張國偉 安佳寧 高海智 張文利 秦昌安 薛紅京 張 猛 汪浩強 王雅賢

(1.北京建筑大學,工程結構與新材料北京市高等學校工程研究中心,北京 100044;2.北京建工遠大建設工程有限公司,北京 100044;3.北京市建筑設計研究院有限公司,北京 100045)

外掛墻板圍護體系由于能夠提高施工效率、減少現(xiàn)場濕作業(yè)和降低碳排放[1],故在混凝土框架結構和鋼結構中得到廣泛應用。外掛墻板在結構設計中作為非承重構件,往往忽視其對主體結構的抗震貢獻,沒有充分利用圍護結構自身的強度和剛度。在多遇或罕遇地震作用下,外掛墻板能夠通過抵抗水平地震荷載來實現(xiàn)結構承載力的提高,增強結構抗倒塌能力[2-7]。已有試驗研究表明,在經(jīng)歷罕遇地震時,外掛墻板與框架連接節(jié)點發(fā)揮水平約束作用,墻板為主體結構提供附加剛度并承擔約50%的水平荷載[8-9]。因此,外掛墻體對框架結構抗震性能的提高具有重要的研究價值和實際意義。

我國是一個地震多發(fā)國家,地震會給建筑結構造成不同程度的損傷,需進行鑒定加固以滿足后續(xù)正常使用要求。針對受損框架,可采用增設減震墻板[10]、復合墻板[11]或其他預制墻體的方式進行修復加固。新增的圍護墻體作為框架結構的第二道防線,為受損框架提供支撐,避免其出現(xiàn)較大層間變形,同時發(fā)揮減震耗能、提高抗側剛度和承載力的作用,使受損結構的抗震性能得到改善。然而,一般研究關注于受損空框架的修復,抗震性能更優(yōu)異的帶預制外掛墻板框架結構受損后的修復加固研究鮮有報道,亟須開展相關研究工作。

為研究受損帶預制外掛墻板鋼筋混凝土(RC)框架結構修復加固后的抗震性能,使用碳纖維(CFRP)布和鋼板等材料修復加固了2榀足尺受損兩層帶預制外掛墻板RC框架,對其進行擬靜力加載試驗,與初始結構的滯回性能、承載能力、剛度退化等抗震性能指標以及破壞形態(tài)進行比較分析,為該結構的受損修復和抗震性能分析提供試驗依據(jù)。

1 受損外掛墻板框架修復設計

1.1 受損試件破壞形態(tài)

受損試件使用文獻[8-9]中的2榀兩層足尺外掛新型預制圍護墻體RC框架,兩試件的框架梁、框架柱截面形式和尺寸均相同,僅外掛墻板類型不同,試件示意如圖1a所示?？蚣芰?、柱混凝土強度等級為C30,截面尺寸及配筋參數(shù)見表1。2榀框架試件通過外掛節(jié)點分別與輕鋼龍骨墻板和混凝土墻板連接,形成外掛輕鋼龍骨墻板RC框架試件(LSF)、外掛混凝土墻板RC框架試件(PCF)。每塊預制外掛墻板預埋4個連接節(jié)點,墻板頂部兩節(jié)點為承重節(jié)點,通過高強螺栓與框架梁預埋件固定;墻板底部兩節(jié)點為限位節(jié)點,通過高強螺栓與下層梁預埋件進行連接。層間位移角小于0.5%時,底部限位節(jié)點在摩擦力作用下不發(fā)生滑移;層間位移角介于0.5%到2.0%之間時,墻板底部螺栓桿在限位連接件的長圓孔中水平滑動,圍護墻體不參與主體結構受力;層間位移角超過2.0%時,螺栓桿滑移至長圓孔邊緣,墻板滑移受限,為框架提供支撐。

a—原外掛墻板RC框架試件;b—外掛墻板RC框架受損修復試件。Ⅰ-外掛墻板;Ⅱ-RC框架;Ⅲ-連接節(jié)點;Ⅳ-CFRP布。圖1 外掛墻板RC框架 mmFig.1 Schematic diagrams of reinforced concrete frame with cladding panels

在初始結構的擬靜力試驗[8-9]中,試件LSF與試件PCF分別施加0.05、0.1的軸壓比,并對兩試件頂梁施加低周往復荷載,在層間位移角2.0%時出現(xiàn)嚴重破壞,停止加載。

試件LSF的殘余位移角為0.39%,其左側(圖1)柱頂損傷較嚴重,混凝土壓潰脫落,鋼筋屈服(圖6b);梁柱節(jié)點梁端裂縫貫通;柱底有多條水平貫通裂縫;輕鋼龍骨墻板僅混凝土表面存在裂縫;墻板與框架連接節(jié)點發(fā)生較大滑移,但并未發(fā)生塑性變形。

試件PCF的殘余位移角為0.64%,其左側柱底損傷較嚴重,多條水平裂縫貫通,混凝土剝落(圖7b);梁柱節(jié)點梁端裂縫貫通;右側一層混凝土墻板在連接節(jié)點8、節(jié)點11位置有多道裂縫由節(jié)點向兩側斜向延伸(圖7e);墻板與框架連接節(jié)點發(fā)生較大滑移,且節(jié)點9位置的地梁連接節(jié)點壓屈變形。

1.2 受損試件修復方案

修復加固施工過程見圖2,按照以下步驟對2榀受損試件進行修復：1)使用臨時支撐固定外掛墻板,將墻板恢復至原位,并恢復連接節(jié)點的變形。2)一層墻板底部與地梁連接節(jié)點(節(jié)點9～12)加焊翼板,提高該節(jié)點的受壓承載力。3)混凝土裂縫根據(jù)其寬度采用不同的修復方案。寬度小于0.2 mm的混凝土裂縫使用封縫膠封抹;寬度介于0.2～5 mm混凝土裂縫首先使用封縫膠封堵,隨后灌注裂縫膠填補裂縫。4)剔除框架損傷嚴重部位的混凝土,在相應部位支模板并澆筑灌漿料。5)損傷嚴重部位的鋼筋屈服程度較深,將φ16 mm規(guī)格的鋼筋焊接在鋼筋屈服段進行補強。6)使用Ⅰ級300 g碳纖維布及配套環(huán)氧樹脂結構膠,依據(jù)CECS 146∶2003《碳纖維片材加固混凝土結構技術規(guī)程》[12]對2榀受損框架進行加固。

a—加焊翼板;b—修補裂縫;c—支模澆筑;d—粘貼CFRP布。圖2 修復加固施工過程Fig.2 Repair and reinforcement construction process

修復加固后的帶預制外掛墻板RC框架試件如圖3所示,分別為受損修復外掛輕鋼龍骨墻板RC框架試件(R-LSF)和受損修復外掛混凝土墻板RC框架試件(R-PCF)。

a—R-LSF;b—R-PCF。圖3 外掛墻板RC框架受損修復試件Fig.3 Repaired RC frames with cladding panels

2 試驗準備與方案

2.1 試驗加載裝置

試驗在北京建筑大學大型多功能振動臺陣實驗室進行,加載裝置如圖4所示。試件地梁底座通過壓梁和地錨螺栓與試驗臺固定,豎向荷載由穿心作動器(量程500 kN)通過分配梁向柱頂施加;水平往復荷載由水平作動器(量程1 500 kN)施加,作動器通過加載板及高強錨桿與框架頂梁兩端固定。為防止試件發(fā)生平面外失穩(wěn),在試件的周圍布置防失穩(wěn)門架。

1-水平作動器;2-高強錨桿;3-防失穩(wěn)門架;4-穿心千斤頂;5-分配梁;6-加載板;7-壓梁;8-地錨螺栓。圖4 試驗加載裝置Fig.4 Test loading device

2.2 加載與測量方案

在柱頂施加豎向荷載200 kN,即軸壓比0.1,加載過程中豎向荷載保持不變。使用作動器向框架頂部施加水平往復荷載,采用位移控制,作動器向右推出為正,向左拉回為負,按照先正后負的順序加載,加載制度示意見圖5。以頂梁與地梁的水平位移差值作為控制依據(jù),首先每級加載循環(huán)1次,層間位移角達到0.4%后每級循環(huán)3次。當試件水平荷載下降至峰值荷載的85%以下或試件出現(xiàn)嚴重破壞時,停止加載。豎向荷載、水平荷載和水平位移由電液伺服雙通道結構試驗系統(tǒng)自動測量。

圖5 加載制度示意Fig.5 A schematic diagram of loading system

3 試驗現(xiàn)象及破壞特征

3.1 試驗破壞模式與機理

試件R-LSF和試件R-PCF破壞形態(tài)如圖6、圖7所示。試驗加載到層間位移角θ=0.3%(Δ=15 mm)前,外掛墻板尚未發(fā)生滑移,各試件未出現(xiàn)明顯現(xiàn)象。層間位移角達到正向θ=0.4%(Δ=25 mm)時,兩框架CFRP布受力繃緊發(fā)出聲音。當加載至θ=0.6%(Δ=35 mm)循環(huán)階段,兩試件外掛墻板與框架間均出現(xiàn)相對滑移,外掛墻板與框架連接節(jié)點處因相對錯動發(fā)出聲響,墻板之間的豎直縫處防水泡沫膠開裂。層間位移角繼續(xù)加載至θ=1.3%(Δ=75 mm)的過程中,外掛墻板與兩框架間的相對滑移逐漸增大,未觀察到新的現(xiàn)象。

a—框架節(jié)點破壞形態(tài);b—框架柱底破壞減輕;c—節(jié)點板壓屈;d—底部焊縫斷裂;e—連接節(jié)點8裂縫延伸。圖7 試件R-PCF破壞形態(tài)Fig.7 Failure patterns of R-PCF

當加載至θ=1.5%(Δ=90 mm)時,試件R-LSF的一層右側墻板與試件R-PCF的一層左側墻板的底部螺栓提前與限位節(jié)點長圓孔邊緣接觸,位移受限,相應墻板達到最大變形位置,節(jié)點發(fā)生屈曲變形。當加載至θ=2.0%(Δ=120 mm)時,兩框架的全部墻板均達到最大變形位置,一層外掛墻板底部限位節(jié)點受壓屈曲,一層外掛墻板頂部固定節(jié)點受彎屈曲。此時,試件R-LSF的框架梁柱節(jié)點先于試件R-PCF損壞,其二層左側梁柱節(jié)點處混凝土開裂,CFRP布輕微鼓起。當加載至θ=2.5%(Δ=150 mm)時,兩試件框架梁端部混凝土開裂,出現(xiàn)梁端塑性鉸,一層外掛墻板底部限位節(jié)點與地梁預埋板的連接焊縫開裂。試件R-PCF一層外掛墻板頂部固定節(jié)點7、8位置混凝土沿修復前裂縫開裂延伸,框架節(jié)點發(fā)生破壞,一層左側梁柱節(jié)點處,CFRP布部分斷裂破壞,底部連接節(jié)點板屈曲變形增大。

在層間位移角θ=3.3%(Δ=200 mm)第二次循環(huán)的正向加載階段,試件R-LSF一層外掛墻板底部限位節(jié)點11預埋螺栓桿被拔出,節(jié)點連接失效。第二次循環(huán)的反向加載階段,一層墻板與二層墻板碰撞擠壓并限制其水平運動,繼續(xù)加載后二層墻板復位并發(fā)出巨大聲響。試件R-PCF一層框架梁左、右兩端豎向裂縫貫通,一層右側梁端CFRP布與二層左側梁端底部CFRP布撕裂,其他位置CFRP布開膠鼓起,一層混凝土外掛墻板頂部固定節(jié)點8位置外掛墻板混凝土破碎脫落,該節(jié)點加固失效。

由于框架表面的CFRP布遮擋了部分裂縫,剔除碳纖維布后觀察試件破壞形態(tài)。2榀框架梁端裂縫貫穿,出現(xiàn)塑性鉸;節(jié)點核心區(qū)出現(xiàn)交叉裂縫,柱腳出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

3.2 試件修復前后破壞模式對比

兩修復加固試件地梁部位的水平限位節(jié)點均出現(xiàn)不同程度的破壞,一層板的底部限位節(jié)點出現(xiàn)焊縫斷裂、節(jié)點板受壓屈曲的破壞現(xiàn)象。試件R-LSF底部限位節(jié)點11位置預埋桿斷裂拔出,上部承重節(jié)點僅發(fā)生輕微變形。試件R-PCF一層墻板的上部承重節(jié)點均出現(xiàn)開裂,承重節(jié)點8墻板預埋件位置注膠修復失效,裂縫繼續(xù)開展,并在層間位移角達到3.3%時混凝土崩壞脫落。相較于混凝土墻板,輕鋼龍骨墻板由于自重輕,在地震作用下節(jié)點震害較輕。

圖6、圖7右側虛線框內展示了初始試件LSF、PCF的部分破壞形態(tài),與修復后試件R-LSF、R-PCF相同部位進行對比。初始試件LSF柱頂混凝土壓潰脫落,框架二層梁端、柱端均出現(xiàn)塑性鉸;修復加固試件R-LSF柱頂混凝土完好,框架二層僅在梁端產(chǎn)生塑性鉸,修復加固效果顯著。輕鋼龍骨墻板底部限位節(jié)點功能得到恢復,在不同地震作用下分別實現(xiàn)滑移和限制墻板位移的作用。初始試件PCF節(jié)點8一層墻板頂部位置出現(xiàn)混凝土斜向裂縫,修復加固后節(jié)點8功能恢復,但超過初始試驗極限位移(Δ=120 mm)時節(jié)點8受彎屈曲,一層頂部混凝土再次開裂并繼續(xù)沿原裂縫延伸,邊緣混凝土破壞脫落,露出預埋鋼筋。試件R-PCF框架柱底出現(xiàn)少量混凝土橫向裂縫,未出現(xiàn)初始試件柱底混凝土開裂脫落的破壞現(xiàn)象。受損帶預制外掛墻板框架結構的修復未改變其破壞模式,在地震作用下各構件功能得到改善。

4 受損修復試件抗震性能分析

4.1 滯回性能分析

試件R-LSF的水平荷載(P)-位移(Δ)滯回曲線如圖8a所示。在加載初期,由于初始裂縫的存在,試件R-LSF在卸荷后有殘余變形,其滯回曲線成梭形;隨著位移繼續(xù)增大,外掛墻板與框架之間出現(xiàn)相對錯動,滯回環(huán)由梭形變?yōu)楣?。因為修復前試件損傷程度大,混凝土內部已有的裂縫在反復加、卸載過程中不斷張合、延伸,鋼筋與混凝土之間、CFRP布與框架之間出現(xiàn)黏結滑移。當層間位移角達到1.0%時,滯回曲線的形狀由弓形變?yōu)榉磗形,反映出受損修復試件在彈塑性階段耗能能力衰減相對較快。在層間位移角由1.5%增加至3.3%階段,位移受限的輕鋼龍骨墻板為框架提供二次剛度,試件承載力有明顯提高。在層間位移角3.3%階段的第二、三個加載循環(huán),由于輕鋼龍骨墻板位移較大,墻板之間相互擠壓導致其運動受限,在負向加載階段墻板突然釋放位移,試件R-LSF的滯回曲線上水平荷載出現(xiàn)突降。

試件R-PCF的水平荷載(P)-位移(Δ)滯回曲線見圖8b。在層間位移角加載到2.0%前,其滯回曲線與試件R-LSF的滯回曲線形狀相類似;隨著加載的進行,混凝土墻板上裂縫增多,試件R-PCF通過混凝土之間的摩擦和骨料的咬合耗能,其滯回環(huán)面積大于外掛輕鋼龍骨板的試件,滯回環(huán)形態(tài)更加飽滿;在層間位移角加載至2.0%時,所有墻板螺栓節(jié)點均滑動至極限位置,混凝土墻板通過連接節(jié)點為框架提供二次剛度。由于混凝土墻板自身剛度較大,試件R-PCF承載力仍高于試件R-LSF,兩試件滯回曲線如圖9所示。在層間位移角加載至3.3%的第二次、第三次加載循環(huán)過程中,隨著外掛墻板與框架連接節(jié)點的破壞和混凝土裂縫的開展,外掛墻板退出工作,結構的水平承載力有明顯降低。

圖9 θ=2.0%時試件P-Δ滯回曲線Fig.9 P-Δ hysteretic curves of specimens at 2.0% drift angle

輕鋼龍骨墻板的自重較輕,連接節(jié)點破壞程度較小,在層間位移角超過2.5%后輕鋼龍骨墻板仍能為框架提供二次剛度,試件R-LSF的承載力超過試件R-PCF。因此,在設計時應保證外掛墻板與框架有可靠的連接,在地震作用下協(xié)同工作。當層間位移角超過2.0%時,兩受損框架梁端已出現(xiàn)塑性鉸,但此時墻板為框架提供支撐,承擔水平地震作用,滯回曲線倒向荷載軸。當加載至層間位移角3.3%時,兩試件的水平荷載仍在峰值荷載的85%及以上,未達到破壞狀態(tài),滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規(guī)范》罕遇地震下層間位移角限值1/50的要求,表明受損帶預制外掛墻板框架試件修復加固后仍能滿足罕遇地震作用下的變形要求,具有良好的抗倒塌能力。外掛墻板RC框架的修復效果明顯,修復加固后受損修復試件的承載能力以及變形能力得到改善,證明受損外掛墻板RC框架體系的修復加固方案是有效可行的。

4.2 荷載-位移骨架曲線

受損修復試件與初始試件的骨架曲線對比見圖10,加載前期,外掛墻板與框架協(xié)同受力,尚未發(fā)生滑移,荷載-位移曲線近似為直線。隨著層間位移角增至0.6%,墻板底部連接節(jié)點發(fā)生滑移,結構整體剛度顯著降低,骨架曲線倒向位移軸。繼續(xù)加載至層間位移角2.0%的過程中,修復加固后的底部限位節(jié)點約束墻板面內滑移,外掛墻板發(fā)揮支撐作用,為受損框架提供二次剛度,改善結構的抗震能力。同時CFRP布與框架協(xié)同工作,提高了混凝土強度,推遲鋼筋在失去混凝土約束情況下的剪切破壞。縱向CFRP布承擔部分拉應力,限制混凝土受拉裂縫的開展,延緩混凝土的破壞。兩受損修復試件的峰值荷載和峰值轉角均超過初始試件,如表2所示。這表明,經(jīng)修復加固后外圍護墻體與框架仍能協(xié)同工作,并在罕遇地震時墻板充分發(fā)揮自身剛度優(yōu)勢,承擔水平地震作用,受損外掛墻板RC框架結構的承載力和變形性能得到改善。加載后期,試件R-LSF骨架曲線仍無明顯屈服點,試件水平承載力未有降低的跡象。試件R-PCF在水平位移加載至150 mm時水平承載力達到峰值,但由于節(jié)點的破壞,部分混凝土墻板退出工作,在繼續(xù)加載后承載力開始降低。相比之下,LSF試件的修復加固后峰值荷載和峰值位移較初始試件提高幅度更大,分別為63.5%和67%。

4.3 剛度退化規(guī)律

修復前后試件剛度退化曲線見圖11,由于修復加固后的受損試件內部混凝土仍會存在不可恢復的損傷,受損修復結構的初始剛度小于原結構,且剛度退化速度較快。在層間位移角增加至1.5%后,作為第二道防線的外掛墻板滑移受限,為框架提供二次剛度,同時試件受拉區(qū)域的縱向CFRP布受力,此時受損修復試件的剛度超過初始試件的剛度。在罕遇地震作用下,兩受損修復框架損傷加劇,外掛墻板支撐框架結構,防止其發(fā)生較大變形,兩試件剛度的下降趨勢減緩。

圖11 剛度退化曲線Fig.11 Stiffness degradation curves

相較于輕鋼龍骨墻板,混凝土墻板的自身剛度更大,能為框架提供更大的剛度。在層間位移角達到2.5%前,試件R-PCF的剛度始終大于試件R-LSF的剛度。加載至層間位移角2.5%時,試件R-PCF的連接節(jié)點出現(xiàn)較大損傷,剛度退化速度加快。而自重更輕的輕鋼龍骨墻板與框架的連接節(jié)點損傷程度較小,鋼龍骨結構減少了混凝土裂縫的產(chǎn)生,因此在加載后期試件R-LSF的剛度退化仍較為平緩。

4.4 耗能性能

結構的耗能能力可通過單圈耗能來評判,即一次加卸載循環(huán)所消耗的能量。兩試件修復前后每級加載第一次加卸載循環(huán)的單圈耗能如圖12所示。受損修復試件R-LSF、R-PCF在水平位移120 mm時單圈耗能依次為8.7 kN·m、15.8 kN·m,分別為初始試件LSF、PCF的97.5%、93.8%,表明修復加固后外掛預制墻體框架結構的耗能能力基本得到恢復。對比混凝土墻板,輕鋼龍骨板的連接節(jié)點損傷程度輕、混凝土裂縫少且鋼龍骨仍處于彈性工作狀態(tài)。因此,試件R-LSF的耗能能力低于R-PCF,在極限位移時試件R-LSF、R-PCF的單圈耗能分別為28.14 kN·m和34.68 kN·m。

圖12 單圈耗散能量Fig.12 Single-turn energy consumption

加載初期,預制外掛墻板尚未開始滑移,圍護墻體與框架協(xié)同工作,參與地震耗能,各試件耗能能力接近。水平位移加載至25 mm時,墻板的底部限位節(jié)點螺栓處水平力達到最大靜摩擦力,螺栓與長圓孔發(fā)生相對錯動,墻板開始滑移。圍護墻體基本退出耗能,結構耗能由框架承擔。由于混凝土墻板自重更大,外掛混凝土墻板的框架損傷發(fā)展較快,耗散能量高于外掛輕鋼龍骨墻板的框架。繼續(xù)加載至水平位移90 mm時,墻板滑移受限,圍護墻體與框架共同抵抗水平地震作用,單圈耗能曲線斜率增大。預制外掛墻板框架結構的耗能主要由框架及墻板混凝土開裂、限位節(jié)點及鋼筋的屈服、框架梁柱節(jié)點及柱底塑性鉸等構成。

5 結束語

文章對2榀修復后兩層足尺鋼筋混凝土框架進行了擬靜力試驗。一榀為外掛輕鋼龍骨墻板RC框架受損修復試件(R-LSF),另一榀為外掛混凝土墻板RC框架受損修復試件(R-PCF),得到主要結論如下：

1)在地震作用下?lián)p傷嚴重的外掛墻板RC框架結構修復加固后,水平承載力和變形能力得到了改善。試件R-LSF和試件R-PCF在層間位移角1/50時的水平承載力相較于原結構分別提升13.1%和18.0%。兩試件變形能力滿足GB 50011—2010罕遇地震下1/50層間位移角要求,極限轉角均達到3.3%。

2)外掛墻板在罕遇地震時可作為框架結構的附加支撐,耗能性能得到恢復。在層間位移角增至2.0%后,圍護結構位移受限,參與抵抗地震作用,消耗地震能量并為主體結構提供附加剛度。受損修復結構的剛度退化穩(wěn)定,其后期剛度高于初始結構。

3)輕鋼龍骨墻板與框架連接節(jié)點震害較輕,在罕遇地震下仍起到支撐框架的作用。對比使用輕鋼龍骨墻板與混凝土墻板的受損修復框架發(fā)現(xiàn),試件R-LSF的極限承載力和極限位移分別為試件R-PCF的102.5%和111.1%,且在層間位移角達到3.3%時承載力仍未有明顯降低。

4)提出的受損外掛墻板RC框架結構修復加固方案效果良好,修復后結構抗震性能得到改善。為保證節(jié)點不先于墻板發(fā)生破壞,在設計外掛墻板與框架連接節(jié)點時,應驗算節(jié)點承載力并預留足夠的安全儲備。