CN114809369A - 一种sma-ecc复合加固rc框架结构砌体填充墙及其施工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种SMA‑ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，包括RC框架梁、RC框架柱以及砌体填充墙，所述RC框架梁和RC框架柱靠近砌体填充墙的位置设置有SMA栓钉，在砌体填充墙表面布置水平和竖向SMA筋材，并通过S形或L形穿墙钢筋将SMA筋材固定于砌体填充墙表面，所述砌体填充墙的表面压抹或喷射有ECC面层，将SMA栓钉和SMA筋材嵌入其中。本发明还提供了上述砌体填充墙的施工方法，包括4个施工步骤。本发明可有效减轻地震作用下砌体填充墙的面内和面外破坏，同时提升砌体填充墙的面内以及面外的抗震性能和自复位能力，进而提升RC框架结构建筑的可恢复功能，有利于此类建筑抗震韧性的提升。从建筑全寿命评估角度来看，本发明带来的经济效益显著。

Description

一种SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙及其施工方法
技术领域
本发明涉及SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙及其施工方法，属于建筑结构工程及加固改造技术领域。
背景技术
钢筋混凝土(reinforce concrete construction，简称RC)框架结构在我国的中低层建筑结构中应用广泛。其中，砌体填充墙属于非结构构件，一般作为外围护墙或内隔墙，在此类结构中较为常见。但是，在地震作用下，砌体填充墙会与框架结构发生相互作用而在面内参与受力，由于砌体抗拉强度低，填充墙易发生开裂和破坏。同时，由于自重和高厚比较大，其在面外地震作用下也易发生破坏甚至倒塌。以上因素均会造成建筑功能中断、财产损失和人员伤亡。
为提高砌体填充墙抗震性能，可对其进行加固。目前，常见的砌体填充墙加固方法有钢筋网水泥砂浆面层加固、粘贴纤维复合材加固和水泥基复合材料加固等方法，这些方法可在不同程度上提高填充墙的承载力和变形能力，但也存在自重大、耐久性差等问题。此外，现有的加固方法侧重于提高填充墙的延性和耗能能力，无法对填充墙提供自复位功能，使加固后的填充墙在地震作用下可能发生开裂而产生较大塑性变形，并在面内和面外累积较大残余变形，从而增加震后修复难度，不利于建筑功能的快速恢复。因此，急需提高现有砌体填充墙在面内和面外的抗震性能，并同时提高其可恢复功能，以提升建筑的抗震韧性。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种SMA-ECC复合加固RC框架结构的砌体填充墙，此类填充墙具有较好的面内和面外抗震性能与自复位能力。使用此类填充墙的RC框架结构建筑，其抗震韧性可得到有效提升。
本发明采用的技术方案如下：
一种SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，包括在RC框架梁、RC框架柱以及设置在RC框架梁与RC框架柱之间的砌体填充墙。
所述RC框架梁与RC框架柱在靠近砌体填充墙的位置间隔布设有SMA栓钉，所述砌体填充墙的表面附近沿水平向和竖向布置有SMA筋材，所述SMA筋材通过穿墙钢筋固定在墙体表面。
所述砌体填充墙的表面压抹或喷射有ECC面层，所述ECC面层将SMA栓钉、SMA筋材及穿墙钢筋完全覆盖。
进一步，将所述SMA栓钉沿斜向或正向植入RC框架梁和RC框架柱预先设置的钻孔中，SMA栓钉伸入RC框架梁和RC框架柱的垂直深度为50mm，伸出钻孔外的垂直长度为150mm。
进一步，相邻SMA栓钉之间的间距为200mm～300mm，SMA栓钉直径包括4mm、6mm、8mm和10mm。
进一步，所述SMA筋材直径包括4mm、6mm和8mm，所述SMA筋材在所述砌体填充墙两侧或单侧表面附近沿水平向和竖直方向交叉布置，同一方向相邻的SMA筋材的间距均为200mm～400mm，水平向的SMA筋材长度覆盖墙体全长，竖直方向的SMA筋材长度覆盖墙体全高，SMA筋材与砌体填充墙表面间的距离不小于5mm。
进一步，所述SMA栓钉、SMA筋材、穿墙钢筋以及ECC面层设置于所述砌体填充墙的单侧或两侧。
进一步，所述砌体填充墙的墙体表面沿水平灰缝剔凿有凹槽，沿水平向布置的SMA筋材嵌入所述凹槽内或位于凹槽外，嵌入凹槽的SMA筋材的直径不超过6mm。
进一步，沿水平向布置的SMA筋材的嵌入深度为10mm～15mm。
进一步，所述ECC面层的厚度为25mm～35mm。
本发明还提供了上述SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙的施工方法，包括以下步骤：
S1、进行砌体填充墙的施工，对于既有砌体填充墙RC框架结构建筑，直接进入下一步；
S2、在RC框架梁与RC框架柱靠近砌体填充墙的位置采用锚固型结构胶将SMA栓钉植入预先设置的钻孔中；
S3、在砌体填充墙的表面附近沿水平向和竖向布置SMA筋材；并通过S形或L形的穿墙钢筋将SMA筋材固定在墙体表面；
S4、将墙面适当润湿，在砌体填充墙的墙体表面压抹或喷射ECC面层将SMA栓钉、SMA筋材和穿墙钢筋完全覆盖；
S5、收平ECC面层表面，完成施工并进行养护。
进一步，所述砌体填充墙的墙体表面沿水平灰缝剔凿有凹槽，沿水平向布置的SMA筋材嵌入所述凹槽内或位于凹槽外。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过设置SMA栓钉将RC框架梁、RC框架柱与砌体填充墙连成整体，从而将作为非结构构件的砌体填充墙转变为可有效参与受力的结构构件，SMA栓钉能有效减小填充墙与RC框架构件间界面处的面内和面外残余变形，采用SMA与ECC复合加固的方式，可有效减轻填充墙在地震作用下的开裂，提高其耗能能力，提高了砌体填充墙的自复位能力，尤其提高了填充墙面外的抗震性能和自复位能力，有利于建筑抗震韧性的提升；ECC面层薄，在加固的同时不会明显增加结构自重；SMA耐腐蚀性强，且ECC开裂后裂缝细微，使填充墙的耐久性较好，加上砌体填充墙在加固后自复位能力大大提高，从建筑全寿命评估角度而言，所带来的经济效益显著。本发明的施工方法操作方便，通过提高墙面内和面外的抗震性能和自复位能力，有效提升填充墙的抗震韧性。
附图说明
图1为本发明SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙的结构示意图。
图2为图1的剖面示意图。
图中：1、砌体填充墙；2、RC框架梁；3、RC框架柱；4、SMA栓钉；5、SMA筋材；6、穿墙钢筋；7、ECC面层；8、钻孔；9、凹槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。根据下面的说明，本发明的目的、技术方案和优点将更加清楚。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的优选实施例，而不是全部的实施例。
本发明所述的SMA栓钉由SMA棒材制作而成。SMA(Shape Memory Alloy，简称SMA)棒材是本领域的已知材料，具有超弹性和形状记忆效应，在屈服后具有较好的耗能能力。本发明中RC框架梁、RC框架柱靠近填充墙位置设置的SMA栓钉的作用包括但不限于：1)将砌体填充墙与RC框架梁和RC框架柱连接成整体，使填充墙有效参与面内受力。同时，有效减小由开裂导致的填充墙与RC框架构件间界面处的面内残余变形；2)提高填充墙的面外稳定性，并有效减小由面外荷载导致的填充墙与RC框架构件间界面处的面外残余变形；3)提高填充墙与RC框架构件间界面的耗能能力。优选的，在能够满足抗剪和抗拉性能要求的前提下，植入直径不小于4mm的SMA栓钉，SMA栓钉的间距可加大但不大于300mm。SMA栓钉可正向植入RC框架构件，当操作条件受限时，SMA栓钉也可斜向植入。
所述SMA筋材也由SMA棒材制作而成。沿水平方向布置的SMA筋或嵌入水平灰缝的SMA筋的作用包括但不限于：1)提高填充墙的抗剪承载力和面外抗弯承载力；2)减轻填充墙的面内和面外的开裂和破坏，减小填充墙剪切开裂后和面外开裂后的残余变形；3)将SMA筋嵌入水平灰缝可减小覆盖SMA筋材的ECC面层对建筑空间的占用。沿竖直方向布置的SMA筋的作用包括但不限于：1)提高填充墙的面外抗弯承载力；2)减轻填充墙的面外开裂和破坏，减小填充墙面外开裂后的残余变形。
本发明对SMA栓钉和SMA筋材的材料力学性能不做限定，其具备的力学性能以实现SMA栓钉和SMA筋材的上述作用为标准。所述SMA材料的奥氏体相变终止温度低于填充墙所处的环境温度。
所述ECC(engineered cementitious composite，简称ECC)面层所用材料是本领域已知的一种纤维增强水泥基复合材料，具有高韧性、高抗裂性和高耐损伤能力，在拉伸和剪切荷载作用下具有应变硬化和多缝开裂特性。此类材料一般由人工合成纤维、水泥、粉煤灰、精细河砂和水配制而成。在砌体填充墙表面压抹或喷射ECC面层的作用包括但不限于：1)提高填充墙的抗剪承载力、面内变形性能和面内耗能能力，减轻其面内开裂和破坏；2)提高填充墙的面外受弯承载力、面外变形性能和面外耗能能力，减轻其面外开裂和破坏；3)增强填充墙的整体性和稳定性。本发明对ECC的配比不做限定，其配比设计以实现ECC面层的上述作用为标准。考虑到SMA具有良好的耐腐蚀性可降低保护层的要求，覆盖SMA筋材的ECC面层的厚度为25mm～35mm，当SMA筋材直径为4mm时，所述ECC面层厚度为25mm；当SMA筋材直径为6mm时，所述ECC面层厚度为30mm；当SMA筋直径为8mm时，所述ECC面层厚度为35mm。在填充墙压抹或喷射ECC面层一侧的水平灰缝剔凿出凹槽将ECC嵌入，以增强ECC面层与砌体填充墙表面的黏结性能。
当施工条件受限时，如业主户内不便进入或建筑外立面不允许扰动，将所述SMA栓钉、所述SMA筋材、所述穿墙钢筋和所述ECC面层施加于所述砌体填充墙的单侧，即允许施工的一侧。所述穿墙钢筋直径为6mm，呈梅花状布置，其竖向和水平间距不大于500mm。所述砌体填充墙是由常见的砖或砌块和砂浆砌筑的墙体，如烧结普通砖砌体填充墙、烧结多孔砖砌体填充墙和混凝土空心砌块砌体填充墙等。
实施例一
如图1和图2所示，一种SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，包括在RC框架梁2、RC框架柱3以及设置在RC框架梁2与RC框架柱3之间的砌体填充墙1。其中，RC框架柱3高为3000mm，其截面尺寸为400mm×400mm，RC框架梁2长为3200mm，其截面尺寸为450mm×250mm，RC框架柱3中心线间距为3600mm。砌体填充墙1长为3200mm，高为2550mm，厚为115mm。RC框架构件的混凝土强度和配筋符合设计要求，砌体填充墙1由强度等级为MU5.0，规格为240mm×240mm×115mm的烧结空心砖和强度等级为M5.0的混合砂浆，按全顺错缝方式砌筑而成，灰缝厚度为10mm。砌体填充墙1与RC框架柱3的拉结措施符合《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010的相应要求。
所述RC框架梁2与RC框架柱3在靠近砌体填充墙1的位置布置间距为200mm的SMA栓钉4，将所述SMA栓钉4沿正向或斜向植入RC框架梁2和RC框架柱3预先设置的钻孔8中，SMA栓钉4伸入RC框架梁2和RC框架柱3的垂直深度为50mm，伸出钻孔外的垂直长度为150mm。
沿砌体填充墙1两侧的水平灰缝剔凿深度为10mm的凹槽9，凹槽间距为480mm。在砌体填充墙1墙体两侧的表面附近沿水平向和竖向布置间距为240mm的SMA筋材5，其直径为4mm，所述SMA筋材5通过呈梅花状布置的S形穿墙钢筋6固定在墙体表面。穿墙钢筋6的竖向和水平间距为240mm。
所述砌体填充墙1的两侧墙体表面压抹或喷射有厚度为25mm的ECC面层7，所述ECC面层7将SMA栓钉4、SMA筋材5及穿墙钢筋6完全覆盖。
本实施例中所用SMA栓钉4和SMA筋材5均由Ni-Ti SMA棒材制作而成，其奥氏体相变终止温度低于SMA/ECC加固砌体填充墙所处的环境温度。其可恢复应变为6％～8％。SMA栓钉4和SMA筋材5在使用前进行热处理，即将SMA栓钉4和SMA筋材5放入400℃高温炉中保温15分钟，然后取出并放入水中冷却至环境温度。在钻孔8中植入SMA栓钉4之前，预先在其中填入锚固型结构胶。本实施例中所用ECC由普通硅酸盐水泥、粉煤灰、精细河砂、水、聚羧酸高效减水剂和PVA纤维配制而成，其基体按质量的配比为水泥:粉煤灰:精细河砂:水:高校减水剂＝1.0:1.0:0.72:0.58:0.01，以水泥、粉煤灰、精细河砂和水混合后的总体积为基数，PVA纤维的体积掺量为2％。
上述SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙的施工方法，包括以下步骤：
S1、在RC框架梁2与RC框架柱3靠近砌体填充墙1的位置沿正向或斜向钻垂直深度为50mm的钻孔8并填入植筋胶；在钻孔中植入经热处理的SMA栓钉4，斜向植入时，将外露部分扳直，其垂直长度为150mm；
S2、在砌体填充墙1的墙体两侧灰缝处按梅花状钻孔穿透墙体，并采用胶黏剂植入S形的穿墙钢筋6；沿砌体填充墙1双侧间隔480mm沿水平灰缝剔深度为10mm的凹槽，清理砌体填充墙7表面，将SMA筋材5固定于墙面；
S3、将墙面适当润湿，在砌体填充墙1的墙体表面压抹或喷射ECC面层7，将SMA栓钉4、SMA筋材5和穿墙钢筋6完全覆盖，使SMA栓钉和SMA筋材嵌入ECC面层中；
S4、收平ECC面层7表面，完成施工并进行养护。
以上所述，仅是本发明优选实施例的描述说明，并非对本发明保护范围的限定，显然，任何熟悉本领域的技术人员基于上述实施例，可轻易想到替换或变化以获得其他实施例，这些均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
包括在RC框架梁(2)、RC框架柱(3)以及设置在RC框架梁(2)与RC框架柱(3)之间的砌体填充墙(1),所述RC框架梁(2)与RC框架柱(3)在靠近砌体填充墙(1)的位置间隔布设有SMA栓钉(4),所述砌体填充墙(1)的表面附近沿水平向和竖向布置有SMA筋材(5)，所述SMA筋材(5)通过穿墙钢筋(6)固定在墙体表面,所述砌体填充墙(1)的表面压抹或喷射有ECC面层(7)，所述ECC面层(7)将SMA栓钉(4)、SMA筋材(5)及穿墙钢筋(6)完全覆盖。
2.根据权利要求1所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
所述SMA栓钉(4)的直径包括4mm、6mm、8mm和10mm，SMA栓钉(4)沿斜向或正向植入RC框架梁(2)和RC框架柱(3)预先设置的钻孔(8)中，SMA栓钉(4)伸入RC框架梁(2)和RC框架柱(3)的垂直深度为50mm，伸出钻孔外的垂直长度为150mm。
3.根据权利要求2所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
相邻SMA栓钉(4)之间的间距为200mm～300mm。
4.根据权利要求1所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
所述SMA筋材(5)为SMA光圆筋或SMA带肋筋，直径包括4mm、6mm和8mm。同一方向相邻的SMA筋材的间距均为200mm～400mm，水平向的SMA筋材长度覆盖墙体全长，竖直方向的SMA筋材长度覆盖墙体全高，两个方向的SMA筋直径相同，SMA筋材与砌体填充墙(1)表面间的距离不小于5mm。
5.根据权利要求1所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
所述SMA栓钉(4)、SMA筋材(5)、穿墙钢筋(6)以及ECC面层(7)设置于所述砌体填充墙(1)的单侧或两侧。
6.根据权利要求1所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
所述砌体填充墙(1)的墙体表面沿水平灰缝剔凿有凹槽(9)，沿水平向布置的SMA筋材(5)嵌入所述凹槽(9)内或位于凹槽外，嵌入凹槽(9)的SMA筋材(5)的直径不超过6mm。
7.根据权利要求6所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
沿水平灰缝剔凿的凹槽(9)的深度为10mm～15mm,若沿水平向布置的SMA筋材(5)未嵌入凹槽(9)内，凹槽(9)间距不超过600mm。
8.根据权利要求1所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙，其特征在于：
所述ECC面层(7)的厚度为25mm～35mm。
9.如据权利要求1至8任一权利要求所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙的施工方法包括以下步骤：
S1、进行砌体填充墙(1)的施工，对于既有砌体填充墙RC框架结构建筑，直接进入下一步；
S2、在RC框架梁(2)与RC框架柱(3)靠近砌体填充墙(1)的位置采用锚固型结构胶将SMA栓钉(4)植入预先设置的钻孔(8)中；
S3、在砌体填充墙(1)的表面附近沿水平向和竖向布置SMA筋材(5)；并通过S形或L形的穿墙钢筋(6)将SMA筋材(5)固定在墙体表面；
S4、将墙面适当润湿，在砌体填充墙(1)的墙体表面压抹或喷射ECC面层(7)将SMA栓钉(4)、SMA筋材(5)和穿墙钢筋(6)完全覆盖；
S5、收平ECC面层(7)表面，完成施工并进行养护。
10.根据权利要求9所述的SMA-ECC复合加固RC框架结构砌体填充墙的施工方法，其特征在于：
所述砌体填充墙(1)的墙体表面沿水平灰缝剔凿有凹槽(9)，沿水平向布置的SMA筋材(5)嵌入所述凹槽(9)内或位于凹槽外。
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