CFRP加固震损填充墙RC框架结构抗震性能试验研究_张永兵.pdf

复合材料科学与工程：.加固震损填充墙 框架结构抗震性能试验研究张永兵，吴建新，代柏乐，郑 磊（.广西大学 土木建筑工程学院，南宁；.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁；.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁）摘要：为了研究碳纤维增强复合材料（）加固震损填充墙钢筋混凝土（）框架结构抗震性能，完成了 榀已经震损的填充墙 框架试件及 榀完好空框架试件 加固后的拟静力试验，获得了 加固震损后填充墙 框架结构的破坏形态和滞回曲线，分析其承载力、刚度退化、耗能和延性等抗震性能指标，并与完好未加固试件进行对比。结果表明：加固震损空框架试件，可以有效提高试件的峰值承载力和耗能能力，结构刚度退化水平缓于原试件；加固震损刚性连接填充墙 框架试件，可以恢复试件的承载力、刚度和耗能能力至震损前水平；加固震损柔性连接填充墙 框架试件，由于橡胶的存在延缓了填充墙与框架之间较强的顶推作用，延缓了填充墙的破坏，使得框架和填充墙依然能够协同工作继续抵抗水平荷载，当试件较大变形时，充分发挥约束作用，其峰值承载力、耗能能力都可以得到显著提高，刚度退化也较原试件缓慢。关键词：加固；震损填充墙钢筋混凝土框架；抗震性能；拟静力试验中图分类号：文献标识码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；广西自然科学基金资助项目（）作者简介：张永兵（），男，博士，副研究员，主要从事结构地震易损性分析方面的研究，.。，（.，；.，；.，）：（），年第 期 加固震损填充墙 框架结构抗震性能试验研究 ，：；引 言填充墙钢筋混凝土（）框架结构是我国工程结构中广泛应用的一种结构形式。近年来国内外多次地震，如汶川地震中填充墙框架结构出现严重损坏甚至发生倒塌事故，严重威胁人民群众的生命和财产安全。同时发现在震后有大量的填充墙框架结构处于可修状态，如果将这部分建筑全部推倒重建，必定会造成大量人力和财力的浪费。因此，实现建筑结构的修复及加固是当前迫切需要解决的课题。材料具有良好的耐腐蚀性、耐久性和力学性能，在 框架结构的加固中得到了广泛应用。等对某 层足尺经 加固后的 震损框架进行拟动力试验，结果表明 的加固可以使震损结构恢复其位移变形能力及耗能能力。等对一榀足尺的两层单跨钢筋混凝土框架进行了振动台试验，结果表明 的加固提高了震损结构的抗震性能。陈伟宏等对 榀 缩尺经 包裹加固后的两层两跨震损非延性 框架进行抗震试验研究，并与完好结构相比，研究表明，加固可有效提高震损结构的耗能能力，加固后结构依然具有较大的安全储备。王新玲等对 榀 缩尺的单层单跨钢筋混凝土框架进行拟静力试验，研究表明，经 加固后的震损框架的极限承载力、延性及耗能能力等得到明显提高。刘书贤等对未加固和加固框架结构进行振动台试验，结果表明，碳纤维加固可有效提高结构的整体刚度，结构的整体性能和抗震能力得到提高。大量的文献资料表明：经 的加固修复，可以有效恢复甚至提高震损 框架结构的抗震性能。综上所述，当前研究大多集中于空 框架的加固，考虑填充墙及不同连接方式作用的加固研究较少。砌体结构设计规范明确表示：填充墙与框架的连接方式有刚性连接和柔性连接两种，现有研究较多针对刚性连接填充墙，对于柔性连接填充墙的研究很少，已有研究表明，柔性连接填充墙框架结构具有良好的抗震性能，本课题组前期已进行过以橡胶作为柔性连接材料的填充墙 框架试件的拟静力试验，研究表明橡胶可以减弱框架与填充墙之间的相互作用，具有更好的耗能能力。因此本文开展 加固震损柔性连接填充墙 框架结构的研究具有较大的现实意义和经济价值。本文以震损柔性连接填充墙 框架试件为研究对象，采用 材料对试件进行加固并进行拟静力试验，并与完好未加固试件试验结果进行对比，研究加固震损试件的抗震性能，具有重要的社会意义及工程应用价值。试验设计.试件预损伤本课题组曾开展了 榀框架试件（空框架试件、刚性连接填充墙 框架试件、柔性连接填充墙 框架试件）的拟静力试验，本次试验采用上述震损试件，开展修复及 加固后，将试件命名为、和，对以上试件进行拟静力试验加载直至破坏；且预留 榀完好空框架，经 加固后得到试件，对该试件进行加载直至破坏。框架采用烧结页岩空心砖作为砌体材料，尺寸为 。混凝土强度等级为，箍筋采用 级钢筋，纵筋采用 级钢筋，砂浆等级为，柱顶轴压比为.。柔性连接填充材料为高弹性橡胶，沿框架与填充墙之间，在四周布置，橡胶厚度为 。设计情况如表 所示，图 为柔性连接试件 的几何尺寸及配筋图。表 试件设计参数 加固后试件编号原试件编号填充墙连接方式构造方式受损程度无空框架未损框架无空框架震损框架完全填充 刚性连接采用砂浆刚性连接，沿柱高方向设置拉结筋震损填充墙框架完全填充 柔性连接四周采用橡胶柔性连接，沿柱高方向设置拉结筋震损填充墙框架 年 月复合材料科学与工程图 柔性连接试件 尺寸及配筋.框架加固预损试验后各原始框架的主要损伤情况如图 所示，其中图（）为空框架试件 震损后的破坏图，图（）为刚性连接试件 震损后的破坏图，图（）为柔性连接试件 震损后的破坏图。图 震损框架最终破坏图.结合各框架的破坏情况，根据 混凝土结构加固设计规范采用置换法和粘贴 进行加固，对梁、柱分别进行抗弯、抗剪加固设计：首先对塑性铰区疏松的保护层混凝土进行凿除，根据混凝土凿除范围满足.倍截面高度的要求并结合各榀框架实际破坏情况，本框架凿除梁端 范围内的混凝土保护层，柱底凿除高度为 ，并重新浇筑强度等级高一级的 混凝土；对梁、柱非塑性铰区的混凝土裂缝，用环氧树脂进行填缝处理；对柱子采用沿柱全高纵向粘贴三层 宽的 布进行抗弯加固，在柱底部 范围内采用 连续环向包裹三层，之后沿柱高间隔 环向包裹三层 宽的 条带；自梁端向中部粘贴 长、宽的 对梁进行抗弯加固，在梁端 范围内环向粘贴三层 条带进行抗剪加固；节点区采用十字形粘贴。加固方案如图 所示。完成框架的修复之后，按原设计重新砌筑填充墙。图 加固方案.材料性能框架中梁、柱混凝土强度设计等级均为，实测混凝土立方体抗压强度平均值为.。置换混凝土实测立方体抗压强度平均值为.。所用烧结页岩空心砖砌体的抗压强度平均值为.，强度等级为 的砌筑砂浆抗压强度平均值为.。本试验根据我国规范选用的测定方法，对橡胶圆柱体标准试件（直径 、高度.）进行压缩试验，测得其压缩模量为.。钢筋及 的力学性能见表、表。表 钢筋实测力学性能 钢筋类别直径 屈服强度 抗拉强度 弹性模量 表 力学性能 材料名称理论厚度 抗拉强度 弹性模量 伸长率 .加载装置及加载制度试验加载装置如图 所示。试验采用 台千斤顶分别对柱顶施加竖向轴压荷载至 （轴压比为.恒定不变），在反力钢架梁与竖向千斤顶之间设置低摩阻滚轴以减小试件摩擦力；试验中由液压伺服作动器施加水平荷载，其一端与反力墙固定，另一端与水平钢螺栓杆相连实现水平往复荷载的施加。试验采用位移控制加载方式，加载制度如图 所示。试件水平承载力降至峰值荷载的 时认为试件破坏，停止加载。年第 期 加固震损填充墙 框架结构抗震性能试验研究水平作动器；垫板；滚轴；反力钢架梁；水平螺杆；竖向千斤顶；端板；压梁；地锚图 加载装置.图 加载制度.测点布置及量测内容位移计和应变片的布置情况如图 所示。应变片布置在梁、柱关键受力区域的纵筋和箍筋上，试验中所有的位移和荷载信号通过仪器自动采集；水平位移计 和 用于测量试件沿框架柱高度方向的水平位移；采用拉线式位移计测量砌体填充墙面的对角相对位移，以研究填充墙的变形性能；竖直位移计 和水平位移计 用于监测地梁可能发生的竖向翘曲及水平位移。图 测点布置示意图.试验现象及分析.试件 与 试验现象在位移角（.）之前，试件 与 均未出现裂缝。在位移角达到（）时，左右柱底和地梁交界处开始出现水平裂缝。在位移角达到（）时，左梁端环向包裹的 发生轻微剥离，梁底部 形粘贴的 被拉断，梁底部与柱交界处出现裂缝并伴有混凝土粉末洒落，并且 试件在柱底部的混凝土被压碎。当位移角在（）（）时，能明显听到 剥离的声音，左右柱底与地梁交界处的水平裂缝随着加载进一步扩大、延伸。在位移角达到（）时，试件 左梁端顶部环向包裹的 已经崩断破坏；而试件 柱底部的混凝土严重脱落。此时试验终止，试件 最终破坏见图（）。当位移角达到（.）时，试件产生较大变形，伴随着更明显的 剥离声音，柱底部的保护层混凝土压碎掉落，此时作动器达到其行程极限，水平荷载未降至峰值荷载的，试验结束。框架整体破坏见图（）。图 试件最终破坏图.试件 试验现象在位移角达到（.）时，试件 的填充墙开始出现一条沿灰缝呈阶梯形向下发展的斜裂缝，并在距墙底大概 高度处形成水平灰缝。随着水平位移不断增加，填充墙新裂缝不断出现，旧裂缝不断发展扩大。在位移角达到（.）时，发出轻微的脆响声，在填充 年 月复合材料科学与工程墙中部靠近左柱处出现了两条沿 斜向下发展的斜裂缝，并在距墙底 高度处转而沿水平灰缝发展。在位移角达到（）时，填充墙砌体表面开始被压碎且有小块砌体碎片脱落。在位移角达到（.）时，裂缝的延伸发展明显增快，之前产生的水平滑移裂缝已发展为贯通裂缝。在位移角达到（）时，填充墙砌体表面进一步开裂破坏且剥落严重。在位移角达到（）时，填充墙砌体大面积剥落，出现局部镂空。在位移角达到（）时，框架发生严重变形，此时水平荷载已降至峰值荷载的 以下，试验终止，试件 的破坏现象见图（）。.试件 试验现象在位移角达到（）之前，试件 未产生可观测的裂缝。在位移角达到（.）时，左右梁端及节点区 有轻微的脆响声。在位移角达到（）时，橡胶和填充墙之间产生局部脱离的裂缝。在位移角达到（）时，填充墙左上角和右上角均有小块水泥砂浆被压碎剥落，填充墙顶部与橡胶有明显的相对滑移，并伴有水泥砂浆细末洒落。在位移角达到（）时，在正向加载时可以明显看到右上角的橡胶由于挤压而发生横向膨胀，此时可以发现填充墙与橡胶只在对角部位紧密结合，在其他部位基本完全分开互不接触，填充墙发挥了类似对角压杆的作用。在位移角达到（）时，填充墙出现水平滑移裂缝并向右延伸呈阶梯状，同时填充墙左下角砌体由于受压破坏而剥落。在位移角达到（）时，左梁端 崩断断裂，裂缝不断发展，填充墙中部砌体脱落严重，此时试件水平荷载已降至峰值荷载的，试验结束。框架整体破坏见图（）。试验结果分析.滞回曲线各试件的滞回曲线见图，由图 可以得出以下结论：（）从图（）、图（）中可看出，对于 加固的两榀空框架而言，滞回曲线有部分共同特征：试件、在加载初期滞回环近似直线发展，结构保持良好的线弹性，试件屈服后，曲线出现轻微的捏拢效应；从加固效果来看，未预损伤的试件 的滞回曲线最饱满，加固效果最好。（）图（）所示 加固刚性连接填充墙试件，在加载初期，由于填充墙的作用，试件的承载力上升较快，随着位移幅值的增大，曲线展现出明显的捏拢效应；达到峰值承载力后，由于填充墙的脆性破坏，试件承载力急剧下降；加载后期，试件填充墙破坏后主要由 加固后的框架承担荷载，滞回曲线由弓形转变为反 形。（）图（）所示 加固柔性连接填充墙试件 的滞回曲线形状较其他加固震损试件饱满，由于橡胶材料发挥了良好的耗能能力，滞回曲线的整体趋势与空框架较为类似，相较于试件，试件 的峰值荷载在较大的位移时出现，在试件 达到极限荷载后，承载力并没有急剧下降，刚度的退化能力明显缓于刚性连接试件，表明 加固震损柔性连接 框架试件具有较好的延性和耗能能力。（）试件 滞回曲线（）试件 滞回曲线（）试件 滞回曲线 年第 期 加固震损填充墙 框架结构抗震性能试验研究（）试件 滞回曲线图 各试件滞回曲线.骨架曲线骨架曲线是把滞回曲线各级加载循环下第一个滞回环的峰值点连接起来得到的曲线。各加固试件骨架曲线特征点的位移与荷载值见表，其中开裂点是指混凝土表面开始出现裂缝时的点，定义试件梁端或柱端纵筋屈服时即为试件屈服，屈服点采用等效能量法计算得到，峰值点为试件达到最大荷载时对应的点，极限点是指荷载下降至峰值荷载的时对应的点。表 各加固试件特征点 试件名称方向开裂点 屈服点 峰值点 极限点 延性系数正反正反正反正反 为了更好地说明 加固震损填充墙 框架试件