落锤冲击加固砌体填充墙的试验范文

《自然灾害学报》2014年第二期

1墙体落锤冲击试验

1．1落锤试验机湖南大学高性能落锤试验机如图1示，试验机由钢塔架、导轨、落锤、提升机和数据采集系统等组成。其中导轨由钢塔架固定，落锤沿着导轨做自由落体运动，从而产生冲击荷载。冲击荷载的大小由落锤的质量和高度决定。落锤质量可通过增加或减少配重砝码来调整，高度则通过提升机的升降调整。试验机基本技术指标包括:最大冲击落差16m，锤头质量124．2～824．2kg，最大冲击能量130kJ。本试验中锤头质量取188kg。试验机有着完备的数据收集系统:落锤下落过程中，在即将与试件接触时，会启动触发信号，信号反馈至数据采集系统后，系统根据试验者的设定自动采集所需要的数据。可测量的项目包括:落锤的冲击速度、锤头力的大小、试件测点的位移、冲击过程的高速摄影等。其中落锤的速度是通过测定激光触发经过落锤上4．2cm反射条的时间计算确定的。冲击力是通过贴在锤头的应变片来测量的，锤头由高强钢材制作而成，以确保在冲击过程中锤头处于弹性状态，从而保证冲击力测量的准确性。其他数据如位移时程曲线，则是通过位移计直接连接至数据采集系统测定的。由于应变等指标对砌体墙冲击试验研究的结果分析影响较小，试验中未采集该数据。

1．2试件设计由于本试验主要研究的是填充墙的抗冲击性能，这里忽略平面内压力的影响。墙体尺寸为1．04m×1m，砌体材料采用KP1型烧结多孔砖240mm×115mm×90mm。外框由混凝土浇筑而成，配筋为4A18的钢筋，箍筋为A8@100。墙体考虑上下两端的约束作用，而不考虑两侧边的约束，用于模拟水平方向较长填充墙的一段，其承载能力要稍小于实际工程中的砌体填充墙。对于四边约束的墙体将在后续的试验中加以考虑。在本次试验中墙体的上下两端与混凝土框架之间用砂浆填充，墙体两侧留竖向空隙。上下两端墙体内侧用两根50mm×6mm的等边角钢作为支撑，角钢的主要作用是将加固材料锚固到框架上，当墙体发生破坏时，使得加固材料能够防止墙体的整体倒塌和散块的飞出，形成良好的防护机制。角钢与混凝土外框采用螺栓锚固，螺栓直径为10mm，螺杆长度100mm，预埋深度75mm，螺栓的间距20cm。墙体上表面用水泥砂浆找平，墙体下表面打磨完浮质后，用环氧树脂胶粘贴加固材料。试件包括4片墙体:1片未加固的墙体，1片CFRP加固砌体墙和2片聚亚胺酯加固砌体墙。墙体设计如图2示。

1．3材料强度多孔砖强度为10MPa，砂浆强度为5MPa。试验所采用的单向碳纤维布(CFRP)的极限抗拉强度为2159．3MPa，名义厚度0．11mm，弹性模量220GPa，延伸率为1%～1．7%。聚亚胺酯防护膜弹性模量为200．2MPa，厚度2．6mm，延伸率250%，拉伸应力应变曲线(测试温度25℃，加载速度508mm/min)如图3示。可见CFRP的强度和弹性模量要远远高于聚亚胺酯，而聚亚胺酯的延伸性能要远高于CFRP。

1．4加载方式落锤锤头是一个直径为200mm的钢柱体，冲击时荷载呈集中作用形式，很容易使墙体发生小面积的局部冲切破坏，而大多数墙体受到的冲击荷载为均布作用荷载。为达到类似的效果，在墙体上表面放置一个分散锤头集中力的刚性垫块:尺寸为50．3cm×57cm，厚度为3cm的钢板。钢板下方放置一个与钢板尺寸相同的橡胶垫(3mm厚)，以避免冲击时接触刚度过大的问题。试验时由于无法预测墙体抗冲击的能力，试验采取分级增加落锤的高度给墙体施加冲击力，每个试件初次冲击的高度为1．5m(根据试探性的墙体冲击试验确定)，第2次冲击则根据第1次的冲击效果确定冲击高度，由于第1次冲击后，墙体会发生弯曲变形，此时刚性垫块会与墙体部分脱离，进行第2次冲击试验时在垫板对应的墙面上用石英砂找平。如此反复，直至墙体失去防护能力。

2试验结果与分析

2．1墙体冲击试验现象(1)未加固砌体墙在1．5m的冲击高度下，裂缝贯通墙体的上下表面，将墙体分成4个大块，呈塑性铰线破坏形式，有砌体碎块飞溅，如图4示。(2)CFRP加固砌体墙在1．5m的冲击高度下，墙体的沉降位移为8．8mm。墙体上表面，有不连续的小裂缝产生且数量较少，墙体下表面即贴碳纤维面墙体有较大裂缝产生，但墙体上下两面的裂缝并未贯通。CFRP呈“)(”形沿墙体高度方向撕裂，且中间小块碳纤维断裂凸起，使墙体上的碎屑飞散，同时观察到角钢锚固处墙体产生由下自上的斜裂缝，如图5示。在1．0m的2次冲击作用下，墙体几何中心处位移沉降最大，墙体上表面一侧砌体有粉碎性破坏，该处碳纤维断裂，有较多碎块飞出。(3)聚亚胺酯加固砌体墙(第1片)在1．5m的冲击高度下，墙体的沉降位移为11．6mm。角钢锚固处的聚亚胺酯防护膜有较大的局部变形，对应的上方砌体成45度角开裂延伸至冲击面，如图6。在1．0m高的第2次冲击作用下，防护膜在角钢部位局部变形加剧，对应的上部墙体沿裂缝开裂破坏，该侧墙体与框架连接失效，墙体中部防护膜出现了小面积撕裂，如图7。在1．0m高的第3次冲击作用下墙体与框架脱离，但由于角钢—防护膜的防护机制，墙体保持了完整状态，并未出现坍塌破坏或砌体离散现象，防护膜中部出现大范围的撕裂，有少量碎屑飞出，如图8。(4)聚亚胺酯加固砌体墙(第二片)在2．5m的冲击高度下，冲击面墙体呈冲切破坏，防护膜角钢一侧局部变形较大而未开裂，另外一侧有1/3长度的防护膜撕裂，防护膜中部有两道撕裂的小口子，长度在15cm左右，如图9。

2．2冲击力时程曲线图10所示是未加固砌体墙的冲击力－时间曲线，从图中可以观察到，当锤头和墙体接触瞬间，会出现一个荷载峰值，墙体会在这个峰值荷载作用下变形，此时锤头并未脱离墙体，而是随着墙体向下移动，荷载也会出现“V”形的变化趋势。当锤头与墙体脱离时，荷载达到此次冲击的最大值，之后冲击力保持下降趋势。

2．3试验结果分析(1)墙体承载力未加固墙体在1．5m的冲击高度下，到达临界破坏状态。CFRP加固砌体墙和聚亚胺酯加固砌体墙在1．5m的1次冲击作用下，没有出现明显的破坏特征，在1．0m的2次冲击作用下，墙体均发生了破坏。两种加固材料都在一定程度上的提高了墙体平面外的承载能力。由于两种材料都有足够的抗拉强度，所以墙体本身(不包含加固材料)的破坏取决于砌体本身的抗压抗剪强度。(2)加固材料的防护能力在发生爆炸冲击时，砌体墙的承载能力弱，常常产生高速飞散的碎块，从而导致人身安全事故。这里我们还需考虑墙体平面外失去承载能力后，加固系统能够防砌体碎块飞散的富余承载能力。通过后续的分级加载，结合墙体的完整度、砌块的破坏程度和加固材料撕裂的程度分析可知，角钢—防护膜系统防止了墙体的整体坍塌，防护膜与墙体有效的粘接保证砌块不会产生离散破坏。CFRP加固墙能够承受的一次冲击高度近似在2．0m，CFRP由于延性不足，加上与浸渍胶的浸透导致CFRP固化，2．0m冲击高度下会发生脆断破坏，不能防止碎块飞出。聚亚胺酯加固墙能够承受的一次冲击高度近似在3．0m，该冲击高度下聚亚安酯防护膜会撕裂，墙体可能整体倒塌，但碎块不会或少量飞出。(3)破坏模式未加固墙体在1．5m高度作用冲击下，发生了塑性铰线式的破坏。CFRP加固墙体1．5m高度冲击作用下，靠近框架的3层砌块的平均下沉位移为8．5mm，中部砌块的下沉位移为9．4mm。第2次冲击作用下，墙体一侧剪切破坏，此时墙体已经从未加固墙的弯曲破坏转为剪切变形、破坏。聚亚胺酯加固墙体呈现了和CFRP加固墙体一样的破坏模式，同样的高度下，由剪切而产生的变形，大于CFRP加固砌体墙。(4)局部应力由于墙体中部受到由落锤传至钢板的直接冲击，应力波从冲击面直接渗透到防护面，导致在墙体中部应力较大，出现了CFRP的断裂凸起和聚亚胺酯的部分撕裂现象。应力波传播的不同步和冲击力的不均匀，也是落锤不同于爆炸荷载的特征。(5)冲击力荷载落锤冲击荷载在墙体上的持续时间(3～5ms)与荷载时程曲线和爆炸冲击波有着一定的相似性。通过垫板来分散锤头的集中冲击力，避免了小面积局部冲切破坏的发生，使墙体的整体动态响应和破坏模式与爆炸荷载有类似的效果，不同的是爆炸荷载发生时冲击超压会挤压部分迎爆面的砌体，产生很多碎块。从上述的试验结果分析可见，落锤冲击试验作为现场爆炸试验和静力试验之间的一种折中手段，为开展建筑结构构件的抗爆研究具有一定的意义。它一方面可以用来对比加固和未加固墙体的抗爆能力，另一方面可以用来校核数值模拟结果。但由于冲击荷载和爆炸荷载之间的差异，目前尚无可行的理论方法进行转换，根据落锤试验准确确定墙体的抗爆承载力还相当困难，它受到试件尺寸、重力效应、锤头力扩散、落锤加载制度等多种因素的影响。此次试验中我们主要以落锤冲击高度作为抗爆承载力的间接指标，来定性分析试验结果，了解加固材料的抗爆加固效果。

3结论

本文通过对加固和未加固砌体墙的落锤冲击试验研究，得出以下结论:(1)CFRP和聚亚胺酯的加固对于墙体承载力都有一定程度的提高，同时墙体的破坏模式也发生了改变，由未加固砌体墙的塑性铰式弯曲破坏转变为剪切破坏。(2)角钢－防护膜系统、防护膜与墙体有效粘接能够保证墙体的整体性，防护膜即加固材料的选取对于防护能力的提高有较大影响，其中聚亚胺酯防护膜要优于CFRP布。(3)冲击导致的剪切变形和局部应力波的渗透，要求墙体抗爆加固材料应具有较强的抗撕裂性能。(4)在进行砌体填充墙抗爆设计时，当不能进一步提高加固墙体的破坏荷载时，如何增加富余的防护能力，如防碎片飞散等，是以后工程运用中要考虑的重要问题。

作者：喻忠操郭玉荣单位：湖南大学土木工程学院建筑安全与节能教育部重点实验室