传统民居木构架砌体围护墙面外加载装置

1.本实用新型涉及建筑工程实验装置领域，特别涉及一套适于传统民居木构架承重的砌体围护墙平面外试验加载装置及试验方法。


背景技术：

2.在传统民居建筑中，木构架砌体围护墙是最常见的建筑结构形式，木构架为承重体系，围护墙多为土坯、石块、砖等砌筑的墙体。木构架通过榫卯节点进行连接，木柱直立于基础上，没有任何锚固，通过内部围护墙保证木构架的稳定。从围护墙自身的受力变形考虑，围护墙平面内可提供大的抗侧力刚度，但围护墙本身还需要具备足够的能力来抵抗其自身在地震作用下产生的惯性力。传统村落民居中墙体与木构架之间无可靠拉结，围护墙整体性较差，如土石围护墙结构，石墙体通过大小不一、形状各异的块石、卵石结合黏土进行砌筑，表面粗糙，整体性差，在地震作用下容易出现平面外的塌落、外闪。
3.中国专利202110948073.3公开了一种位移控制的墙体平面外气囊加载的试验装置和试验方法，适于现代建筑结构中的钢框架填充墙结构单纯的平面外加载。在传统民居中，木构架包含圆截面的木顶梁和木立柱，顶梁和立柱仅通过薄弱的榫卯节点进行连接，木柱直立于基础上，没有任何锚固，通过传下来的屋顶配重和内部围护墙保证木构架的稳定，因此采用中国专利202110948073.3中的螺杆与墙体框架的顶梁螺栓连接，显然不能适于木构架，可能直接导致木构架倾覆。因此设计了专门针对木柱的钢箍约束以及连接端，设计了木柱支撑架，钢箍与木柱支撑架之间采用螺栓连接，安装方便灵活且可拆卸。
4.中国专利202110948073.3该专利是利用气囊充气至一个大气压，利用液压制动器进行位移加载，且气囊粘贴在气囊支撑架上，本专利是利用气囊进行充气抽气，自主提供面外推覆力，通过墙面位移进行控制加载，本试验装置容易实现，不再借助反力墙和液压制动器，反力架设置多个支撑点并连接多个力传感器，相比一个液压制动器对气囊支撑架更能施加均匀的平面外荷载，相比多个液压制动器共同工作更容易控制，且力传感器价格低廉。此外，传统民居的砌体围护墙多为土坯、石块、砖等砌筑的墙体，墙面粗糙，特别是毛石砌筑的墙体，气囊非常容易发生扎破漏气，本专利设计方便气囊破损后的修补更换。
5.中国专利202110948073.3加载试验方法置首先为力控制加载，直至墙体构件产生第一条裂缝后改为位移控制分级加载。该方法不适于传统民居木构架砌体围护墙结构。在传统民居中连接材料为粘接性差的砂浆或者黏土，特别对于土石围护墙，力加载和裂缝无法作为控制点，因此本专利提出全程墙面位移控制加载方法，且本专利强调若墙面不出现外闪或塌落可采用千分表、拉线位移计等位移传感器，若墙面容易出现外闪或塌落如土石墙体，可采用激光位移计。而已有专利采用一个位移支撑架及拉线位移计并不适用。


技术实现要素：

6.传统民居木构架砌体围护墙结构，木构架为竖向承重体系，围护墙多为土坯、毛石、砖等砌筑的墙体，木构架通过薄弱的榫卯节点进行连接，木柱直立于基础上，没有任何
锚固，内部围护墙保证木构架的稳定。由于砌筑材料粘结强度低，在平面外地震作用下往往导致围护墙的塌落或外闪。对墙体平面外受力性能的试验研究多采用振动台试验和拟静力试验中的液压作动器加载试验或气囊加载试验。振动台试验虽然能真实反映墙体受平面外地震作用的破坏形态，但其试验成本高且试验操作复杂往往难以推广使用，此外墙体的塌落或外闪对振动台的台面及下方的附属装置容易造成损伤。液压作动器加载，为实现墙面的均匀受力一般是采用多个作动器接触墙体表面，加载装置容易实现，加载过程不容易协调控制，此外最重要的是这种加载方式传递给墙体的是多个集中荷载，无法模拟均匀的面外地震作用。在拟静力试验中使用气囊或水囊系统施加面外均布力更能真实地模拟面外的地震作用，本实用新型提供了一套针对传统民居木构架承重的砌体围护墙平面外受力性能测试的试验装置及其测试方法。该实用新型通过气囊施加面外荷载在围护墙体上，实现均布荷载加载模拟真实的地震作用；加载装置简单，容易实现，力传感器价格低廉，不再借助液压制动器和反力墙，通过对气囊的充气抽气可直接实现面外加卸载，减少试验加载装置对试验设备及场地环境的要求；为防止木构架的倾覆设置木柱钢箍及支撑装置，通过安装方便且可拆卸的螺栓连接实现对木柱的平面外支撑；传统民居的砌体围护墙多为土坯、石块、砖等砌筑的墙体，墙面粗糙，特别是毛石砌筑的墙体，气囊非常容易发生损伤漏气，本专利设计方便气囊破损后的修补更换；所采用的平面外加载位移控制方法，具有普遍适用意义，适合于土坯、石块、砖等砌筑的围护墙体，特别适合于力和裂缝无法作为控制点的黏土和毛石砌筑的围护墙体。
7.为达到上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
8.一种木构架承重的砌体围护墙特有的平面外加载装置，由木柱钢箍1，木柱支撑架2、气囊系统3、平面支撑架4、力传感器5、可移动反力架6组成。木柱支撑架2与木柱钢箍1通过螺栓连接；气囊系统3内侧紧贴传统民居木构架砌体围护墙面；气囊系统3外侧设置平面支撑架4；平面支撑架4外侧设置可移动反力架6；固定在可移动反力架6上的力传感器5顶住平面支撑架4；可移动反力架6通过地锚固定在实验室地面上；利用平面反力架装置9的水平钢梁91吊装连接平面支撑架4和气囊系统3。未设置气囊系统3的另一侧砌体围护墙上设置有位移传感器，当气囊系统3充气时，获取砌体围护墙上测点的面外位移值，施加给砌体围护墙上的作用力通过力传感器5测量，气囊系统3的压强通过气囊压力表测量。通过对气囊系统3进行充气和抽气，对砌体围护墙进行平面外加载，实现位移控制加载。
9.优选的，木柱钢箍1为环形，内径略大于木柱直径，且具有开口预紧端11，开口预紧端11沿柱长方向开设多个螺栓孔，通过螺栓进行预紧；钢箍表1面设有多个螺钉通孔12，通过螺钉连接将钢箍固定于木柱上。
10.优选的，每个木柱上设置两个木柱钢箍1，木柱钢箍1具有连接端14，该连接端截面呈工字型，十字形、t型、π型，并在端部设置第一带螺栓孔的封板13。
11.优选的，木柱支撑架2包括两根第一斜撑杆21和第一底板22，第一斜撑杆21一端设置第二带螺栓孔的封板23，一端与第一底板连接，第一底板通过地锚固定在实验室地面。
12.优选的，钢箍连接端14的第一带螺孔的封板13的螺栓孔距、大小与木柱支撑架的第二带螺栓孔的封板23的螺栓孔相对应，两者可进行螺栓连接。
13.可选的，所述第一斜撑杆21为方管、圆管、工字钢。
14.可选的，平面支撑架4包括平面板41、方格加载42和吊钩43。
15.优选的，平面支撑架4的平面板41为结构用欧松板或胶合板，厚度不小于8mm。
16.优选的，平面支撑架的方格架子42由竖向立柱以及垂直设置的多道横梁连接而成。立柱包括方管、工字钢、槽钢，横梁包括方管、工字钢、槽钢和角钢。吊钩43设置在最上层的横梁上。
17.优选的，平面支撑架4中的平面板41通过螺钉连接于平面支撑架的框架上。
18.优选的，所述的平面支撑架4与围护墙面积等大或稍大于围护墙面积。
19.优选的，所述的可移动反力架6包括多根平行竖立立柱61和水平设置的多道横梁62构成的框架、多块支撑连接板64以及多道斜撑杆65和第二底板63。
20.优选的，可移动反力架6的多根平行竖立立柱61连接在第二底板63上，第二底板63通过地锚固定在实验室地面，立柱包括方管、工字钢。
21.优选的，可移动反力架6的水平设置的多道横梁62，垂直连接于立柱61上，与立柱构成框架，横梁包括方管、工字钢、角钢、槽钢。
22.优选的，多个力传感器5连接于可移动反力架6的立柱61表面一侧，且平均分布在反力架6覆盖的墙体面积之内，力传感器5与立柱61的连接可采用螺栓连接或焊接。
23.优选的，在可移动反力架6的立柱61表面对侧与固定力传感器5的相同高度位置焊接斜撑连接板64，且斜撑连接板开有螺栓孔。
24.优选的，可移动反力架6的每道第二斜撑杆65一端连接带螺栓孔的竖向封板66，与斜撑连接板64进行螺栓连接，另一端与可移动反力架的第二底板63连接。
25.优选的，第二斜撑杆65包括方管、工字钢、圆管。
26.更近一步地，木柱钢箍1的钢箍连接端14与木柱支撑架2通过螺栓连接时，木柱支撑架2与可移动反力架6可安装在试验试件7的两侧或同侧，木柱支撑架2的第一底板22和可移动反力架6的第二底板63分别通过地锚与实验室地面连接。
27.使用上述平面外气囊加载试验装置进行围护墙体平面外加载试验，其加载方法及步骤如下：
28.步骤1、组装试验布置
29.试验试件7由木构架和围护墙体组成，其中的木构架是由两个竖直的木立柱和一个水平木横梁通过榫卯节点构成。在木构架的木柱固定高度位置安装木柱钢箍1，且钢箍连接端位于墙体侧部在拼装好的木构架内砌筑砌体围护墙，待试验试件7加工制作养护完成后，吊至指定试验位置。木柱支撑架2与木柱钢箍1的连接端14通过螺栓连接，木柱支撑架的第一底板22通过地锚固定在实验室地面。可移动反力架6通过地锚固定在实验室地面，力传感器5连接在可移动反力架6立柱61上。平面反力架装置8是由水平钢梁81和两个竖直支撑柱82组成，水平钢梁81翼缘带有螺栓孔，螺栓孔与平面支撑架4通过钢链吊装连接，并使力传感器5紧挨平面支撑架4。气囊系统3也通过吊装装置，吊装在平面反力架装置8的水平钢梁81上，并置于围护墙7与平面支撑架4之间。
30.步骤2、调试试验装置
31.木构架竖向承重采用平面内的加载系统的竖向千斤顶9进行加载，平面外测试采用该平面外加载装置，以每级为1kpa的气囊压强增加，分三级进行，每一级的持荷时间为2min，当气囊中气压达到3kpa，结束持荷时间后，卸荷直至气囊的气压小于1kpa。检查试验装置各部分运行是否正常，不正常则加以调试。
32.步骤3、加载试验
33.通过调节充气系统进行加载充气速度的控制，通过抽气系统完成气囊卸载。以墙面中心处或顶部中心点的面外位移为控制参数进行加载。若墙面不出现外闪或塌落可采用千分表、拉线位移计等位移传感器，若墙面容易出现外闪或塌落可采用激光位移计。
34.若试验为单调加载，在层间位移2％之内时，采用每级2.5mm的位移增量值进行加载，在层间位移2％以上时，采用每级5mm的位移增量值进行加载，每级荷载持荷2min，数据采集仪同时记录位移传感器和力传感器的数值，直至力传感器总数值由升转降、降至最大总和值的80％以下时停止加载。
35.若试验为单方向循环加载，在层间位移2％之内时，采用每级2.5mm的位移增量值进行加载，在层间位移2％以上时，采用每级5mm的位移增量值进行加载，但是每级加载与卸载重复三个循环，每一个循环下充气至相应的目标位移，然后抽气卸载至气囊的气压小于1kpa和力传感器值的总和低于0.1kn。
36.本实用新型实施提供的平面外加载装置专门用于传统民居木构架砌体围护墙平面外加载，采用气囊加载实现对墙面的均布加载，更真实地模拟地震作用，由于传统民居的砌体围护墙多为土坯、毛石、砖等砌筑的墙体，墙面粗糙，特别是毛石砌筑的墙体，气囊容易发生破损，相比之前的气囊设置方法，可方便提供修补和更换。可移动反力架系统，不再借助反力墙和液压制动器，满足灵活布置，力传感器购买价格低廉，通过对气囊充气抽气实现平面外加卸载，获取位移、荷载、压强的关系，装置简单，容易实现，避免多个液压制动器加载头不容易协调控制，减少实验加载装置对试验设备和场地环境的要求；传统民居的木构架仅通过榫卯节点连接，且柱直立于础石或基础上，无任何锚固，为防止平面外加载木构架的面外倾覆，设计木柱钢箍以及木柱支撑架，通过螺栓连接，方便安装与拆卸，实现平面外对木柱支撑的功能。所采用的平面外加载位移控制方法，具有普遍适用意义，适合于传统民居中容易发生塌落或外闪的土坯、石块、砖等砌筑的围护墙体，特别适合于力和裂缝无法作为控制点的黏土和毛石砌筑的围护墙体。
附图说明
37.图1为本实用新型试验装置的结构示意图；
38.图2为本实用新型实施提供的木柱钢箍1的结构示意图；
39.图3为本实用新型实施提供的木柱支撑架2的结构示意图；
40.图4为本实用新型实施提供的平面支撑系统4的结构示意图；
41.图5为本实用新型实施的可移动反力架6的结构示意图。
42.附图标记：
43.1-木柱钢箍、2-木柱支撑架、3-气囊系统、4-平面支撑架、5-传感器、6-可移动反力架、7-试验试件、8-平面反力架、9-竖向千斤顶、11-带螺栓孔的开口预紧端、12-螺钉通孔、13-第一带螺栓孔的封板、14-钢箍连接端、21-第一斜撑杆、22-第一底板、23-第一带螺栓孔的封板、41-平板、42-方格架子、43-吊钩、61-立柱、62-横梁、63-第二底板、64-斜撑连接板、65-第二斜撑杆、66-带螺栓孔的竖向封板、81-水平钢梁、82-竖直支撑柱。
具体实施方式
44.本实用新型提供一种针对传统民居木构架承重-砌体围护墙的平面外试验加载装置及测试方法。为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本实用新型作进一步详细说明。
45.参考图1，本实用新型一种实施例提供木构架承重的土石围护墙平面外气囊加载试验装置及实验方法，该试验装置由木柱钢箍1、木柱支撑架2、气囊系统3、平面支撑架4、力传感器5、可移动反力架6组成。木柱支撑架2和可移动反力架6分布于试件同侧，且两者通过地锚固定在实验室地面上。平面支撑架4通过钢链吊装连接在平面反力架装置8的水平钢梁81上。气囊系统3也通过吊装装置，吊装在平面反力架装置8的水平钢梁81上，并置于围护墙7与平面支撑架4之间。木构架承重的砌体围护墙为木构架内嵌砌体围护墙，木柱钢箍1与木构架的木柱连接。
46.在本实用新型一个优选的实施例中，每个木柱上设置两个木柱钢箍1，如图2即图1中的1号所示，木柱钢箍为环形，内径略大于柱直径，且具有开口预紧端11，连接端分别设有沿柱长方向的多排螺栓孔，通过螺栓带动钢箍对木柱进行预紧，箍紧木柱不滑动，且钢箍表面开设螺钉通孔12，通过自攻螺钉等紧固件将钢箍连接于木柱上。木柱钢箍具有连接端14，该连接端截面呈十字形，并在端部设置第一带螺栓孔的封板13。
47.在本实用新型一个优选的实施例中，如图3即图1中的2号所示为木柱支撑架示意图，每个木柱支撑架2包括两根第一斜撑杆21和第一底板22，斜撑杆一端设置第二带螺栓孔的封板23，一端与第二底板22连接，第二底板通过地锚固定在实验室地面。第二带螺栓孔的封板23与木柱箍连接端14的第二带螺栓孔的封板13进行螺栓连接。所述第一斜撑杆包括方管、圆管、工字钢。
48.在本实用新型一个优选的实施例中，如图4即图1中的4号所示为平面支撑架，平板41通过自攻螺钉固定在多根立柱和多道横梁组成的方格架子42。本实用新型实施例不对方格架子中的立柱和横梁截面的选用进行具体的限定。方格架子上焊接吊钩43。
49.在本实用新型一个优选的实施例中，如图5即图1中的6号所示为可移动反力架示意图。本实用新型实施例不对构成反力架框架的立柱和横梁的数量以及截面选用进行具体的限定。采用多根平行竖立立柱61和水平设置的多道横梁62连成框架，立柱61下端与第二底板63连接，第二底板63通过地锚固定在实验室地面，立柱61底部设置加劲肋。在立柱覆盖的墙体面积的四角及中部的钢柱相应位置平均分布设置力传感器5，在连有力传感器5的立柱61位置的背部连接相应数量的且带有螺栓孔的支撑连接板64。斜撑杆65一端设置带有螺栓孔的竖向封板66，与支撑连接板进行螺栓连接，另一端以一定角度与第二底板63连接。本实用新型实施例不对反力架中的第二斜撑数量及截面选用进行具体的限定。
50.加载过程以墙面中心处或顶部中心点的面外位移为控制参数进行加载。由于土石围护墙墙面容易出现外闪或塌落，墙体面外位移采用激光位移计进行测量。单调加载，在层间位移2％之内时，采用每级2.5mm的位移增量值进行加载，在层间位移2％以上时，采用每级5mm的位移增量值进行加载，每级荷载持荷2min，数据采集仪同时记录位移传感器和力传感器的数值，直至力传感器总数值由升转降、降至最大总和值的80％以下时停止加载。单方向循环加载，在层间位移2％之内时，采用每级2.5mm的位移增量值进行加载，在层间位移2％以上时，采用每级5mm的位移增量值进行加载，但是每级加载与卸载重复三个循环，每一
个循环下充气至相应的目标位移，然后抽气卸载至气囊的气压小于1kpa和力传感器值的总和低于0.1kn。
51.显然，本领域的技术人员可以对本实用新型实施例进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。