底框砌體剪力墻震損房屋抗震加固擬動力子結(jié)構(gòu)試驗

陳再現(xiàn)，王鳳來，楊同蓋，楊 剛

（1．哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，哈爾濱150090；2．哈爾濱工業(yè)大學（威海）土木工程系，威海264209）

在中國的城市中，臨街的住宅、辦公室等建筑在底層或底部2層設(shè)置商店、餐廳或者銀行等，房屋的上部幾層為縱、橫墻比較多的砌體墻承重結(jié)構(gòu)，房屋的底層或底部2層需要大空間而采用框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，這就是底框砌體剪力墻房屋。由于這種類型的結(jié)構(gòu)容易滿足建筑功能的需要，具有較多層鋼筋混凝土框架房屋造價低和便于施工等優(yōu)點，是中國中高層底部大空間建筑的一種具有競爭力的結(jié)構(gòu)體系［1］。5．12汶川地震后，清華大學、西南交通大學和北京交通大學土木結(jié)構(gòu)［2］有關(guān)專家開展了建筑震害調(diào)查，調(diào)查表明該類房屋69%的屬于加固后可使用，31%的屬于停止使用和立即拆除的。因此，研究該類房屋震后修復加固方法及加固后抗震性能，對保證震后恢復重建工作有力、有序、有效地開展，促進災(zāi)區(qū)經(jīng)濟社會的恢復和發(fā)展，具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，對加固方法和加固效果的研究多停留在抗震加固［3－10］層面，而很少有關(guān)于震后修復加固方面的理論和實驗研究［11］。然而，結(jié)構(gòu)震后修復加固不同于結(jié)構(gòu)抗震加固，抗震加固是對不滿足抗震設(shè)防要求的建筑結(jié)構(gòu)進行加固，提升其抗震能力；結(jié)構(gòu)震后修復加固是在原結(jié)構(gòu)受到損傷前提下，通過對損傷進行修復達到恢復原抗震能力或提升其抗震能力的目的。本文在完成底框配筋砌塊短肢砌體剪力墻房屋震損結(jié)構(gòu)損傷程度的評估、加固的基礎(chǔ)上，首次對經(jīng)加固維修后的結(jié)構(gòu)足尺模型進行擬動力子結(jié)構(gòu)試驗，分析其加固方法的適用性以及震損房屋抗震性能，為這種結(jié)構(gòu)形式建筑的震后整體修復提供技術(shù)支持。

1 試驗概況

1．1 試驗方法

對加固后模型首先進行初始剛度測試，然后進行擬動力子結(jié)構(gòu)試驗。

1．1．1 初始剛度測試方法 初始剛度測試采用力控制進行測試，3層、2層初始剛度測試采用2個作動器作用的方法，而1層初始剛度測試采用單個作動器作用的方法。其具體方法為：測試1層剛度時放松2層、3層作動器，1層作動器推，推力為F1，測得1層的層間位移為Δ1；測試2層剛度時放松3層作動器，1層作動器拉，2層作動器推，二者出力均為F2，測得2層的層間位移為Δ2；測試3層剛度時放松1層作動器，2層作動器作為約束，3層作動器推，推力為F3，測得3層的層間位移為Δ3，各層層間剛度K i按式（1）計算。其原理見圖1。

圖1 初始剛度測試原理圖

1．1．2 擬動力子結(jié)構(gòu)試驗中實測層剛度計算方法

擬動力子結(jié)構(gòu)試驗過程中實測層剛度計算方法原理見圖2所示，地震動加速度第j步第i層實測層間側(cè)移剛度K i，j按式（2）計算。

式中：Fi，j為表示第j步第i層作動器施加的作用力；Δi，j為表示第j步第i層測得相對于地面的層位移；Δ0，j＝0

圖2 擬動力子結(jié)構(gòu)試驗過程中各步實測層剛度計算方法原理圖

1．1．3 擬動力子結(jié)構(gòu)試驗方法 加固后的擬動力子結(jié)構(gòu)試驗方法，采用哈爾濱工業(yè)大學吳斌教授提出的，且在加固前驗證可行并成功應(yīng)用于加固前系統(tǒng)模型擬動力子結(jié)構(gòu)試驗的等效力控制方法［12－15］。加固后擬動力子結(jié)構(gòu)試驗仍采用為Elcentro地震動記錄（S－N），選取前6 s的記錄做試驗，時間步長為0．02 s，地震動峰值加速度分別為220 gal。本次擬動力子結(jié)構(gòu)試驗采用試驗子結(jié)構(gòu)為底部2層計算子結(jié)構(gòu)為上部4層的擬動力子結(jié)構(gòu)試驗，3層只作為施力層加載，計算子結(jié)構(gòu)的恢復力模型采用線性恢復力模型。

1．2 加載裝置及測點布置

試驗裝置包括豎向加載裝置和水平加載裝置，如圖3、圖4所示：1）豎向荷載通過3層頂面8臺500 k N千斤頂和反力架施加，每個墻片采用一級分配梁。千斤頂上的反力架通過豎向鋼筋拉結(jié)，鋼筋與試驗室地板通過螺栓連接形成自錨系統(tǒng)，分配梁的傳力點設(shè)鋼滾軸。各千斤頂施加的恒定豎向荷載見表1。2）水平荷載通過分別在3層和2層頂樓板處連接1個630 k N作動器以及1層頂樓板處連接1個250 k N作動器來施加。文中模型層間相對位移采用6個高精位移計（LVDT）進行測量，每層2個放在每層頂對稱位置，均在水平作動器作用方向且遠離水平作動器加載一面，取其平均值為層間相對位移實測值。

圖3 豎向加載裝置及千斤頂布置示意圖

表1 各千斤頂施加荷載表

圖4 水平加載裝置照片

2 加固前后模型試驗結(jié)果及對比分析

2．1 加固后擬動力子結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果及破壞過程

圖5為模型各層的位移時程曲線。圖6給出了地震動峰值加速度為220 gal時試驗子結(jié)構(gòu)層剪力－層間位移滯回曲線。加固后模型進行擬動力子結(jié)構(gòu)試驗時，在地震動步數(shù)90步之前，無異常現(xiàn)象。當達到91步時，①軸框架柱與后澆帶連接處粘鋼處發(fā)出清脆的“啪啪”聲，這是由模型粘鋼膠斷裂產(chǎn)生的，同時可以看到粘貼鋼板處會產(chǎn)生混凝土灰塵，伴隨沉悶的“砰砰”聲。此時從位移時程曲線可以看出，此時正接近正向第1個峰值點（即1．82 s時，作動器出力狀態(tài)為拉），而從1層的層剪力－層位移滯回曲線可以看到正向峰值點附近曲線有明顯的突變，1層層剪力達到462 k N，層間位移達到9．76 mm，此時①軸框架柱與后澆帶連接處粘鋼加固部位已經(jīng)發(fā)生破壞，接著由損壞后的模型繼續(xù)承擔地震力，層間剪力和層間位移繼續(xù)增大。當達到第94步時，即達到正向第1個峰值點，2層①軸附近圈梁負彎矩區(qū)粘鋼加固部位出現(xiàn)類似第91步時①軸框架柱與后澆帶連接處粘鋼處發(fā)生的現(xiàn)象，此時2層層間剪力為462 k N，層間位移為3．77 mm，此處粘鋼加固部位也已經(jīng)發(fā)生破壞。

圖5 模型各層位移時程曲線

圖6 加固后試驗子結(jié)構(gòu)層滯回曲線

隨后又進入平穩(wěn)的試驗階段，不久后③軸框架柱與后澆帶連接處粘鋼在第107步地震動（此時1層層剪力為－589 k N，層間位移為－16．37 mm，負號表示作動器出力狀態(tài)為推）、2層③軸附近圈梁粘鋼在第110步（即2．2 s，從位移時程曲線可以看出，此時模型達到負向的峰值點，作動器出力狀態(tài)為推，此時2層層剪力為－633 k N，層間位移為－9．74 mm）均發(fā)生與前面同樣現(xiàn)象，同樣可以從一層滯回曲線看出在107步發(fā)生明顯的折點。

經(jīng)歷2次有明顯現(xiàn)象產(chǎn)生的破壞后，由于已經(jīng)經(jīng)歷了地震動加速度峰值，沒有再出現(xiàn)超出前面的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，試驗再次進入了平穩(wěn)的試驗階段，且直至整個試驗過程結(jié)束，再無明顯現(xiàn)象產(chǎn)生。

2．2 加固后擬動力子結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)

擬動力試驗后對模型進行檢查，破壞主要發(fā)生在柱與后澆帶連接處粘鋼，以及2層頂圈梁負彎矩處和混凝土樓板上粘鋼，具體破壞形態(tài)及原因分析如下詳述：

圖7為2層圈梁③軸附近粘鋼的破壞形態(tài)，其為作動器在推力作用下破壞的：側(cè)面粘鋼部位混凝土整塊被拉裂，從而引起粘貼的鋼板失效，其形態(tài)為裂縫從鋼板端部位置向混凝土內(nèi)部發(fā)展了的斜裂縫；混凝土樓板上粘鋼，一端粘鋼膠與混凝土粘貼面被撕裂導致鋼板失效。圖8給出了2層圈梁①軸附近粘鋼的破壞形態(tài)，其為作動器在拉力作用下破壞的：側(cè)面粘鋼部位及混凝土樓板上粘鋼均為一端粘鋼膠與混凝土粘貼面被撕裂導致鋼板失效。

圖7 2層圈梁③軸附近粘鋼的破壞形態(tài)

圖8 2層圈梁①軸附近粘鋼的破壞形態(tài)

圖9給出柱與后澆帶連接處①軸附近粘鋼的破壞形態(tài)，其為作動器在拉力作用下破壞的：側(cè)面粘鋼部位混凝土整塊被拉裂，同時粘鋼膠與混凝土粘貼面被撕裂，導致粘鋼失效，而彎折粘貼于柱側(cè)面的鋼板沒有破壞。圖10給出柱與后澆帶連接處③軸附近粘鋼的破壞形態(tài)，其為作動器在推力作用下破壞的：側(cè)面粘鋼膠與混凝土粘貼面被撕裂，同時后澆帶與混凝土柱連接處混凝土被拉裂，導致粘鋼失效，而彎折后貼于柱側(cè)面的鋼板依然完好。

上述粘鋼的破壞形態(tài)基本為鋼板端頭的脆性剝離破壞，這是由于粘鋼加固用的粘鋼膠彈性模量很低，表現(xiàn)為明顯的脆性性能，非常容易斷裂，在地震作用下與鋼板和混凝土無法協(xié)調(diào)變形，從而出現(xiàn)混凝土被拉裂或粘鋼面被撕裂致使粘鋼失效。

轉(zhuǎn)換層托梁粘貼鋼板部位端頭處用螺栓進行過錨固處理（圖11），在擬動力試驗后，無以上形式破壞。由此可見，粘鋼加固時，將鋼板進行彎折粘貼于與加固面垂直的平面上或者采用螺栓打孔進行錨固處理，可提高加固面的承載能力。然而，隨著地震荷載的增加，錨栓承擔的外張力以及剪力都會加大，即鋼板對錨栓的“剪撬”作用會加大，同時螺栓周圍混凝土所需承擔的內(nèi)力也會加大，最后會因為內(nèi)力過大導致混凝土局部被壓碎或者混凝土構(gòu)件從螺栓孔部位開裂，粘鋼端頭錨栓的作用削弱，最終鋼板端頭還是會發(fā)生脆性撕裂破壞。因此，粘鋼加固在地震作用下，表現(xiàn)為極為典型的脆性剝離破壞，應(yīng)慎用于結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件的震后修復加固。

同時，模型中所有粘貼玻璃纖維布的位置，沒有產(chǎn)生玻璃纖維布被剝離或者被拉斷的現(xiàn)象，所加固構(gòu)件也未產(chǎn)生新的裂縫。從總體來看，用環(huán)向纏繞封閉式粘貼GFRP加固的構(gòu)件，有較好的延性，仍有繼續(xù)抵抗地震力作用的潛力。而模型中的裂縫灌膠并沒有對裂縫處混凝土起到良好的粘結(jié)作用，裂縫處仍是模型的薄弱部位。

圖9 柱與后澆帶連接處①軸附近粘鋼的破壞形態(tài)

圖10 柱與后澆帶連接處③軸附近粘鋼的破壞形態(tài)

圖11 一層頂框架梁側(cè)粘鋼處錨固處理圖

2．3 加固前后擬動力子結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果對比分析

圖12給出了加固前后模型在峰值加速度220 gal作用下試驗子結(jié)構(gòu)層滯回曲線比較曲線。從滯回曲線的對比情況來看，加固前后試驗?zāi)Ｐ驮?20 gal時具有基本相當?shù)暮哪苣芰?，說明采用本文綜合加固的方法對試驗?zāi)Ｐ瓦M行震后修復，是可以保證試驗?zāi)Ｐ图庸毯蟮膭恿π阅芎涂拐鹦阅艿?。而粘鋼部位發(fā)生撕裂破壞后，模型的層間剪力及層間位移還有繼續(xù)增長的趨勢，進一步說明了用環(huán)向纏繞封閉式粘貼GFRP加固的構(gòu)件，有較好的延性，仍有繼續(xù)抵抗地震作用的潛力。

圖12 加固前后試驗子結(jié)構(gòu)層滯回曲線比較曲線

2．4 剛度試驗結(jié)果及分析

模型加固前在峰值加速度為35 gal的力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗前進行過1次初始剛度測試，在峰值加速度為110 gal的等效力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗前進行過1次初始剛度測試，模型加固修復后又進行過1次初始剛度測試，剛度測試結(jié)果見表2。這里需要指出的是，在進行110 gal等效力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗前進行了大量的位移控制方法的試驗測試研究，導致試驗?zāi)Ｐ驮谶M行110 gal等效力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗時，模型已經(jīng)發(fā)生輕微破壞，尤其是后澆帶與柱連接處所植鋼筋產(chǎn)生了較大的塑性變形導致連接面處混凝土開裂，導致試驗?zāi)Ｐ蛣偠扔兴档汀?/p>

從表2中看出，加固后測試的試驗?zāi)Ｐ统跏紕偠容^力控制前（即試驗?zāi)Ｐ妥畛醯某跏紕偠龋┑膭偠鹊停禽^加固前進行等效力控制前測試的初始剛度要高，說明經(jīng)過粘鋼、環(huán)向纏繞封閉式粘貼GFRP和壓力灌膠修補裂縫的加固方法能很大程度的恢復受損結(jié)構(gòu)的剛度，但是模型由于“地震”后出現(xiàn)了內(nèi)部損傷，特別是對于混凝土和砌體材料非線性比較復雜的材料，經(jīng)過上述加固后很難達到新建結(jié)構(gòu)的剛度。需要注意的是，本文加固方案中未對3層進行任何加固措施，而3層剛度能在對1層、2層進行加固后提高到進行等效力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗時的剛度，更進一步說明3層在等效力控制擬動力子結(jié)構(gòu)試驗前后基本沒有進一步破壞，其剛度的減少只是由于下部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞引起的，同時也說明2層頂連梁對3層剛度影響很大，對連梁進行加固能有效提高與連梁相連層的剛度。

表3給出了加固前峰值加速度為220 gal與加固后220 gal時峰值點等效剪切剛度比較，可以看出加固后220 gal時試驗?zāi)Ｐ屯嘶蟮姆逯迭c剛度較加固前220 gal時試驗?zāi)Ｐ屯嘶蟮姆逯迭c要高將近兩倍，此時模型中的粘鋼已經(jīng)破壞退出工作，而粘貼的玻璃纖維布基本完好，說明在柱、剪力墻等構(gòu)件上環(huán)向纏繞玻璃纖維布的加固方法可以有效的提高試驗?zāi)Ｐ偷膭偠取?/p>

表2 模型初始剛度對比

表3 加固前后峰值點剛度比較

3 結(jié)論

1）首次完成了震損房屋加固后的擬動力抗震性能試驗，結(jié)果表明經(jīng)合理修復加固的框支配筋砌塊短肢砌體剪力墻多層結(jié)構(gòu)仍具有較好的抗震性能。

2）在地震作用下，粘鋼加固在失效前能提高結(jié)構(gòu)的剛度及抗震承載力，但無論采用端部彎折甚至錨拴都無法改變粘鋼加固脆性破壞的特征，因此，粘鋼加固方法應(yīng)慎用于結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件的震后修復加固，可適用于承受靜載作用為主的板和次梁等非結(jié)構(gòu)體系構(gòu)件的加固。

3）在柱、剪力墻等構(gòu)件上環(huán)向纏繞玻璃纖維布的加固方法可以有效的提高試驗?zāi)Ｐ偷膭偠群脱有?，在結(jié)構(gòu)抗震加固中使用是可行的；僅采壓力灌膠方法進行裂縫修補并不能改變構(gòu)件的薄弱部位，該方法只是對加固方法的一種輔助。

4）連梁對配筋砌塊剪力墻層剛度影響很大，對連梁進行加固能有效提高與連梁相連配筋砌塊剪力墻層的剛度。

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