0em/%Q1-10.0041Q1-20.00420.0038-Q1-30.0031QH1-10.0039QH1-20.00440.00418QH1-30.0041QH2-10.0049QH2-20.00390.004621QH2-30.005从表中可以得出:（1）对于砖墙，加固后砖砌体的竖向峰值应变得到了提高，有效的改善了原砌体的脆性破坏，提高了砖墙的延性。（2）与未加固砖墙相比，双面对拉螺栓加固的墙体的峰值压应变较未加固砖墙提高8%，单面对拉螺栓加固墙体的峰值压应变提高21%。3.5.4荷载-轴向应变曲线分析将各试件的荷载与应变曲线汇总如下图12-图14。69 西安建筑科技大学硕士学位论文20002000190019001800Q1-11800QH1-11700Q1-21700QH1-2160016001500Q1-31500QH1-31400140013001300120012001100110010001000900900P/kN800P/KN8007007006006005005004004003003002002001001000000.0010.0020.0030.0040.0050.00600.0010.0020.0030.0040.0050.006ee图3.12试件Q1荷载-应变曲线图3.13试件QH1荷载-应变曲线200019001800QH2-11700QH2-21600QH2-3150014001300120011001000900800P/KN700600500400300200100000.0010.0020.0030.0040.0050.006e图3.14试件QH2荷载-应变曲线由上图形可以看出，试件应力-应变曲线具有以下特点:（1）无论是对于加固砖墙还是不加固砖墙而言，两者在加载初期变形都很小，试件基本处于弹性工作阶段，表现出的应力-应变曲线基本为一条直线。（2）加固试件的荷载-应变曲线的斜率明显陡于不加固砖墙试件。说明与未加固砖墙相比，加固试件的整体刚度得到明显提高。（3）随着荷载的继续加载，裂缝也继续增加，砖墙内部的裂缝开始逐渐延伸，砖墙的应变增加较快；表现出的曲线斜率开始变缓，斜率有逐渐变小趋势，可以看出试件表现出一定的塑性特点。（4）当荷载进入到峰值荷载以后，与对比试件相比，加固试件的曲线出现陡降，对拉螺栓加固对砖墙的承载力有极大的提高的同时，但由于面层和对拉螺栓的作用，提高砖墙的承载力，但面层一旦外鼓断裂，就无法提供承载能力，此时本身内部的砖墙在荷载继续加载的同时，裂缝迅速扩展，荷载迅速下降到破坏荷载，本试验当荷载下降到峰值荷载的85%，即试验加载结束。（5）对于未加固的砖柱，同组试件峰值荷载离散型相对较大，而对于加固试件，同组试件的峰值荷载相对接近。离散型较小。70 西安建筑科技大学硕士学位论文3.5.5加固层作用机理分析对于对拉螺栓加固的砖墙，由于HDC面层与砖砌体之间有良好的粘结能力，面层与核心砖砌体作为一个整体共同承受竖向荷载。在达到极限荷载的90%之前，试件破坏时核心砖砌体与HDC加固面层粘结良好，结合面没有发生滑移，没有发生界面的剥离破坏，双面对拉螺栓加固试件，加固层使砖墙成为明显的约束构件，横向对拉螺栓能在一定程度上约束内部砖砌体的横向膨胀变形，使内部砌体处于三向压应力状态。提高核心砌体的承载能力，由于HDC强度较高，进而总体的承载能力比之前提高较多。单面加固的试件，对单面HDC面层提供拉力，提高面层整体稳定性，由于面层与砖砌体有良好的粘结，使得面层与砖砌体能够承受较大承载力，由于后期砖面层裂缝的形成，造成面层没有横向支撑，最后局部断裂，构件丧失承载力。3.6HDC面层应变和对拉螺栓应变将各试件的荷载-应变曲线汇总如下图3.15-图3.20。各试件达到极限荷载时的应变测试结果见表3.4。18002000160014001200150010008001000P/kN600P/kN400500QH1-1受压面层应变CH1-2面层受压应变200QH1-1对拉螺栓受拉应变1CH1-2对拉螺栓受拉应变1QH1-1对拉螺栓受拉应变2CH1-2对拉螺栓受拉应变20-2000-10000100020003000400050006000700080000-2500-2000-1500-1000-500050010001500μεμε图3.15QH1-1荷载应变曲线图3.16QH1-2荷载应变曲线18002000160014001500120010001000800P/kNP/kN600500400QH2-1面层受压应变QH1-3面层受压应变QH2-1对拉螺栓受拉应变1QH1-3对拉螺栓受拉应变1200QH2-2对拉螺栓受拉应变2QH1-3对拉螺栓受拉应变100-3000-2500-2000-1500-1000-5000500100015002000-6000-4000-20000200040006000μεμε图3.17QH1-3荷载应变曲线图3.18QH2-1荷载应变曲线71 西安建筑科技大学硕士学位论文16001600140014001200120010001000800800P/kN600600P/kN400400QH2-2面层受压应变QH2-3面层受压应变200QH2-2对拉螺栓受拉应变1200QH2-3对拉螺栓受拉应变1QH2-2对拉螺栓受拉应变2QH2-3对拉螺栓受拉应变200-4000-3000-2000-100001000-200002000με40006000800010000με图3.19QH2-2荷载应变曲线图3.20QH2-3荷载应变曲线由上图形可以看出，试件应变曲线具有以下特点:（1）对于加固砖墙而言，应变曲线可以看出，HDC面层和对拉螺栓应变随着荷载的增加而增长，接近线性。接近破坏荷载时，对拉螺栓应变曲线直接进入屈服阶段，曲线下降。而面层材料仍处于弹性阶段，未达到极限压应变，HDC强度未得到充分利用。（2）对于双面对拉螺栓加固的曲线分为两个阶段，当达到极限荷载60%-70%之前，对拉螺栓的曲线斜率较大，对拉螺栓应变很小，说明对拉螺栓对面层的约束作用不大，之后随着荷载的继续增大，对拉螺栓的应变增长很快，曲线斜率逐渐减小，变化率不断增大，试件接近极限荷载时，对拉螺栓应变增长迅速，直至屈服，说明在后期，对拉螺栓发挥了对面层的约束作用，增加面层和核心砌体共同的抗压能力。对于单面加固的对拉螺栓曲线基本上峰值荷载之前随着荷载的增加而增大，在到达峰值荷载时，应变增长迅速，此时发挥了对拉螺栓面层的约束作用，增加砖墙的承载能力。表3.4轴压试件极限荷载时的应变试验结果试件高延性钢筋应变1钢筋应变2编号混凝土QH1-118004435-1527QH1-254297-1832QH1-33912346-1841QH2-14575964-2097QH2-2346780-1436QH2-323710000-180372 西安建筑科技大学硕士学位论文3.7本章小结（1）相对于未加固砖墙试件，采用HDC加固砖砌体组合砖墙对开裂荷载与极限荷载都有相当大幅度的提高。HDC双面740mm方向加固开裂荷载为对比试件的1.67倍，极限荷载为对比试件的2.5倍。HDC单面740mm方向加固开裂荷载为对比试件的1.41倍，极限荷载为对比试件的2.18倍。（2）与未加固砖墙相比，双面对拉螺栓加固墙体的峰值压应变较未加固砖墙提高8%，单面对拉螺栓加固墙体的峰值压应变提高21%，有效的改善了原砌体的脆性破坏。（3）对于加固砖墙，荷载-应变曲线的斜率明显陡于未加固砖墙。说明加固试件的整体刚度得到明显提高。（4）对于加固砖墙而言，对拉螺栓在加载过程中应变达到屈服应变，发挥了对面层的约束作用，增加面层和核心砌体共同的抗压能力。（5）加载过程中，面层和核心砌体协同工作，承载力大幅度提高。在达到极限承载力时加固面层与核心砖砌体才发生局部剥离，面层与原砖砌体协同工作性能良好，具有较好的粘结能力。73 西安建筑科技大学硕士学位论文74 西安建筑科技大学硕士学位论文第4章HDC加固砖砌体组合试件正截面承载力计算4.1引言本章在上两章试验研究的基础上，对未加固砖砌体受压承载力进行了分析对比，并对HDC加固砖砌体组合试件截面的极限状态进行了分析。并且根据组合砌体的计算模式，对HDC加固砖砌体受压承载力进行理论分析与研究，也可用于实际工程，进行参考。4.2砖砌体的力学性能用HDC面层加固法加固砖砌体，对组合构件进行承载力计算时，砖砌体的受压性能对计算有很大影响，主要包括其强度、应力-应变关系等，所以有必要先对其进行分析。4.2.1砖砌体的抗压强度计算公式在对国内外砌体抗压轻度公式分析的基础上，我国《砌体结构设计规范》[1]提出了一个比较完善统一的砌体抗压强度计算公式，即afm=k1f1(1+0.07fk22)（4-1）式中f—砌体轴心抗压强度平均值(MPa)；mf—块体的抗压强度平均值(MPa)；1f—砂浆的抗压强度平均值(MPa)；2k—与块体类别和砌体砌筑方法有关的参数，见表4.1；1a—与块体高度及块体类别有关的参数，见表4.1；k—砂浆强度影响的修正参数，见表4.1。2表4.1轴心抗压强度平均值f中采用的的参数值m砌体种类k1ak2烧结普通转、烧结多孔砖蒸压灰砂砖、蒸压粉煤灰0.780.5当f2<1时，kf22=0.6+0.4砖混凝土小型砌块0.460.9当f2=0时，k2=0.8毛料石0.790.5当f2<1时，kf22=0.6+0.4毛石0.220.5当f2<2.5时，kf22=0.4+0.24注:1k在列表条件以外时均等于1.0。275 西安建筑科技大学硕士学位论文2混凝土砌块砌体的轴心受压强度平均值，当f>10MPa，应乘以系数（1.1-0.01f），MU20的砌22体应乘以系数0.95，且满足ff³，f£20MPa。1214.2.2砖砌体受压应力-应变曲线砌体受压时，其应力-应变的关系不符合胡克定律，其应变增长的速度较应力增加的速度快，应力-应变之间的变化呈曲线关系[64]，国内外已经提出十余种砌体的受压应力-应变曲线的表达式。其中以A.онишик在20世纪30年代提出的对数公式较为常用[12]，也比较典型。1se=--ln(1)x1.1f（4-2）k式中e—砌体应变；s—砌体应力；x—与块体类别和砂浆强度有关的弹性特征值；fk—砌体抗压强度的标准值。施楚贤在上述公式的基础上，根据对87个砖砌体的试验资料的统计根系结果，提出以砌体抗压强度的均值为基本变量的砖砌体应力-应变关系式[66]:1se=--ln(1)xff（4-3）mm按最小二乘法求得公式（4-3）的待定系数x=460(f以“MPa”计)。最后，砖m砌体的受压应力-应变曲线公式可转化为:1se=--ln(1)460ff（4-4）mm目前（4-4）是国内常用的公式。该式较全面的反应了砖强度和砂浆强度及其变形性能对砌体变形的影响。对不同种类的砌体，只要依据试验资料统计得出相应的x值，公式仍适用。根据公式（4-3）可得出，当s趋近于f时，e趋近于¥，在分析砌体受压工m作特性时指出，当砌体加载到第二阶段，这时的荷载为破坏荷载的80%:90%，实际结构中的砌体若处于这种状况，应视为危险状态。因此建议s=0.9f时的应m变作为砌体的极限应变e。ult76 西安建筑科技大学硕士学位论文4.3对比试件承载力计算4.3.1砌体受压时承载力的影响系数根据《砌体结构设计规范》[1]附录D（D.0.1）可得:（1）当b£3时:1j=21+12æöe（4-5）ç÷èøh在本次试验组中，b£3组试件，短柱都是轴心受压，此时e=0，则公式可转化为j=1。（2）当b>3时:1j=1）轴心受压01+ab2（4-6）2）偏心受压1j=2éùæö1+121êúe+-11ç÷（4-7）êúh12èøjëû0式中j——轴心受压的构件的稳定系数；j0——轴心受压的构件的稳定系数；e——轴向力的偏心距；h——矩形截面的轴向力偏心方向的边长；a——与砂浆强度等级f2有关的系数，当砂浆强度等级大于或等于M5时，a=0.0015；当砂浆强度等级等于M2.5时，a=0.002；当砂浆强度等级等于0时，a=0.009，其他采用线性插值法插入；b——构件高厚比。4.3.2对比试件正截面受压承载力的计算对比试件的承载力计算，无论短柱，长柱，还是砖墙。我们可直接根据《砌体结构设计规范》[1]中关于无筋砌体受压构件的承载力计算方法，采用的表达公式为:N=jfA（4-8）77 西安建筑科技大学硕士学位论文式中N——轴向力设计值；j——高厚比b和轴向力的偏心距e对受压构件承载力的影响系数；f——砌体的抗压强度设计值；A——截面面积。规范中的砌体抗压强度平均值公式为:0.5fm=0.78ff12(1+0.07)（4-9）式中f、f分别取砖和砂浆的实测抗压强度，用砌体抗压强度平均值f值12mc代替砌体抗压强度设计值f，按上式计算得出的承载力记作规范值N，实测值记utct作N，规范值N与实测值N列于表4.2中，由实测得到的f=29.1MPa，uuu1f=3.94MPa，代入公式（4-7），得到f=5.37MPa。2m表4.2对比试件轴心受压试验结果tctc试件编号fm/MPabjNu/kNNu/kNNNuu/Z15.3731.0478.67476.691.004C25.37100.85420405.191.036Q15.377.90.91802.17867.880.924表4.3对比试件偏心受压试验结果tctc试件编号e/mmfm/MPabjNu/kNNu/kNNNuu/C3e=0.3y5.37100.54292.87257.411.137C4e=0.6y5.37100.32189.03152.541.239从表中数据分析可以得出:普通烧结砖砌体的试验值与规范公式计算值相比，比值在0.924~1.239之间，其中砖柱的实测值与规范计算值比值在1.004~1.239之间，基本上都高于规范计算值，偏于保守。而砖墙的实测值与规范计算值的比值为0.924，比计算值稍低，可能是由于砌体的离散型太大，造成砖砌体结构在受压过程中试验值偏低。4.4组合砌体计算模型《砌体结构设计规范》(GB50003-2011)中的组合砖砌体计算方法分为轴心受压和偏心受压，分别对应相应的计算方法，高延性混凝土加固砖砌体组合试件可按照此方法进行计算[66]。对于轴心受压构件组合砖砌体轴心受压试件的承载力计算公式如下:78 西安建筑科技大学硕士学位论文""N£jhcom(fA++fcAcsfAys)（4-10）式中N—轴向力设计值；jcom—组合砖砌体稳定系数；f—砌体抗压强度设计值；A—砖砌体的截面面积；fc—混凝土或面层砂浆的轴心抗压强度设计值，砂浆的抗压强度设计值可取为同强度等级混凝土抗压强度设计值的70%，当砂浆M15时为5.0MPa，当砂浆为M10时取3.4MPa，当砂浆为M7.5时取2.5MPa；Ac—混凝土或砂浆面层的截面面积；hs—受压钢筋的强度利用系数，对于混凝土面层时取1.0，砂浆面层时取0.9；"fy—钢筋的抗压强度设计值；"A—受压钢筋的截面面积。s对于偏心受压组合砌体的受力状态如图4.2所示。由图示的受力平衡条件，可得偏心受压组合砖砌体的承载力计算公式如下:""""N£fA+as()fA+-fAA（4-11）ccysss"""或NeN£fSs+aéùëûfcSc.0s+-fyAsNe(ha)（4-12）此时受压区高度x可按下式确定:"""fS+asfS+fAe-=Ae0（4-13）N(cc.NysN)ssNe"=e+ea--æöç÷h（4-14）Naèø2æöhe=e+ea+-ç÷（4-15）Naèø2式中N—轴向力设计值；f—砌体轴心抗压强度设计值；"A—原砖砌体受压部分的面积；a—强度利用系数，原砖柱完好取0.95，若有被损或裂缝取0.9；"Ac—混凝土或砂浆面层受压部分的面积；"fy—钢筋的抗压强度设计值；79 西安建筑科技大学硕士学位论文"As—受压钢筋的截面面积。ss—受拉钢筋的应力，当小偏心时（xx³b）sxs=-650800，当大偏心时（xx<），s=f；bsySs—砖砌体受压部分的面积对受拉钢筋As重心的面积矩；Scs.—混凝土受压部分的面积对受拉钢筋As重心的面积矩；SN—砖砌体受压部分的面积对轴向力N作用点的面积矩；ScN.—混凝土受压部分的面积对轴向力N作用点的面积矩；""eN、eN—分别为钢筋As和As重心至轴向力N作用点的距离。e—轴向力的初始偏心距，按荷载标准值计算，当eh£0.05时取eh=0.05ea—组合砖砌体构件在轴向力作用下的附加偏心距，2bhea=-(10.22b)；2200h0—组合砖砌体构件截面的有效高度，即h0=-ha；"A"重心至截面较近边的距离；a、a—分别为钢筋As和sx—组合砖砌体构件截面受压区的相对高度，即x=xh0；xb—组合砖砌体构件受压区相对高度的界限值，对HRB400级钢筋，取0.36，对HRB335级钢筋，取0.44，HPB300级钢筋，取0.47。ssssaaaa(a)小偏心受压（b）大偏心受压图4.1组合砖砌体偏心受压构件图80 西安建筑科技大学硕士学位论文4.5HDC加固砖砌体组合试件正截面承载力计算为了得到比较精确的计算结果，结合两章试验结果，并且根据上一节组合砌体的计算方法，同时根据加固砌体不同的极限状态。并通过极限状态下的应力应变分析，得到的HDC加固砖砌体组合试件正截面承载力计算公式。对HDC加固砖砌体组合试件进行正截面受压承载力分析时，提出以下假定:1）截面应变符合平截面假定。2）不考虑HDC与砖砌体及钢筋之间的粘结滑移。3）不考虑砖砌体的抗拉作用。对于本次试验，在初应力水平为零或完全卸载的情况下进行加载的，则当核心砖砌体达到极限压应变时，即认为试件进入破坏阶段，达到极限状态。本次试验HDC的极限压应变e=0.0065，大于砖砌体的极限压应变e，故当HDC与砖dcult砌体共同受力下，破坏以核心砖砌体先达到极限压应变而破坏。4.5.1材料的本构模型1.砖砌体受压本构模型本文釆用施楚贤提出的砖砌体应力-应变关系式:1se=--ln(1)460fmfm（4-16）由上式导出得:-460efms=-fem(1)（4-17）图4.2砖砌体受压应力-应变曲线根据公式（4-15），当s趋近于f是，e趋近于∞，所以取s=0.9f时的应变mm作为砌体的极限应变。砌体的极限压应变e如下式所示:ultln102.30.005e===ult460f460ff（4-18）mmm本试验中f=5.37MPa，则由上式计算得e=0.0022。mult81 西安建筑科技大学硕士学位论文2.HDC材料受力本构模型根据实验所得的HDC单轴拉伸应力-应变曲线和单轴受压应力-应变曲线，并参照《钢筋混凝土原理》[67]将HDC的本构关系模型简化如图4.3，由于HDC材料在单轴受拉时具有良好的应变硬化现象，取其应力-应变曲线的上升段为斜直线，下降段为水平直线，如图4.3（a）所示，其单轴拉伸应力-应变关系为:ìfdtïs=e0££eettttcíetc（4-19）ïîs=fe<£eetdttcttu式中etc、etu、fdt、Et分别为HDC开裂拉应变、极限拉应变、抗拉强度、受拉弹性模量。HDC的抗拉强度由单轴拉伸试验测得fdt=5.71MPa，取etc=0.0243%，42etu=0.65%，Et=2.0´10N/mm。在单轴受压时，HDC的峰值压应变远大于普通烧结砖，HDC因其内部纤维的有效约束，使其应力-应变曲线的非线性不太明显。所以HDC材料在单轴受压情况下，应力-应变曲线采用双线性模型，如图4.3（b）所示，应力-应变关系为:ìacfdcs=e0££eeïcccd0ïed0í（4-20）ff-aïs=af+dccdc()e-ee<£eeccdccd00dcduïee-îdud0式中edo、edu、fdc分别为HDC的压缩刚度变化点压应变、峰值压应变、抗压强度。ac为与HDC的强度和延性有关的参数，以确定高延性混凝土压缩刚度变化点。根据前期试验所得的受压应力-应变全曲线可得:ac=0.95；Ec为HDC的受压42弹性模量。取ed0=0.52%，edu=0.65%，fdc=57.85MPa，Ec=1.17´10N/mm。σσfdcfdtacfdc0εtcεtuε0εd0εduε（a）（b）图4.3HDC材料的单轴受拉和受压应力-应变曲线3.钢筋受力本构模型本文采用的钢筋为具有明显屈服平台的热轧钢筋，选取理想弹塑性受力模型作为钢筋的本构模型，如图4.4:82 西安建筑科技大学硕士学位论文ssfy0eyesues图4.4钢筋本构模型其表达式如下:ìeE0£1s460ff（4-25）my本试验中，取a=1s83 西安建筑科技大学硕士学位论文（3）试验强度利用系数试验值得出高延性混凝土试验强度利用系数，高延性混凝土加固砖柱时，四面及双面加固，实际利用系数的平均值约在0.274~0.363之间；单面加固时，平均值约在0.503~0.668之间。高延性混凝土加固砖墙时，双面加固时，平均值为0.590；单面加固时，平均值为0.859。根据以上结果可知，砖墙的高延性混凝土试验强度利用系数明显高于柱子，分析原因：砖墙的加固方式与砖柱不同，砖柱采用的单排对拉螺栓，砖墙的加固采用的双排的对拉螺栓，在受压过程中，砖墙在双排对拉螺栓的作用下，对核心砖砌体有一定的约束作用，造成砖墙受压承载力提高幅度大于单排加固的砖柱，从而造成面层利用系数大，但由于墙体试验数量较少，其面层利用系数不能作为采用的依据。所以采用柱子的试验结果进行分析，是偏于保守的。对于墙体而言，拥有足够的富余度，更偏于安全。对高延性混凝土加固砖柱的实际利用系数的结果进行线性回归，最后回归出材料的试验强度利用系数为a=0.30。d0根据实验现象，所有的加固试件因在接近极限承载力时，核心砖砌体局部被压碎，试件发生了局部剥离现象，加固面层与核心砖砌体不能同时承受竖向荷载，使得加固面层的强度利用率下降，材料的试验强度利用系数a比理论值a要低，d0d1故引入剥离效应影响系数a，来体现剥离效应对与材料强度利用系数的影响。由此可得：a=0.75。（4）试验强度利用系数比较根据试验的测量值得出HDC面层的试验强度利用系数，比较在不同影响因素下的试验强度利用系数之间的关系，如下表4.4~4.8。表4.4对拉螺栓短柱和长柱的试验强度利用系数对比影响因素类别编号加固方式ad平均值方差ZH-10.255对拉螺栓+两面HDC面层高短柱ZH-20.2120.2740.06020厚（沿370方向）度ZH-30.354的影CH7-10.248对拉螺栓+两面HDC面层响长柱CH7-20.4260.3630.08120厚（沿370方向）CH7-30.41584 西安建筑科技大学硕士学位论文表4.5单面与双面加固试验强度利用系数对比影响因素类别编号加固方式ad平均值方差CH5-10.294钢筋+两面HDC面层30厚双面CH5-20.3480.3610.061（沿370方向）CH5-30.442CH6-10.670钢筋+单面HDC面层30厚单面CH6-20.4430.5030.119（沿370方向）CH6-30.397CH7-10.248对拉螺栓+两面HDC面层20双面CH7-20.4260.3630.081单面厚（沿370方向）CH7-30.415VSCH8-10.491双面对拉螺栓+单面HDC面层20单面CH8-20.8450.6680.288厚（沿370方向）CH8-30.140QH1-10.474双面对拉螺栓+两面HDC面层20QH1-20.6530.5900.100(砖墙)厚QH1-30.644QH2-11.000单面对拉螺栓+单面HDC面层20QH2-20.8020.8590.126(砖墙)厚QH2-30.771表4.6轴压与偏压加固的试验强度利用系数对比影响因素类别编号加固方式ad平均值方差CH2-10.365钢筋+两面HDC面层30厚e=0.0yCH2-2（沿240方向）0.4790.4210.046（e=0.0y）CH2-30.420CH3-10.241轴压钢筋+两面HDC面层30厚VSe=0.3yCH3-2（沿240方向）0.4030.3660.092偏压（e=0.3y)CH3-30.456CH4-10.425钢筋+两面HDC面层30厚e=0.6yCH4-2（沿240方向）0.2920.3550.054(e=0.6y)CH4-30.348表4.7钢筋与对拉螺栓加固试验强度利用系数对比影响因素类别编号加固方式ad平均值方差CH5-10.294钢筋钢筋+两面HDC面层30CH5-20.3480.3610.061（双面）厚（沿370方向）钢筋CH5-30.442VS对拉螺栓CH7-10.248对拉螺栓对拉螺栓+两面HDC面层CH7-20.4260.3630.081（双面）20厚（沿370方向）CH7-30.415钢筋钢筋CH6-1钢筋+单面HDC面层300.670VS0.5030.119对拉螺栓（单面)CH6-2厚0.44385 西安建筑科技大学硕士学位论文CH6-3（沿370方向）0.397CH8-10.491对拉螺栓对拉螺栓+单面HDC面层CH8-20.8450.6680.288(单面）20厚（沿370方向）CH8-30.140表4.8柱子与墙体加固试验强度利用系数对比影响类别编号加固方式ad平均值方差因素CH7-10.2480.081对拉螺栓+两面HDC面层20厚双面柱CH7-20.4260.363（沿370方向）CH7-30.415QH1-10.474双面墙QH1-2对拉螺栓+两面HDC面层20厚0.6530.5900.100柱子QH1-30.644VSCH8-10.491墙体对拉螺栓+单面HDC面层20厚单面柱CH8-20.8450.6680.288（沿370方向）CH8-30.14QH2-11.000单面墙QH2-2对拉螺栓+单面HDC面层20厚0.8020.8590.126QH2-30.771由表4.4-4.8可得出以下结论：（1）HDC双面加固配置对拉螺栓，长柱的试验强度利用系数高于短柱。（2）对钢筋和对拉螺栓来说，HDC双面加固配置钢筋和对拉螺栓与单面加固配置钢筋和对拉螺栓的试件，单面加固的试验强度利用系数均高于双面加固。无论双面还是单面加固比较，钢筋与对拉螺栓的强度利用系数基本接近。（3）双面HDC加固配置钢筋加固的轴心受压和偏心受压长柱，轴心受压长柱的试验强度利用系数大于偏心受压长柱；大偏心受压与小偏心受压试验强度利用系数差别不大。（4）HDC双面加固配置对拉螺栓和双面HDC加固砖墙比较与HDC单面加固配置对拉螺栓柱和单面HDC加固砖墙比较。墙体的强度利用系数高于柱子。86 西安建筑科技大学硕士学位论文4.5.3HDC加固砖砌体组合试件轴压承载力计算高延性混凝土高延性混凝土高延性混凝土高延性混凝土(a)四面钢筋加固(b)双面钢筋加固(c)双面钢筋加固(d)单面钢筋加固高延性混凝土高延性混凝土高延性混凝土高延性混凝土(e)双面对拉螺柱栓加固(f)单面对拉螺栓柱加固(g)双面对拉螺栓墙加固(h)单面对拉螺栓墙加固图4.5加固试件简图加固试件简图如图4.5所示。采用高延性混凝土加固轴心受压的砌体构件时，在完全卸载（初始应力为零）的情况下，钢筋加固的试件承载力由原砖砌体、高延性混凝土面层和钢筋三部分组成，可参考规范中组合砌体构件的分析方法对其组合截面受压承载力进行计算。此时，则HDC加固砖砌体组``合试件轴心受压承载力平均值计算理论公式如下:Nu.m=jcom(fmoAmo++aad1fdmAdsfAy¢¢.ms)（4-26）式中Nu.m—构件加固后的极限承载力平均值；jcom—轴心受压构件的稳定系数；fmo—原构件砌体抗压强度平均值；Amo—原砖砌体截面面积；ad1—高延性混凝土强度利用系数；fdm—HDC高延性混凝土轴心抗压强度平均值；Ad—新增HDC高延性混凝土的截面面积；87 西安建筑科技大学硕士学位论文as—钢筋强度利用系数；fy¢.m—新增竖向钢筋抗压强度平均值；As¢—新增受压区竖向钢筋的截面面积。根据试验结果以及上一节的分析，可得修正后的HDC加固砖砌体组合试件轴心受压承载力平均值公式如下:Nu.m=jcoméùëûfmoAmo++a()aads1fdmAdsfAy¢¢.m（4-27）其中公式中钢筋部分对于对拉螺栓加固试件，其承载力主要由原砖砌体、高延性混凝土面层两部分组成，直接可以去掉钢筋部分的公式。对拉螺栓只提供水平方向拉力，保证面层的稳定性，不参与竖向受压。根据a=0.40，a=1。用公式（4-27）的计算方法对本文试件进行理论计算，d1s并且与试验值进行比较，计算结果如表4.9所示，试验值与理论值两者基本相差不大，仅墙体理论值与试验值有些许差距，但都是满足设计的要求。表4.9砖柱计算结果对比表N计算值试验值N"构件编号加固方式N/kNN"/kN短柱ZH1双面HDC面层20厚（沿370方向）7456811.09长柱CH1钢筋+四面HDC面层30厚（环箍加固）120611251.07长柱CH2钢筋+双面HDC面层30厚（沿240方向）7137940.9轴长柱CH5钢筋+双面HDC面层30厚（沿370方向）8218830.93心长柱CH6钢筋+单面HDC面层30厚（沿370方向）6137150.86受长柱CH7对拉螺栓+双面HDC面层20厚（沿370方向）6096500.94压长柱CH8对拉螺栓+单面HDC面层20厚（沿370方向）5125740.89砖墙QH1对拉螺栓+双面HDC面层20厚（沿740方向）127518350.69砖墙QH2对拉螺栓+单面HDC面层20厚（沿740方向）107115940.674.5.4HDC加固砖砌体组合试件偏压承载力计算（1）考虑HDC受拉作用1）HDC加固试件受压区计算简化对试件受压区划分为2个区域，HDC高延性混凝土受压区域为D2，核心砖砌体受压区为D1[68]。计算简图如图4.6(a)所示:88 西安建筑科技大学硕士学位论文As"sc1Dt2ss"As"xD1xuamfm1hh0hfdtAsT1tssAsb1(a)(b)图4.6受压区应力简化图由于在实际工程中，围套面层厚度较核心砌体截面尺寸小得多，所以假定D2区混凝土的应力均匀分布为s。c1对砌体受压区应力分布简化为矩形应力图形如图4.6(b)所示参考文献[5]，砌体受压边缘达到极限压应变时矩形应力图形高度为x=0.773（xt-），宽度为uf=0.788f；um对于除过组合截面受压及受拉区域的钢筋其它纵筋的承载力进行简化，与极限荷载相比，由于其承担的压力或拉力较小，故为了方便计算忽略不计其承载力。2）截面受拉区HDC的计算简化根据HDC材料在单轴受拉状态时的应变硬化特点，在加固层受拉区拉应变小于e的区域，可以考虑HDC材料的受拉作用。故可得到:tuAs"teux1hh0hTtesAs1tb1t图4.7HDC受拉区应力简化图对T1区HDC受拉作用进行简化:当0££ee时，假定受拉区HDC的应力均匀分布为s。t1tut1当ee>时，受拉区HDC退出工作，不考虑HDC的受拉作用。t1tu3）界限受压区高度的计算当试件截面受压边缘达到了砖砌体的极限压应变e，且受拉钢筋达到屈服ult时为大小偏心受压的界限。假定受压区高度为x，界面有效高度h，根据平截面089 西安建筑科技大学硕士学位论文假定，截面应变分布如图4.8。As"teux1hh0htesAsb1图4.8截面应变分布图根据三角形相似关eultxt-=e+e-ht（4-28）系得:sult0hx-0得到:es=ext-ult(4-29）hx-0则钢筋应力为:ses=EEss=esxt-ult（4-30）界限状态破坏时，e=e，其界限受压区高度如下:syxbx-ttteult(ht0-)x==+=+bhhhh(ee+)h（4-31）0000ulty0此时，钢筋A的应力s（单位为MPa，正值为拉应力，负值为压应力），应ss根据截面受压区相对高度x，按下列规定确定:当xx>（即小偏心受压）时:bhx-0ses=EEss=esultxt--ffy¢££ssy当xx£（即大偏心受压）时:s=fbsy4）附加偏心距的计算在偏心受压情况下，试件截面内除承受轴向压力外，还受到弯距作用，构件产生侧向挠曲，即产生水平位移。对于确定组合砖砌体偏心受压构件的极限承载力，就需要考虑因水平位移而由轴向压力产生的附加弯距的影响[13]。本文中仍采用砌体结构中组合砖砌体附加偏心距的计算方法。柱的挠度曲线基本上可采用正弦曲线作为其拟合曲线。取用控制截面的转动-曲率达到极限状态时22HH00的附加弯距，此时的水平位移为:u=»rr，根据平截面假定，截面破坏2p1090 西安建筑科技大学硕士学位论文ee+时的曲率为r=cs，，故可以得到[59]4:h02ee+Hu=cs0（4-32）h100对HDC高延性混凝土加固后形成的组合砌体取ee==0.0031，e=0.0013，cults4hh»0.95，同时在上述公式的基础上加以修正，取e+eb=+0.00310.0013-´100cs，将以上各值代入公式（4-31）即得到其中u，即为加固构件在偏心荷载作用下的附加偏心距e:a2bhe=-(10.022)b（4-33）a21605）HDC双面加固砖柱试件正截面承载力的计算设as为钢筋As重心至截面较近边的距离，本试验中取as=15mm。远离偏心一侧钢筋应变为e，距构件边缘t处HDC应变为e。根据平截面假定可得:st1h-xh--axh--tx0se==ee，e=esultultt1ultx--txtxt-HDC双面加固试件组合截面承载力计算公式如下:N=CD1+CD21+CSS--TT（4-34）"""NgeN=amfmSms1+a(ad1fdcScs2+assfyAs(h0--aSs))t11ts（4-35）其中:CD11=-abmfmm(xtb)；CD2==sac11tbdfdctb""C=afA；T=sbt；TA=s；Ssys11tSss式中:C为D1区砖的合力；C为D2区HDC的合力；C为受压钢筋的D1D2s合力；T为T1区HDC的合力；T为远离偏心一侧钢筋的合力；a为偏心受1Sd1压构件高延性混凝土强度计算利用系数；a为偏心受压构件钢筋强度计算利用系s数；A为距轴向力N较远一侧钢筋的截面面积；A¢为距轴向力N较近一侧钢筋的ss截面面积；e为钢筋A的合力点至轴向力N作用点的距离；S为D1砌体受压Nsms1区的截面面积对钢筋A重心的面积矩；S为D2区HDC受压区的截面面积对钢scs2筋A重心的面积矩；S为T1区HDC的截面面积对钢筋A重心的面积矩；h为sts1s0"加固后的截面有效高度；a为钢筋A¢重心至截面较近边的距离；a为面层剥离系ss数。截面受压区高度x，可由下式解得:amfmSmN1+a(asd1fdcScN2+CSe¢N)-t11StN-=TeSN0（4-36）æöhe=e+ea+-ç÷（4-37）Nasèø291 西安建筑科技大学硕士学位论文""æöhe=e+ea--ç÷（4-38）Nasèø2式中S为砌体受压区D1的截面面积对轴向力N作用点的面积矩；S为mN1cN2HDC受压区D2区对轴向力N作用点的面积矩；S为T1区HDC的截面面积对tN1轴向力N作用点的面积矩；e¢为钢筋A¢的重心至轴向力N作用点的距离；e为Ns轴向力对加固后截面的初始偏心距；h为加固后的截面高度；h为加固后的截面0有效高度；a为钢筋A重心至截面较近边的距离。ss1）小偏心受压试件当0££eet1tu，e£sye时，试件应力应变分布如下图4.9所示:As"sc1D2teuss"As"xD1xuamfm1hh0hst1AsT1tesssAsb1图4.9应力应变分布图2）大偏心受压试件当ee>，e=e时，受拉区HDC退出工作，不考虑HDC的受拉作用。试t1tusy件应力应变分布如下图4.10所示:As"sc1teuss"As"xxuaD1mfm1hh0hAsT1tesssAsb1图4.10应力应变分布图（2）不考虑HDC受拉作用对于HDC双面加固试件，其组合截面受压承载力公式为:N=C+C+-CT（4-42）D12DSS"""NeN=amfmSms1+a(aad1fdcScs20+-sfyAss(ha))（4-43）截面受压区高度可由下式解得:amfmSmN1+aa(d12fdcScN+CSe¢)N-=TeSN0（4-44）92 西安建筑科技大学硕士学位论文上式中符号含义同上文所述。4.5.5HDC加固砖砌体组合长柱受压承载力理论值与试验值对比分析考虑HDC受拉作用时计算结果如表4.10，不考虑HDC受拉作用时计算结果如表4.11所示。由表可知，试验值与理论值吻合较好，且是否考虑HDC的受拉作用，其影响作用不大。对于偏心受压长柱，其偏心距一般较小，故在实际的加固设计中，可不考虑HDC的受拉作用。表4.10试验值与理论值对比分析试件组号试验值/（kN）理论值/（kN）理论值/试验值CH36476230.96CH45014590.916表4.11试验值与理论值对比分析试件组号试验值/（kN）理论值/（kN）理论值/试验值CH36476080.939CH45014740.9464.6本章小结（1）普通烧结砖砌体的试验值与规范计算值相比，比值在0.924~1.239之间，其中砖柱的实测值与规范计算值比值在1.004~1.239之间，基本上都高于规范计算值，规范值偏于保守。（2）基于规范中组合砌体计算方法，对HDC加固砖砌体组合试件的受压承载力的极限状态分析，推导出HDC加固砖砌体组合试件轴心受压和偏心受压情况下正截面受压承载力理论计算公式，且试验值与理论值比较吻合，可供加固设计参考。（3）对HDC的受拉作用是否予以考虑进行了对比分析，结果表明:HDC的受拉作用对受压承载力的计算结果影响不大，在实际加固设计中，可不考虑HDC的受拉作用。93 西安建筑科技大学硕士学位论文94 西安建筑科技大学硕士学位论第5章初始应力比对加固后试件承载力的影响5.1引言加固后的砌体由两部分组成，原砌体和新加固部分，其中新加部分根据不同的加固方法分别为HDC面层、钢筋。加固试件与普通砌体结构不同，加固前由原来的砌体承受一部分荷载，加固后由新加部分和原部分共同承担增加的荷载，因新加部分在加固后新增荷载下才开始一起受力。因此加固部分存在应力滞后现象。因HDC的极限压应变远大于砌体结构的极限压应变，所以加固后受压，当原构件达到极限压应变时，新加部分HDC可能尚未达到极限强度时的应变值，加固后砌体的承载力并不是新旧两部分承载力的简单叠加，面层的HDC和钢筋的强度不能得到充分利用，为此，在极限承载力计算中，引入小于1.0的材料影响系数来考虑这一影响，然而现行规范未给出该系数值，根据砖砌体、HDC、钢筋的本构关系研究的成果和变形协调条件，分析了HDC面层加固砖砌体受压构件HDC和钢筋的材料强度二次利用影响系数。5.2结构加固的受力特征建筑结构加固后的受力特征主要包括以下两个方面:（1）加固后结构属于二次受力结构加固结构受力特征不同于新建建筑或未经加固的在役建筑，属于二次受力结构。加固前原结构已经承受了一定的作用力（即第一次受力），积累了一定的应变，特别是原结构承载能力不足需要加固时，其应力应变水平通常不低。但是，加固完成后新加部分材料并不能立刻分担原结构的荷载，而是在新增荷载作用下（即第二次受力）才能与原结构一起共同承力。一次受力与二次受力的区别:一次受力是指试件在已经加固状态下，直接达到极限荷载P，而二次受力是指试件先在荷载达到F时，保持荷载F，并对试件进行加固，加固完毕再继续承载至极限荷载P[69]。加固后整个结构在第二次承受荷载过程中，新加部分应力应变将一直滞后于原结构的累积应力应变，对于新旧材料峰值（极限）应变相近的加固，原结构达到峰值（极限）应变时，新加部分的应力应变水平可能还很低，破坏时，新加部分可能达不到自身的破坏（极限）状态，其性能得不到充分发挥；而对于新旧95 西安建筑科技大学硕士学位论文材料峰值（极限）应变相差较大的加固时，若原结构的初始应变超过两者峰值（极限）应变之差时，原结构可能先破坏，新加部分材料性能可能得不到充分发挥，但若原结构的初始应变小于或等于两者峰值（极限）应变之差时，新加材料可能先于原结构破坏，新加部分材料性能得到充分发挥[70]。（2）加固后新旧材料共同工作问题加固结构存在新旧材料之间的二次组合问题，也即是二次受力后二者共同工作的问题，而二者结合面的构造措施能否保证剪力的有效传递对二者是否能共同工作起关键作用。加固后的二次组合结构整体上的承载力比一次建成的新建结构通常要略低，其主要原因是结合面的抗剪强度远低于原结构材料或新加部分材料强度。试验研究表明，即使为轴心受压的构件，加固后其新旧材料的结合面也是初始纵向裂缝最早发生的部位，这样一来，新旧材料之间会过早的分离或产生过大变形，致使新旧两部分单独受力，结构整体刚度减小[70]。因此，新旧部分之间必要的连接构造措施能保证加固效果的可靠性。大量试验数据显示，在保证新旧材料结合面可靠连接的情况下，二次受力后，新旧材料的应变增量大体相同，整体截面变形符合平截面假定。5.3加固砖柱极限状态分析砖柱在加固时，由于受结构形式、荷载位置及使用要求等因素的限制，一般砖柱无法完全地卸载。因此砖柱加固是在砖柱承受一定的荷载N，即有一定的初1始应力水平的条件下进行的，当加固完成后新加混凝土和钢筋还不能立即参与工作，而是在新增荷载作用到加固组合构件上时，即第二次受力时后加混凝土和钢筋才开始参与作，这样在整个第二次受力过程中后加混凝土和钢筋的应变始终小于核心砌体的应变，存在混凝土和钢筋应变滞后的现象[71]。（1）若砌体的极限压应eultm=0.005f大于混凝土的极限压应变eu。两者之间存在一应变差，因此一定存在一个界限的初始应变e，使组合加固截面达到极0限状态时砌体和混凝土同时达到各自的极限应变，即使e=-ee。根据界限初uult0始应变可将加固组合截面的极限状态分为三种类型，如表5.1所示。表5.1加固组合截面的极限状态类型组合加固截面达到极限状态时混凝土达到极限应变,砌体还1）当De=e->ee时，ult0u未达到其极限应变e，此时混凝土的强度得到充分利用。ult2）当De=e-0.7时，曲线迅速降ss低。当初始应力水平bs=0.7时，ad2下降的比例在0.43~0.67之间。取作二次受压的影响系数a。经综合考虑，取二次受压强度影响系数为a=0.5。00（2）本文建议计算修正公式根据第4章公式（4-26）、（4-42）进行如下修正。1）HDC加固砖砌体组合试件轴心受压承载力平均值公式如下:Nu.m=jcoméùëûfmoAmo++a()a0aa1.fdmAdsfAy¢¢ms（5-24）式中当b£0.7时，a=0.5，其他符合含义同上文所述。s02）HDC加固砖砌体组合试件偏心受压承载力平均值公式如下:对于HDC双面加固试件，其组合截面受压承载力公式为:N=C++CCT-（5-25）D12DSS"""NeN=amfmSms1++aéùëûa0aad1fdcScs20sfyAss(ha-)（5-26）截面受压区高度可由下式解得:103 西安建筑科技大学硕士学位论文amfmSmN1+a(aa0d12fdcScN+=CSe¢N)-0TeSN（5-27）式中当b£0.7时，a=0.5，其他符合含义同上文所述。s05.6本章小结本章主要介绍了砌体结构加固后构件的二次受力特征及新旧材料的协调工作问题，在此基础上阐述了加固构件二次受力后屈服破坏的应变控制理论；最后根据材料本构关系得出了HDC面层加固砌体结构二次受力后的材料强度影响系数，给出修正后加固构件承载力的公式，主要结论如下:（1）加固后构件属于二次受力构件，新旧材料之间存在应力滞后现象；同时，新、旧两部分之间存在整体工作共同受力问题，其关键主要取决于结合面能否有效地传递剪力，因此新旧材料部分之间必要的链接构造措施才能保证加固效果的可靠性。（2）通过应变控制理论阐述了二次受力构件是原结构材料先破坏还是新加材料先破坏与初始应力水平有关，由于所采用材料的峰值应变远大于砌体的峰值应变，可以得到二次受力构件时原结构材料先破坏，后加材料才破坏。而不会同时破坏。（3）根据所选的材料的应力-应变的关系，推导出修正后HDC面层加固砖砌体构件受压承载力计算公式。从推导公式可以看出，加固后构件承载力、材料强度影响系数仅与原砌体结构的初始应力水平有关。104 西安建筑科技大学硕士学位论第6章结论与展望6.1结论高延性混凝土（HDC）是近年来出现的一种新型生态建筑材料，在土木工程领域内有广泛的应用前景[75]。由于实际加固工程中，砌体房屋的砌筑强度较低，本文试验设计均采用低强度砂浆。但本文配置的砂浆强度偏高，砖的强度也偏高。本文设计了6根砖砌体短柱，33根砖砌体长柱，9片砖砌体墙。用高延性混凝土面层配置钢筋或者对拉螺栓对其进行加固，通过轴压与偏压实验，验证其对与砖砌体结构的加固效果，并对加固试件受压承载力进行了理论计算。分析试件的承载力、变形能力、荷载-应变曲线、荷载-挠度曲线等，详细分析了高厚比、偏心距、加固方式等变化参数对受压承载力大小的影响。在此基础上总结了HDC加固砖砌体组合试件的破坏形态和破坏机理，并详细推导了其组合截面极限受压承载力计算公式。通过对48个HDC加固砖砌体组合受压性能试验研究，得出结论如下:（1）采用高延性混凝土面层加固砖砌体短柱形成的组合构件，加固层和原结构具有良好的粘结能力，能够协同工作，共同承受竖向荷载，能够明显改善砖砌体的破坏形态及大幅度地提高原结构的承载能力和变形能力，提高构件的整体性。（2）试验表明，四面配筋面层加固的长柱效果最好。单面设置对拉螺栓的加固效果最低。加固试件达到峰值荷载进入破坏阶段时，试件仍具有很高的承载能力，表现出明显的塑性特征，改善了原有砖砌体的破坏形态。（3）加固试件的箍筋和对拉螺栓，在加载后期，应变增长迅速，充分发挥了对于核心砖砌体的约束作用，对承载力及稳定性有一定提高。轴心受压和偏心受压一侧钢筋的强度得到充分利用；加固面层的强度未被充分利用，故试验中采用的HDC强度存在浪费现象。（4）通过对比试件受压承载力试验结果与规范计算结果进行比较，试验值基本都高于规范值。规范值偏于保守。（5）参考相关规范中的组合砌体计算方法，推导了HDC加固砖砌体组合试件轴心受压和偏心受压情况下的正截面受压承载力计算公式，得出计算值与试验值吻合良好，为HDC高延性混凝土应用于砌体结构加固提供了理论依据。（6）从材料的应力-应变关系出发，考虑原构件的初始应力水平，推导出HDC加固砖砌体组合构件在二次受力影响下的计算公式。为实际工程中二次受力构件105 西安建筑科技大学硕士学位论文提供理论依据。6.2展望本文对HDC加固砖砌体试件的受压性能进行了试验研究与理论分析，由于试验条件和时间的限制，仍有一些影响因素未考虑，仍有一些工作没有进行，故本文的研究内容具有一定的局限性。为更进一步的完善高延性混凝土加固砖柱方法的试验研究与计算理论，还需从以下几个方面进行深入的研究:（1）采用HDC面层对砖砌体长柱进行加固时，试件达到破坏状态时HDC面层与砖砌体发生剥离，面层发生局部破坏，没有充分发挥HDC的良好性能，期望可以采取措施来提高HDC的利用率。（2）本文中对于HDC高延性混凝土加固砖砌体试件的研究并不全面，仍有一些加固因素未考虑，如钢筋强度等级、配筋率、加固层厚度、长细比等。砖墙的试验只考虑了对拉螺栓加固，未考虑其他因素。如加固方式的改变等。（3）本文的研究中，均是基于高延性混凝土面层和砖砌体柱同时承受竖向荷载的。在实际加固工程中，加固构件属于二次受力构件，受力比较复杂，本文仅仅从理论上研究初始应力水平对加固后构件的承载力影响，分析二次受压构极限状态，给出理论计算公式，需要进一步用试验进行验证。106 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西安建筑科技大学硕士学位论致谢时光飞逝，三年的研究生生涯即将要结束了。在此，向所有给予我帮助的老师、朋友和亲人们衷心道一声感谢！本文是在导师邓明科教授和董振平高工的悉心指导和全心全意的关怀下完成的，在三年的时光里，从论文选题、资料收集、试验方案的制定和试验以及后期论文撰写完成，邓老师和董老师都给与我莫大的指导和帮助。二位导师正直的人品、渊博的知识、严谨的学风、忘我的敬业精神、谦逊的处世态度是学生终身学习的楷模。值此论文即将完成之际，特向恩师对我学习上的细心指导和生活上的热情关怀表示衷心的感谢。在试件制作以及试验加载过程中，得到了结构工程实验室老师张永利、丁师傅、门师傅、卢师傅的热心帮助和大力支持。在此，衷心的感谢他们为我试件的制作及加载付出地辛勤劳动，祝他们工作顺利！感谢同门师兄杨铄、张阳玺、马福栋、潘娇娇、吕浩等博士对我的指导，感谢同级张伟、高登科、陈佳莉、熊鑫、张雪昆、何斌斌、翁世强、以及研二师弟师妹陈尚城、周治民、董志芳、李彤、李睿喆、李宁、叶旺、罗妍、李琦琦、张敏，还有研一的师弟师妹等在试验过程中给予的支持，祝你们学业有成、未来毕业后工作顺利！感谢西安五和土木新材料有限公司成员及领导景武斌、卜新星、李勃志、宋树林、张思海、刘志远对我的试验及论文给与莫大的帮助，祝公司越来越好，越做越大，也祝他们工作一帆风顺，家庭和睦。感谢633宿舍张松林、战宇皓、杨琦以及建筑与土木工程1509班全体同学三年来对我学习生活的关心和帮助，祝你们一帆风顺，学业有成！感谢父母、女朋友对我学习、生活上的关心和鼓励，希望他们健康快乐，笑口常开。感谢各位论文评审老师百忙之中对我论文的指导以及参加本次答辩的各位老师。感谢西安建筑科技大学三年来的悉心培养，祝母校桃李满天下、更上一层楼！余志平2018年4月西安建筑科技大学113 西安建筑科技大学硕士学位论文114 西安建筑科技大学硕士学位论附录硕士期间参与的科研项目[1]陕西省青年科技新星项目（2015KJXX-31）115'