楊俊杰,范宇杰

(浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

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加固后鋼筋混凝土框架樓梯間模型抗震試驗研究

楊俊杰,范宇杰

(浙江工業(yè)大學 建筑工程學院，浙江 杭州 310014)

摘要：介紹了受地震破壞的兩層鋼筋混凝土框架樓梯間模型經加固后的地震振動臺試驗.實驗采用環(huán)氧細石混凝土、環(huán)氧砂漿、和碳纖維對破壞模型進行修補加固，并且采用振動臺輸入TAFT波和人工波，對其進行抗震實驗，實測了加固模型的動力特性以及在不同地震波下的動力反應，并采用白噪聲掃描的方法測定了模型在不同地震波峰值后的自振頻率的變化.通過加固前后模型的動力特性對比，以及模型破壞特征的比較，驗證了該樓梯間加固方法的有效性.

關鍵詞：加固模型；振動臺試驗；框架樓梯間

樓梯間在建筑結構中承擔著豎向交通功能，也是緊急疏散通道，應具有比主體結構更高的抗震能力[1-3]，但是在強烈地震作用下，樓梯間通常破壞嚴重，是抗震的薄弱環(huán)節(jié)，也是造成人員傷亡慘重的一個重要原因[4]，因此，樓梯間的加固具有重大意義.實驗主要采用環(huán)氧樹脂及碳纖維布對一個在地震波作用下破壞嚴重的框架樓梯間模型進行加固，加固的重點是增強受地震破壞的豎向結構，通過增大框架柱的側向剛度來提高整體樓梯間的抗震能力.并對樓梯間破壞模型以及加固模型分別進行振動臺試驗，通過試驗了解樓梯間加固結構的破壞特點，動力特性以及在不同地震波下的動力反應，驗證該加固方法的有效性，試驗結果可為樓梯間的抗震加固提供一些指導.

1框架樓梯間的概況

1.1　樓梯間結構形式

破壞模型為一個兩層的框架樓梯間模型.模型尺寸為450 mm×770 mm×1 000 mm，框架柱尺寸為60 mm×60 mm，樓梯柱尺寸為40 mm×40 mm，框架梁尺寸為50 mm×70 mm，樓梯梁尺寸為50 mm×60 mm，板厚20 mm.模型如圖1所示.

為了滿足相似關系，在各層分別安放鐵塊作為人工配重，每層配重60 kg,共三層.

圖1　試驗模型示意圖Fig.1　Sketch map of model

1.2　破壞形態(tài)

模型在經過地震模擬振動臺試驗后，基本達到破壞.破壞主要集中在休息平臺、梯板、梯梁，框架柱、樓層梁等處[5-6].具體表現(xiàn)為：

1) 樓梯間四周立柱與基礎梁處產生水平裂縫.主要是由于地震水平力作用下底層柱下部水平剪力使立柱受剪斷裂，樓梯間整體剛度大幅度下降.

2) 梯梁(平臺梁)和休息平臺之間在試驗中形成了貫通裂縫(圖2a).分析原因，主要是該處應力集中，又缺少可靠連接，較為薄弱，在試驗中容易開裂.

3) 樓梯板與樓層梁相連處完全斷裂，混凝土壓碎，鋼筋外露(圖2b).分析原因，主要是由于梯板的側向剛度較大，在地震作用下受力較大，樓梯板與樓層梁或梯梁間的連接又較為薄弱，容易產生破壞.

4) 樓層梁的側面產生了裂縫(圖2c).分析原因主要是由于樓梯間處無樓板，地震作用下兩側水平力作用的不均勻導致樓層梁受拉力和反復彎矩作用而產生貫穿梁截面的受拉裂縫.

圖2　模型破壞形態(tài)Fig.2　Failure pattern of model

1.3　加固方法

本實驗對受地震作用破壞的樓梯間模型進行了加固處理，加固的方法主要有如下幾個工序：1) 剔鑿疏松的混凝土；2) 梯板與樓層梁相連處采用環(huán)氧砂漿進行修補(圖3a)；3) 在樓層梁的側面及與柱相連的節(jié)點處粘貼碳纖維布(圖3b)；4) 在樓梯間的四個框架柱底端采用環(huán)氧細石混凝土進行澆筑(圖3c).該加固方法加大了框架柱的側向剛度[7].

2試驗方法

2.1　地震波選取

地震波作為主要荷載作用在結構上，對本次試驗起著極其重要的作用.同時，地震波是隨機振動的，與場地類別、工程特性有關，加載不同作用的地震波，結構會產生不一樣的地震響應，獲得不同的地震響應數據，本實驗沿著Y軸方向輸入地震波，選擇的地震波為TAFT波和人工波[8].

TAFT波為1952年7月21日美國California地震記錄，取最大加速度為152.7 cm/s2，場地土屬Ⅱ和Ⅲ類，卓越周期0.44 s，該記錄主要周期范圍為0.25～0.75 s，持續(xù)時間為54 s,如圖4(a)所示.

人工波是根據Ⅱ類場地，設計地震分組第一組,由MATLAB軟件生成的人造地震波，卓越周期0.35 s，持續(xù)時間54 s，最大加速度35 cm/s2，如圖4(b)所示.

圖3　模型加固Fig.3　Reinforced model

圖4　波形圖Fig.4　Wave

試驗加載時將對上述地震波按時間和加速度相似關系進行調整，并根據加載工況對加速度峰值進行調幅.

2.2　測點位置

本次試驗數據采集采用了江蘇東華測試技術股份有限公司的DH-5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)和東華測試的DH610磁電式加速度傳感器.其中，DH-5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)用于分析DH610磁電式加速度傳感器和應變片獲得的信號和數據.DH610磁電式加速度傳感器可以通過調節(jié)檔位進行加速度和速度的測量，數據采集中主要采用傳感器的0號檔位，獲得測點的加速度，然后通過動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)進行數據的一次和二次積分，獲得測點的速度和位移.

本次試驗共設置了11個加速度傳感器，具體布置如圖1所示，其中1，2，3，4，6，7，8，9測點為位移測點，5，10，11測點為加速度測點.

3試驗現(xiàn)象及結果分析

3.1　試驗現(xiàn)象

地震波加載至TAFT波10 m/s2時，模型未出現(xiàn)明顯的裂縫，說明加固模型的抗震性能得到了增強.當加載至TAFT波14 m/s2時，頂層梁端裂縫寬度由于1.5 mm增大至3.3 mm(圖5a)，分析原因，主要是框架柱之間的不協(xié)調運動導致框架梁承受拉力和彎矩作用，梁端裂縫增大.同時，二層框架柱開始出現(xiàn)水平裂縫，部分裂縫逐漸變寬(圖5b)，而樓梯構件未出現(xiàn)明顯的裂縫，說明加大框架柱側向剛度可以抵消樓梯間水平剛度不足的不利影響，增強后的框架柱對樓梯板及休息平臺結構起到了保護作用，使整個樓梯間的抗震性能得到顯著增強.地震波加載至TAFT波18 m/s2時，裂縫有進一步擴大，但是沒有產生明顯的破壞.

實驗過程中，經環(huán)氧細石混凝土及環(huán)氧砂漿修補之處均無新裂縫產生，碳纖維與樓層梁表面也未發(fā)生剝離現(xiàn)象，表現(xiàn)良好，說明用環(huán)氧砂漿和碳纖維修補損傷的樓梯構件是可行的.

圖5　加固模型破壞形態(tài)Fig.5　Failure pattern of reinforced model

3.2　動力特性

表1列出了加固模型在試驗中的自振頻率變化過程，其中的工況分別代表不同的地震振動強度.

表1模型在地震作用下的自振特性變化1)

Table1The change of self vibration characteristics under earthquake

工況號工況1工況2工況3工況4工況5工況6a/(m·s-2)35681218f/Hz14.0313.6713.6113.5813.5512.50

注：1)a為掃頻前加速度；f為自振頻率.

加固前破壞模型的自振頻率為6.64 Hz，加固后模型的自振頻率為14.45 Hz.

從表1可以看出：經加固后，破壞模型的自振頻率由6.64 Hz增加到14.45 Hz,增加了116.8%，說明加固模型的整體剛度顯著增加.對加固模型加載至18 m/s2自振頻率由14.45 Hz下降至12.50 Hz，下降率為13.5%.說明模型剛度退化不大，并沒有產生明顯的破壞，與實驗現(xiàn)象相符.由圖6可以看出：加固模型的自振頻率隨著地震強度增加呈整體下降趨勢.從3~12 cm/s2,加固模型自振頻率下降緩慢，由14.45 Hz下降至13.55 Hz，下降率為3.1%，該階段模型剛度沒有發(fā)生明顯退化.從12~18 m/s2,模型的自振頻率下降比較快，由13.55 Hz下降至12.50 Hz，下降率為7.7%.在試驗現(xiàn)象中，模型在這一階段開始產生明顯的裂縫，說明模型處于開裂階段，剛度退化明顯.

圖6　模型在地震作用下的自振頻率變化曲線Fig.6　The change curve of self vibration frequency under earthquake

3.3　地震加速度

圖7給出了加固模型在不同峰值加速度TAFT地震波作用下一層、二層和基礎的最大加速度絕對值比較.

圖7　TAFT波作用下模型各層加速度峰值變化曲線Fig.7　The change curve of each speak acceleration under TAFT wave

從圖7中可以看出：加固模型各樓層及基礎的加速度峰值隨著輸入地震強度的增加而增加，并且二層的加速度峰值始終大于一層和基礎的加速度峰值.一層加速度峰值與基礎加速度峰值基本保持一致，說明一層的剛度較大，在地震波作用下剛度也沒有發(fā)生明顯的退化.當地震波強度由0 m/s2增加至12 m/s2，二層加速度峰值與基礎加速度峰值之間的差值逐漸增大.12 m/s2后，兩者的差值逐漸減小，說明12 m/s2后二層結構的剛度產生了明顯退化，框架柱開始產生水平裂縫，結構的加速度反應相應減弱.

3.4　位移反應

圖8是加固模型上1，2，3，7四個測點在12 m/s2TAFT地震波作用下的位移比較圖，各個測點的位置如圖1所示，1和2測點位于頂層前梁兩端，1和7測點位于頂層側梁兩端，1和3測點位于二層框架柱兩端.

圖8　測點時間位移曲線Fig.8　The displacement and time curve of measure points

由圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)：1和2號測點之間的位移差在1.2 s左右達到了最大值17.1 mm,此時1和2號測點的位移分別為32.7 mm和15.6 mm，說明結構頂層扭轉相當劇烈.從圖8(b)中可以發(fā)現(xiàn)：1和3號測點之間的位移差在3.1 s左右達到最大值45.8 mm,此時1和3號測點的位移分別為31.8 mm和-14.0 mm，說明二層的層間位移相當明顯，導致二層框架柱開始出現(xiàn)明顯的水平裂縫，二層結構的剛

度下降.3號測點的時間位移曲線比較平穩(wěn)，在1.2 s左右位移達到最大值-23.2 mm,由于結構底端固定，位移始終為0，所以一層的層間位移較小，一層框架柱沒有出現(xiàn)明顯的裂縫.從圖8(c)中可以發(fā)現(xiàn)：1號測點的位移峰值出現(xiàn)在10.1 s，7號測點出現(xiàn)在12.4 s，相差了2.3 s.從2.5~7.0 s，1和7號測點之間的位移差維持在24 mm左右,并且1和7號測點位移方向保持一致.說明模型前后框架柱頂端的位移差較大，導致兩者之間的框架梁受拉，梁端裂縫進一步擴大.

4結論

經實驗證明采用環(huán)氧細石混凝土、環(huán)氧砂漿和碳纖維布對破壞模型進行修補加固是可行的.采用環(huán)氧細石混凝土對框架柱底端進行澆筑，加大框架柱的側向剛度，可以有效抵消樓梯間水平剛度不足的不利影響，并對樓梯板及休息平臺結構起到保護作用，提高了樓梯間的抗震能力.地震波加載過程中，加固模型的自振頻率并沒有產生明顯減小，剛度退化較小，說明加固模型并沒有產生明顯破壞，并且在地震波作用下加固模型二層的位移反應劇烈，產生明顯的裂縫，導致二層剛度退化先于一層.

參考文獻：

[1]楊俊杰,蔣松梁.帶有相互垂直樓梯的框架模型振動臺試驗研究[J].浙江工業(yè)大學學報,2014,42(6):660-664.

[2]金成.典型農居抗震試驗研究及有限元分析[D].杭州:浙江工業(yè)大學,2013.

[3]朱玉.鋼筋混凝土框架樓梯間抗震性能擬靜力試驗研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2012.

[4]李穎超,竇立軍,等.樓梯抗震技術研究綜述[J].吉林建筑工程學院學報,2013,30(3):23-26.

[5]卜強.框架結構樓梯震害破壞分析及設計建議[J].四川建材,2014,40(2):59-61

[6]涂軍.鋼筋混凝土框架樓梯間振動臺試驗研究[D].北京:北京工業(yè)大學,2012.

[7]尹保江,肖疆,等.RC框架結構樓梯震損后加固方法的試驗研[J].建筑結構,2014,44(5):17-20.

[8]楊俊杰,李洪波.帶樓梯典型框架抗震性能試驗研究[J].工業(yè)建筑,2015,38(5):630-633.

(責任編輯：劉巖)

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

中圖分類號：TU375.4

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4303(2016)01-0062-05

作者簡介：楊俊杰(1958—)，男，浙江杭州人，教授，研究方向為混凝土結構抗震，E-mail:yjinjie@163.com.

基金項目：浙江省重大科技專項資助項目(2010C13012)

收稿日期：2015-03-24