內(nèi)框架加固典型砌體結(jié)構(gòu)的抗倒塌機(jī)制試驗(yàn)

宋 波，顏 華，周 恒，程玉珍，王滿生

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；2.廊坊師范學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河北 廊坊 065000；3.強(qiáng)震區(qū)軌道交通 工程抗震研究北京市國際科技合作基地(北京科技大學(xué))，北京 100083；4.北京市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)科學(xué)技術(shù)研究所，北京 100083)

中國既有老舊農(nóng)宅分布廣泛，且抗震性能差，為保障其內(nèi)住戶的生命財(cái)產(chǎn)安全，對既有老舊農(nóng)宅進(jìn)行修補(bǔ)與加固具有重要現(xiàn)實(shí)意義。近年來許多專家學(xué)者利用振動(dòng)臺(tái)對砌體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及抗震性能進(jìn)行了研究。劉琛等[1]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固方法對磚砌體房屋整體加固的有效性。張明杰等[2]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)表明，初始裂縫的存在使得碳纖維布在加固砌體結(jié)構(gòu)時(shí)能夠更加有效地發(fā)揮其加固性能。楊韜等[3]對加固與未加固的砌體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了多種工況下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了鋼筋-砂漿面層交叉條帶法加固砌體結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。Benedetti等[4]對縮尺比例為1∶2的磚石建筑模型進(jìn)行了受損和加固修復(fù)試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果可評估所采用的各種加固技術(shù)的效率。Das等[5]通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證了無黏結(jié)纖維增強(qiáng)彈性隔震器能有效降低砌體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。Meoni等[6]提出了一種稱為“智能磚”的新型傳感技術(shù)，用于檢測和定位未加筋磚房在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中的地震損傷。

鋼框架與鋼板帶的設(shè)計(jì)依據(jù)是《北京市農(nóng)村危房加固維修技術(shù)指南(試行)》[7]中的房屋增設(shè)內(nèi)鋼框架加固方式，該指南針對北京市農(nóng)村地區(qū)20世紀(jì)80—90年代建造的典型農(nóng)宅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)村住宅抗震綜合改造的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提供了一種加固方式，但并無具體的結(jié)構(gòu)參考數(shù)值，本結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中的相關(guān)規(guī)定。基于此思路本文提出了一種以內(nèi)嵌式輕型鋼框架加固為主，鋼板帶加固為輔的加固方法，設(shè)計(jì)了1/4的砌體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型，采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方式，分析了加固前后砌體結(jié)構(gòu)模型的抗震效果。

1 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

1.1 相似比設(shè)計(jì)

在縮尺模型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先滿足非原型材料全質(zhì)量相似比與原型材料全質(zhì)量相似比[10]，但通常由于振動(dòng)臺(tái)承載力的限制，全質(zhì)量相似比設(shè)計(jì)存在困難，故常采用欠人工質(zhì)量相似比，本文采用原型材料欠人工質(zhì)量相似比，相似條件見表1。

表1 振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中的相似條件Tab.1 Similarity conditions in shaking table model test

1.2 縮尺模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀伍L度相似比為1/4，模型不設(shè)內(nèi)隔墻，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)尺寸及承載能力，設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型見圖1。模型自重為0.85 t，按振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ唾|(zhì)量相似比，模型質(zhì)量應(yīng)為1.7 t，所以約需加配重0.85 t。

圖1 縮尺后的農(nóng)房平立剖面圖 (mm)Fig.1 Cross section of farmhouse after scale reducing (mm)

2 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱?/h2>

2.1 結(jié)構(gòu)主體的施工

在結(jié)構(gòu)長度與寬度方向采用1/4縮尺比，在厚度方向采用1/2縮尺比，即模型磚尺寸約為60 mm×28 mm×26 mm。厚度方向縮尺比的改變，可避免由于厚度方向過薄而易產(chǎn)生的拉彎復(fù)合應(yīng)力下的破壞，并不影響結(jié)構(gòu)的整體尺寸。砌筑模型時(shí)，灰縫厚度為3～5 mm，外墻采用切割后的小磚按照三七墻的砌筑方式進(jìn)行砌筑，不設(shè)內(nèi)隔墻。

考慮到雙面坡屋頂不便于固定配重件，將配重質(zhì)量等效到檐口高度處，同時(shí)為避免震動(dòng)過程中模型與配重件的相互移動(dòng)，將配重件簡化為兩塊混凝土板，底層混凝土板與墻體砌筑在一起，在振動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生滑移，底層混凝土板上澆筑平面尺寸小于自身的一層素混凝土以達(dá)到配重要求，最后基于底層配筋混凝土板完成山墻尖及屋蓋的施工，具體增加配重方案見圖2。

圖2 配重方案 (mm)Fig.2 Counterweight scheme (mm)

2.2 輕型鋼框架與鋼板條加固方式

由于結(jié)構(gòu)前后縱墻開洞不規(guī)則不對稱，會(huì)使前后縱墻的剛度不對稱，為增加房屋的抗震性能及整體的抗側(cè)剛度，根據(jù)內(nèi)框架加固的思路，確定加固方案如下：在房間的四角布置3.3 m高的鋼柱，鋼柱采用薄壁方鋼管，其規(guī)格為B□150×5，鋼梁采用窄翼緣H型鋼，其規(guī)格為HN250×125×6×9，鋼屋架采用等肢角鋼，其規(guī)格為∟125×8。內(nèi)框架結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。框架柱的基礎(chǔ)采用素混凝土基礎(chǔ)，混凝土強(qiáng)度等級為C30，基礎(chǔ)尺寸為300 mm×300 mm×500 mm，框架柱埋入混凝土基礎(chǔ)中300 mm。

圖3 內(nèi)嵌式輕型鋼框架結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of embedded light steel frame structure

在進(jìn)行加固施工時(shí)，通過手鉆從結(jié)構(gòu)內(nèi)部打穿鋼管并繼而打穿墻體，隨后采用穿墻螺栓進(jìn)行固定。結(jié)構(gòu)中沿墻體高度方向每隔1 000 mm設(shè)置一道螺栓。沿柱高方向均勻打兩個(gè)孔用于固定，由于不設(shè)內(nèi)隔墻，邊柱沿兩個(gè)方向打孔，中柱只沿Y向打孔。加固后的具體效果見圖4。

圖4 加固效果Fig.4 Reinforcement effect

鋼板采用厚度為0.5 mm的薄鋼板，并將其裁為寬度為50 mm的鋼板條，將鋼板條對應(yīng)于穿墻螺栓的位置打孔，將墊片、鋼板條、墻體與內(nèi)鋼框架通過穿墻螺栓固定在一起，鋼板條靠近墻體一側(cè)用免釘膠與墻體進(jìn)行加強(qiáng)粘接。本試驗(yàn)只在兩側(cè)山墻進(jìn)行鋼板條的加固，在山墻尖處圍成三角形，下部圍一矩形，并在其對角再拉接一道鋼板條，前后縱墻不進(jìn)行鋼板條加固。

3 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案

3.1 加速度傳感器與位移傳感器布置

1)加速度傳感器共有8個(gè)，型號(hào)為LC0701-5M，編號(hào)為A1～A8。分別布置于右側(cè)山墻前后檐口、前縱墻磚柱上下端與混凝土底座處，并在右側(cè)山墻中部沿高度方向均布3個(gè)加速度傳感器，具體布置形式見圖5。

2)位移傳感器共有3個(gè)，型號(hào)為LXW-510 VOT 500，編號(hào)為U1～U3。分別布置于右側(cè)山墻前后檐口處與山墻基底中部處，具體布置形式見圖6。

圖5 加速度傳感器分布 (mm)Fig.5 Distribution of acceleration sensors (mm)

圖6 位移傳感器分布 (mm)Fig.6 Distribution of displacement sensors (mm)

3.2 地震波的選擇及加載工況

根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中8度基本烈度的Ⅱ類及Ⅲ類場地的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜與地震波反應(yīng)譜，反應(yīng)譜曲線見圖7，在結(jié)構(gòu)自振周期處，EL Centro波、Taft波及San Fernando地震波的反應(yīng)譜能夠和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜較好擬合，根據(jù)自振周期處不同地震波反應(yīng)譜譜值大小，得出地震波輸入順序?yàn)镋L Centro波、San Fernando波和Taft波。

選取8度EL Centro小震、San Fernando小震、Taft小震、EL Centro中震及EL Centro大震共5組工況，沿著砌體結(jié)構(gòu)的弱軸方向進(jìn)行加震。在結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)完成后，加震之前首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，來測定結(jié)構(gòu)的自振頻率，之后每次加震結(jié)束都采用錘擊法測定其自振頻率。對未加固的模型進(jìn)行小震加載，隨后采用穿墻螺栓將框架柱與墻體擰緊，并在山墻外側(cè)粘貼鋼板條，再進(jìn)行中震與大震下的加載試驗(yàn)。具體加載工況見表2。

圖7 加速度反應(yīng)譜Fig.7 Acceleration response spectrum

表2 加載工況一覽表Tab.2 List of loading conditions

4 試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 結(jié)構(gòu)的損傷狀況分析

首先對結(jié)構(gòu)施加EL Centro波、San Fernando波及Taft波的小震作用，在此階段不進(jìn)行內(nèi)鋼框架的加固。由于地震荷載沿結(jié)構(gòu)縱向施加，山墻易產(chǎn)生平面外破壞，結(jié)構(gòu)右側(cè)山墻出現(xiàn)了細(xì)微斜裂縫，裂縫寬度在1 mm之內(nèi)，在左側(cè)山墻的縱橫墻交接處則產(chǎn)生了較大的裂縫，裂縫寬度大約為2～3 mm，而后縱墻幾乎沒有損傷。小震作用下結(jié)構(gòu)損傷見圖8。

在中震加載過程中，結(jié)構(gòu)表面的石灰粉隨著震動(dòng)有少許脫落。由于內(nèi)鋼框架的加固作用，在震動(dòng)時(shí)，縱橫墻交接處的裂縫并未進(jìn)一步向下發(fā)展，外部鋼板帶也阻止了左側(cè)山墻墻體外閃，見圖9(a)。右側(cè)山墻的裂縫主要集中在左上角，裂縫寬度進(jìn)一步增大，由于鋼板帶與鋼框架的加固作用，雖然裂縫寬度很大，但并未出現(xiàn)墻體磚塊掉落的現(xiàn)象，在對角鋼板帶的下方出現(xiàn)了一條肉眼可見的新的斜裂縫，裂縫寬度在1 mm之內(nèi)，見圖9(b)。

圖8 小震作用下結(jié)構(gòu)損傷Fig.8 Structural damage under small earthquake

圖9 中震作用下結(jié)構(gòu)損傷Fig.9 Structural damage under moderate earthquake

大震加載時(shí)，結(jié)構(gòu)前縱墻的左上角與磚柱破壞嚴(yán)重，并出現(xiàn)了墻體磚塊掉落的現(xiàn)象，見圖10(a)。結(jié)構(gòu)的后縱墻損傷較輕，但局部也產(chǎn)生了嚴(yán)重破壞，后縱墻左上角最大裂縫寬度達(dá)12 mm，墻角幾乎要掉落，見圖10(b)。

在大震加載過程中，可以明顯觀察到模型兩側(cè)的山墻發(fā)生左右晃動(dòng)，但由于內(nèi)框架與鋼板帶的約束作用，結(jié)構(gòu)并未發(fā)生整體倒塌。大震過后結(jié)構(gòu)的左側(cè)山墻外傾程度更大，墻體左上角邊緣外閃25 mm，但鋼板條并未與墻體脫離，有效阻止了墻體倒塌。鋼板帶在墻體變形較大的位置發(fā)生局部屈曲，防止了墻體散落。大震作用下山墻的破壞損傷情況見圖11。

圖10 大震作用下結(jié)構(gòu)損傷Fig.10 Structural damage under large earthquake

圖11 山墻損傷Fig.11 Gable damage

4.2 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)分析

4.2.1 自振頻率分析

采用錘擊法測定農(nóng)宅結(jié)構(gòu)的自振頻率，在山墻的每個(gè)加速度傳感器附近進(jìn)行錘擊，采集信號(hào)，取各個(gè)數(shù)值的平均值。模型的自振頻率會(huì)隨著地震波的加載逐漸發(fā)生變化，4次錘擊試驗(yàn)的結(jié)果見表3，模型與原型的自振頻率變化見圖12。

表3 模型自振頻率

圖12 自振頻率變化Fig.12 Variation of natural frequency

從錘擊試驗(yàn)結(jié)果可知結(jié)構(gòu)的自振頻率在整體上隨著地震波的加載呈現(xiàn)逐漸衰減的趨勢，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在逐次加載的過程中，損傷逐漸積累，裂縫不斷發(fā)展，剛度逐漸降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自振頻率衰減。

4.2.2 加速度響應(yīng)分析

記錄A1～A8各測點(diǎn)在小震作用下的加速度數(shù)據(jù)，在小震作用下，基座的加速度響應(yīng)峰值小于0.7 m/s2，振動(dòng)臺(tái)輸出地震波小于輸入地震波，由于中震及大震時(shí)結(jié)構(gòu)前縱墻的磚柱發(fā)生了局部倒塌，因此不再記錄前縱墻磚柱在中震及大震作用下的加速度數(shù)據(jù)。計(jì)算可得A1～A8各測點(diǎn)在不同地震波下的加速度放大系數(shù)，見圖13。山墻處6個(gè)測點(diǎn)的加速度放大系數(shù)隨地震波加載工況變化情況見圖14。

從圖13、14可看出，結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)隨著測點(diǎn)高度的增加逐漸增大，隨著地震強(qiáng)度的增加，在整體上呈現(xiàn)減小的趨勢，在采用內(nèi)嵌式鋼框架與鋼板帶組合加固后，結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)有微小的增大趨勢。這是由于地震強(qiáng)度越大，墻體的塑性發(fā)展越快，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，墻體的抗側(cè)剛度減小，頻率減小的緣故。而中震時(shí)采取了加固措施，結(jié)構(gòu)的剛度略微增加，因此加速度放大系數(shù)略有增大。

圖13 A1～A8加速度響應(yīng)Fig.13 Acceleration responses of A1-A8

圖14 A1～A6加速度響應(yīng)Fig.14 Acceleration responses of A1-A6

4.2.3 位移響應(yīng)分析

5次加震工況下結(jié)構(gòu)前后檐口處的位移變化見圖15。

圖15 前后檐口位移變化Fig.15 Displacement variation of front and rear cornices

從圖15可知，在8度EL Centro波小震作用下，前后檐口處的最大位移分別為6.63、1.2 mm，最大位移角分別為1/498、1/2 750；8度San Fernando波小震作用下，前后檐口處的最大位移分別為7.56、2.09 mm，最大位移角分別為1/437、1/1 579；8度Taft波小震作用下，前后檐口處的最大位移分別為7.06、1.87 mm，最大位移角分別為1/467、1/1 765；8度EL Centro波中震作用下，前后檐口處最大位移分別為8.5、3.46 mm，最大位移角分別為1/388、1/954；在8度EL Centro波大震作用下，前后檐口處的最大位移分別為14.1、6.04 mm，最大位移角分別為1/234、1/546。參考砌體結(jié)構(gòu)位移角建議限值[11]，見表4。

從表4可知采用內(nèi)鋼框架與鋼板帶進(jìn)行加固后，在8度大震作用下，結(jié)構(gòu)并未達(dá)到“嚴(yán)重破壞”。該結(jié)構(gòu)的前后縱墻剛度相差較大，從圖15可知結(jié)構(gòu)的位移隨著震級的增大而增大，且前檐口的位移很明顯大于后檐口的位移，說明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

表4 砌體結(jié)構(gòu)位移角建議限值Tab.4 Recommended limit values of displacement angle of masonry structure

4.2.4 內(nèi)嵌式鋼框架試驗(yàn)現(xiàn)象

大震過后內(nèi)嵌式鋼框架的試驗(yàn)現(xiàn)象見圖16，框架結(jié)構(gòu)在大震后仍然保持未損壞的狀態(tài)，框架柱底端伸入混凝土底座，可視為剛性固定端，大震過后鋼框架柱與混凝土底座的連接依然非常牢固，并未出現(xiàn)框架柱傾倒或框架柱底端拔出的現(xiàn)象。框架梁柱節(jié)點(diǎn)連接牢固，未出現(xiàn)梁柱脫開現(xiàn)象。框架柱也未出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部屈曲的現(xiàn)象。從試驗(yàn)結(jié)果可以推斷出，大震過程中內(nèi)鋼框架一直處于彈性階段，未出現(xiàn)明顯的變形，使結(jié)構(gòu)的安全性得以保障。

圖16 大震過后框架柱的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.16 Experimental phenomena of frame columns after large earthquake

5 結(jié) 論

1) 本文根據(jù)內(nèi)框架加固思路提出了一種以內(nèi)嵌式輕型鋼框架加固為主，鋼板帶加固為輔的加固方法，設(shè)計(jì)了相似比為1/4的砌體結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型，采用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的方式，分析驗(yàn)證了其可行性與實(shí)用性。

2) 砌體結(jié)構(gòu)模型的主要損傷位置集中在前縱墻、兩側(cè)山墻以及縱橫墻交接處。隨著所加載的地震等級增大，結(jié)構(gòu)的自振頻率與加速度放大系數(shù)在整體上逐漸減小，結(jié)構(gòu)前后縱墻剛度相差過大，前檐口的位移大于后檐口的位移，出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，但由于內(nèi)鋼框架的加固作用，結(jié)構(gòu)并未達(dá)到“嚴(yán)重破壞”。

3) “鋼框架-磚墻-鋼板帶”的組合可以優(yōu)勢互補(bǔ)，鋼框架增加結(jié)構(gòu)整體的抗彎強(qiáng)度，防止發(fā)生整體倒塌，鋼板帶約束墻體，增強(qiáng)墻體抗拉性能及整體性，三者的力學(xué)性能互為補(bǔ)充，使加固后的結(jié)構(gòu)達(dá)到了“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)。