加固后钢筋混凝土框架楼梯间模型抗震试验研究

杨俊杰,范宇杰

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)



加固后钢筋混凝土框架楼梯间模型抗震试验研究

杨俊杰,范宇杰

(浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：介绍了受地震破坏的两层钢筋混凝土框架楼梯间模型经加固后的地震振动台试验.实验采用环氧细石混凝土、环氧砂浆、和碳纤维对破坏模型进行修补加固，并且采用振动台输入TAFT波和人工波，对其进行抗震实验，实测了加固模型的动力特性以及在不同地震波下的动力反应，并采用白噪声扫描的方法测定了模型在不同地震波峰值后的自振频率的变化.通过加固前后模型的动力特性对比，以及模型破坏特征的比较，验证了该楼梯间加固方法的有效性.

关键词：加固模型；振动台试验；框架楼梯间

楼梯间在建筑结构中承担着竖向交通功能，也是紧急疏散通道，应具有比主体结构更高的抗震能力[1-3]，但是在强烈地震作用下，楼梯间通常破坏严重，是抗震的薄弱环节，也是造成人员伤亡惨重的一个重要原因[4]，因此，楼梯间的加固具有重大意义.实验主要采用环氧树脂及碳纤维布对一个在地震波作用下破坏严重的框架楼梯间模型进行加固，加固的重点是增强受地震破坏的竖向结构，通过增大框架柱的侧向刚度来提高整体楼梯间的抗震能力.并对楼梯间破坏模型以及加固模型分别进行振动台试验，通过试验了解楼梯间加固结构的破坏特点，动力特性以及在不同地震波下的动力反应，验证该加固方法的有效性，试验结果可为楼梯间的抗震加固提供一些指导.

1框架楼梯间的概况

1.1　楼梯间结构形式

破坏模型为一个两层的框架楼梯间模型.模型尺寸为450 mm×770 mm×1 000 mm，框架柱尺寸为60 mm×60 mm，楼梯柱尺寸为40 mm×40 mm，框架梁尺寸为50 mm×70 mm，楼梯梁尺寸为50 mm×60 mm，板厚20 mm.模型如图1所示.

为了满足相似关系，在各层分别安放铁块作为人工配重，每层配重60 kg,共三层.

图1　试验模型示意图Fig.1　Sketch map of model

1.2　破坏形态

模型在经过地震模拟振动台试验后，基本达到破坏.破坏主要集中在休息平台、梯板、梯梁，框架柱、楼层梁等处[5-6].具体表现为：

1) 楼梯间四周立柱与基础梁处产生水平裂缝.主要是由于地震水平力作用下底层柱下部水平剪力使立柱受剪断裂，楼梯间整体刚度大幅度下降.

2) 梯梁(平台梁)和休息平台之间在试验中形成了贯通裂缝(图2a).分析原因，主要是该处应力集中，又缺少可靠连接，较为薄弱，在试验中容易开裂.

3) 楼梯板与楼层梁相连处完全断裂，混凝土压碎，钢筋外露(图2b).分析原因，主要是由于梯板的侧向刚度较大，在地震作用下受力较大，楼梯板与楼层梁或梯梁间的连接又较为薄弱，容易产生破坏.

4) 楼层梁的侧面产生了裂缝(图2c).分析原因主要是由于楼梯间处无楼板，地震作用下两侧水平力作用的不均匀导致楼层梁受拉力和反复弯矩作用而产生贯穿梁截面的受拉裂缝.

图2　模型破坏形态Fig.2　Failure pattern of model

1.3　加固方法

本实验对受地震作用破坏的楼梯间模型进行了加固处理，加固的方法主要有如下几个工序：1) 剔凿疏松的混凝土；2) 梯板与楼层梁相连处采用环氧砂浆进行修补(图3a)；3) 在楼层梁的侧面及与柱相连的节点处粘贴碳纤维布(图3b)；4) 在楼梯间的四个框架柱底端采用环氧细石混凝土进行浇筑(图3c).该加固方法加大了框架柱的侧向刚度[7].

2试验方法

2.1　地震波选取

地震波作为主要荷载作用在结构上，对本次试验起着极其重要的作用.同时，地震波是随机振动的，与场地类别、工程特性有关，加载不同作用的地震波，结构会产生不一样的地震响应，获得不同的地震响应数据，本实验沿着Y轴方向输入地震波，选择的地震波为TAFT波和人工波[8].

TAFT波为1952年7月21日美国California地震记录，取最大加速度为152.7 cm/s2，场地土属Ⅱ和Ⅲ类，卓越周期0.44 s，该记录主要周期范围为0.25～0.75 s，持续时间为54 s,如图4(a)所示.

人工波是根据Ⅱ类场地，设计地震分组第一组,由MATLAB软件生成的人造地震波，卓越周期0.35 s，持续时间54 s，最大加速度35 cm/s2，如图4(b)所示.

图3　模型加固Fig.3　Reinforced model

图4　波形图Fig.4　Wave

试验加载时将对上述地震波按时间和加速度相似关系进行调整，并根据加载工况对加速度峰值进行调幅.

2.2　测点位置

本次试验数据采集采用了江苏东华测试技术股份有限公司的DH-5922N动态信号测试分析系统和东华测试的DH610磁电式加速度传感器.其中，DH-5922N动态信号测试分析系统用于分析DH610磁电式加速度传感器和应变片获得的信号和数据.DH610磁电式加速度传感器可以通过调节档位进行加速度和速度的测量，数据采集中主要采用传感器的0号档位，获得测点的加速度，然后通过动态信号测试分析系统进行数据的一次和二次积分，获得测点的速度和位移.

本次试验共设置了11个加速度传感器，具体布置如图1所示，其中1，2，3，4，6，7，8，9测点为位移测点，5，10，11测点为加速度测点.

3试验现象及结果分析

3.1　试验现象

地震波加载至TAFT波10 m/s2时，模型未出现明显的裂缝，说明加固模型的抗震性能得到了增强.当加载至TAFT波14 m/s2时，顶层梁端裂缝宽度由于1.5 mm增大至3.3 mm(图5a)，分析原因，主要是框架柱之间的不协调运动导致框架梁承受拉力和弯矩作用，梁端裂缝增大.同时，二层框架柱开始出现水平裂缝，部分裂缝逐渐变宽(图5b)，而楼梯构件未出现明显的裂缝，说明加大框架柱侧向刚度可以抵消楼梯间水平刚度不足的不利影响，增强后的框架柱对楼梯板及休息平台结构起到了保护作用，使整个楼梯间的抗震性能得到显著增强.地震波加载至TAFT波18 m/s2时，裂缝有进一步扩大，但是没有产生明显的破坏.

实验过程中，经环氧细石混凝土及环氧砂浆修补之处均无新裂缝产生，碳纤维与楼层梁表面也未发生剥离现象，表现良好，说明用环氧砂浆和碳纤维修补损伤的楼梯构件是可行的.

图5　加固模型破坏形态Fig.5　Failure pattern of reinforced model

3.2　动力特性

表1列出了加固模型在试验中的自振频率变化过程，其中的工况分别代表不同的地震振动强度.

表1模型在地震作用下的自振特性变化1)

Table1The change of self vibration characteristics under earthquake

工况号工况1工况2工况3工况4工况5工况6a/(m·s-2)35681218f/Hz14.0313.6713.6113.5813.5512.50

注：1)a为扫频前加速度；f为自振频率.

加固前破坏模型的自振频率为6.64 Hz，加固后模型的自振频率为14.45 Hz.

从表1可以看出：经加固后，破坏模型的自振频率由6.64 Hz增加到14.45 Hz,增加了116.8%，说明加固模型的整体刚度显著增加.对加固模型加载至18 m/s2自振频率由14.45 Hz下降至12.50 Hz，下降率为13.5%.说明模型刚度退化不大，并没有产生明显的破坏，与实验现象相符.由图6可以看出：加固模型的自振频率随着地震强度增加呈整体下降趋势.从3~12 cm/s2,加固模型自振频率下降缓慢，由14.45 Hz下降至13.55 Hz，下降率为3.1%，该阶段模型刚度没有发生明显退化.从12~18 m/s2,模型的自振频率下降比较快，由13.55 Hz下降至12.50 Hz，下降率为7.7%.在试验现象中，模型在这一阶段开始产生明显的裂缝，说明模型处于开裂阶段，刚度退化明显.

图6　模型在地震作用下的自振频率变化曲线Fig.6　The change curve of self vibration frequency under earthquake

3.3　地震加速度

图7给出了加固模型在不同峰值加速度TAFT地震波作用下一层、二层和基础的最大加速度绝对值比较.

图7　TAFT波作用下模型各层加速度峰值变化曲线Fig.7　The change curve of each speak acceleration under TAFT wave

从图7中可以看出：加固模型各楼层及基础的加速度峰值随着输入地震强度的增加而增加，并且二层的加速度峰值始终大于一层和基础的加速度峰值.一层加速度峰值与基础加速度峰值基本保持一致，说明一层的刚度较大，在地震波作用下刚度也没有发生明显的退化.当地震波强度由0 m/s2增加至12 m/s2，二层加速度峰值与基础加速度峰值之间的差值逐渐增大.12 m/s2后，两者的差值逐渐减小，说明12 m/s2后二层结构的刚度产生了明显退化，框架柱开始产生水平裂缝，结构的加速度反应相应减弱.

3.4　位移反应

图8是加固模型上1，2，3，7四个测点在12 m/s2TAFT地震波作用下的位移比较图，各个测点的位置如图1所示，1和2测点位于顶层前梁两端，1和7测点位于顶层侧梁两端，1和3测点位于二层框架柱两端.

图8　测点时间位移曲线Fig.8　The displacement and time curve of measure points

由图8(a)可以发现：1和2号测点之间的位移差在1.2 s左右达到了最大值17.1 mm,此时1和2号测点的位移分别为32.7 mm和15.6 mm，说明结构顶层扭转相当剧烈.从图8(b)中可以发现：1和3号测点之间的位移差在3.1 s左右达到最大值45.8 mm,此时1和3号测点的位移分别为31.8 mm和-14.0 mm，说明二层的层间位移相当明显，导致二层框架柱开始出现明显的水平裂缝，二层结构的刚

度下降.3号测点的时间位移曲线比较平稳，在1.2 s左右位移达到最大值-23.2 mm,由于结构底端固定，位移始终为0，所以一层的层间位移较小，一层框架柱没有出现明显的裂缝.从图8(c)中可以发现：1号测点的位移峰值出现在10.1 s，7号测点出现在12.4 s，相差了2.3 s.从2.5~7.0 s，1和7号测点之间的位移差维持在24 mm左右,并且1和7号测点位移方向保持一致.说明模型前后框架柱顶端的位移差较大，导致两者之间的框架梁受拉，梁端裂缝进一步扩大.

4结论

经实验证明采用环氧细石混凝土、环氧砂浆和碳纤维布对破坏模型进行修补加固是可行的.采用环氧细石混凝土对框架柱底端进行浇筑，加大框架柱的侧向刚度，可以有效抵消楼梯间水平刚度不足的不利影响，并对楼梯板及休息平台结构起到保护作用，提高了楼梯间的抗震能力.地震波加载过程中，加固模型的自振频率并没有产生明显减小，刚度退化较小，说明加固模型并没有产生明显破坏，并且在地震波作用下加固模型二层的位移反应剧烈，产生明显的裂缝，导致二层刚度退化先于一层.

参考文献：

[1]杨俊杰,蒋松梁.带有相互垂直楼梯的框架模型振动台试验研究[J].浙江工业大学学报,2014,42(6):660-664.

[2]金成.典型农居抗震试验研究及有限元分析[D].杭州:浙江工业大学,2013.

[3]朱玉.钢筋混凝土框架楼梯间抗震性能拟静力试验研究[D].北京:北京工业大学,2012.

[4]李颖超,窦立军,等.楼梯抗震技术研究综述[J].吉林建筑工程学院学报,2013,30(3):23-26.

[5]卜强.框架结构楼梯震害破坏分析及设计建议[J].四川建材,2014,40(2):59-61

[6]涂军.钢筋混凝土框架楼梯间振动台试验研究[D].北京:北京工业大学,2012.

[7]尹保江,肖疆,等.RC框架结构楼梯震损后加固方法的试验研[J].建筑结构,2014,44(5):17-20.

[8]杨俊杰,李洪波.带楼梯典型框架抗震性能试验研究[J].工业建筑,2015,38(5):630-633.

(责任编辑：刘岩)

An anti-seismic experimental study on the repaired stair well of reinforced concrete frames

YANG Junjie, FAN Yujie

(College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:A shaking table test on the repaired stair well of a two-storey reinforced concrete frame building after damaged by earthquake is introduced. In the test, the stair well is repaired with epoxy fine aggregate concrete, epoxy mortar, and carbon fibers, and the TAFT and artificial waves are input through a vibration table. The dynamic characteristics and reactions of the repaired model under different earthquake waves are measured. The variations of the self vibration frequencies of the model after different earthquake peaks are determined by white noise scanning. Comparisons of the dynamic properties and failure characteristics of the model before and after rehabilitation are made to verify the effectiveness of the rehabilitation method.

Keywords:rehabilitation model; shaking table test; stair well of frames

中图分类号：TU375.4

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)01-0062-05

作者简介：杨俊杰(1958—)，男，浙江杭州人，教授，研究方向为混凝土结构抗震，E-mail:yjinjie@163.com.

基金项目：浙江省重大科技专项资助项目(2010C13012)

收稿日期：2015-03-24