历史建筑砌体结构性能增强模型试验及分析

摘要

历史建筑大多采用砌体、生土或生土外包砌体结构，分布极为广泛。但现存历史建筑大多经受了长期的自然灾害和人为破坏，均有不同程度的损伤，加之材料风化等原因，加剧了结构承载力下降。近年来随着国家经济和文化的发展，人们对历史建筑的保护越来越重视，然而已有砌体结构保护方法很难满足历史建筑性能保护的需要，亟需寻求一种尽量不影响历史建筑外貌和历史信息的结构性能增强的方法。 本文针对历史建筑砌体结构性能增强的主要特点，在分析已有保护方法优缺点的基础上，提出了灰缝注射渗透性能增强方法，并以试验为基础，研究了采用该方法性能增强后对历史建筑砌体结构墙体抗震性能的影响。主要工作如下： （1）参考3种常见的历史建筑砌体结构灰缝材料，即月白灰、糯米灰浆和麻刀泥，采用正交试验方法，设计并制作了3组54个立方体试块和3组54个棱柱体试块，其中各组试块中，6个为原材料试块，6个为甲基丙烯酸甲酯性能增强试块，6个为环氧树脂性能增强试块。通过力学性能试验，对比研究了上述灰缝材料增强和未增强试块的破坏形态、立方体抗压强度、应力-应变曲线、弹性模量等主要力学性能指标，探讨了上述2种增强材料的性能增强效果。结果表明，甲基丙烯酸甲酯和环氧树脂都能够提高试块强度，增大弹性模量，并且前者对月白灰试块力学性能增强明显，环氧树脂对糯米灰浆和麻刀泥试件力学性能增强较明显。 （2）为了尽可能反映历史建筑砌体结构的主要特性，采用低强度等级并存在一定风化的旧砖和糯米灰浆，设计并砌筑了3组共18个砌体试件，分别为6个未增强、6个甲基丙烯酸甲酯增强和6个环氧树脂增强砌体试件。通过砌体试件单轴受压试验，对比分析了未增强和增强砌体的破坏形态、抗压强度和弹性模量等，并建立了相应的单轴受压本构关系。试验结果表明，采用甲基丙烯酸甲酯和环氧树脂材料，砌体的抗压强度分别增强了20.8%和32.5%，弹性模量分别增强了10.8%和21.5%，增强效果较为明显。 （3）根据上述研究结果，设计砌筑了2组不同厚度的墙体模型试件，第一组为3个240mm厚的试件，分别为未增强、甲基丙烯酸甲酯增强和环氧树脂增强墙体试件；第二组为2个370mm厚的试件，分别为未增强试件和环氧树脂增强墙体试件。通过低周反复加载试验，研究了未增强和增强后历史建筑砌体结构墙体的破坏形态、抗震性能以及墙体厚度对增强效果的影响，对比分析了各模型试件的受剪承载力、延性系数和耗能能力等。结果表明，对于同厚度墙体模型试件，采用甲基丙烯酸甲酯和环氧树脂，极限荷载分别提高了19%和29%，延性系数分别提高了42%和31%，耗能能力增强，增强效果明显，方法可行。随着墙体厚度的增加，环氧树脂材料对模型试件的性能增强效果略有降低。 （4）采用ANSYS有限元分析软件，根据文中建立的砌体受压本构关系，建立了3个未增强、甲基丙烯酸甲酯增强、环氧树脂增强墙体试件的整体式有限元分析模型，通过有限元模拟分析，研究了其骨架曲线和破坏特征，并与试验结果进行了对比，结果表明两者比较吻合，说明文中建立的砌体受压本构关系和有限元分析模型比较合理，结果比较可靠，可为此类结构的抗震性能分析提供参考。

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