鋼-聚合物砂漿加固震損后砌體結構振動臺試驗研究

喬崎云,許 虎,楊 璟,劉文超,曹萬林

(1. 北京工業大學 城市建設學部,北京 100124; 2. 中交集團綠色建筑技術研發中心,北京 100011)

0 引言

砌體結構由于具有施工便捷、造價低廉、耐久和保溫性能好等優勢[1],在現代城鎮工程建設中占據重要地位。但由于其在自重、抗裂及整體性等方面的缺陷,在歷次地震災害中受損嚴重[2-5],我國既有村鎮建筑中砌體結構占比64%以上[6],因此,發展砌體結構抗震性能提升技術成為社會和工程界的亟需。

現有砌體結構性能提升研究大多針對既有無損結構,旨在解決既有結構抗震性能無法滿足現階段抗震設防要求的問題,但砌體結構震損后性能提升相關研究極為少見。GARCIA-RAMONDA等[7]和GIARETTON等[8]對不同纖維增強砂漿加固砌體墻進行了斜壓試驗研究,為采用纖維增強砂漿加固砌體結構設計與運用提供建議。李愛群等[9-10]提出采用高強鋼絞線-聚合物砂漿對磚墻進行抗震加固,闡明了相應加固機理及加固后墻體破壞模式、抗側剛度、耗能等性能。但目前已有的砌體結構加固技術大多具有一定局限性,較難兼顧高效受力與成本控制的平衡[11]。其中聚合物砂漿是由膠凝材料與可分散于水中有機聚合物(乙烯-醋酸乙烯酯、丙烯酸酯、苯乙烯-丙烯酸酯等)攪拌而成的一種新型建筑材料,可以較好地改善普通砂漿會導致砂漿層厚度偏厚和強度低等問題,相關研究表明[12-13]聚合物砂漿材料具有良好的物理力學特性,相較于普通建筑砂漿具有強度高、抗剝落、抗裂以及施工和易性良好等優勢;而鋼材是近現代工程建設中運用最為廣泛的建筑材料,在強度、延性、造價以及加工性能等方面具有顯著優勢,被大量運用于加固改造技術中,并取得顯著效果。綜合2種材料的優點,并結合砌體結構在地震作用下的損傷演化規律,提出了一種鋼-聚合物砂漿組合加固法解決既有村鎮砌體結構震損后性能提升問題。

在本課題組已完成的砌體墻抗震性能試驗基礎上[14],進行了未加固的圈梁構造柱約束整體砌體結構抗震性能振動臺試驗,并基于該試驗模型,完成了鋼-聚合物砂漿組合加固震損后砌體結構振動臺試驗?；谠囼炁c理論分析,揭示加固后砌體結構損傷演化過程,闡明損傷機理,系統分析在不同地震作用下結構頻率、位移等響應等參數。

1 試驗概況

1.1 模型設計

設計了2層1/2縮尺振動臺試驗模型,模型總體尺寸為: 4370 mm×4370 mm×3460 mm(面寬×進深×高度),試件模型設計如圖1、圖2所示,內外墻厚均為120 mm,灰縫控制在10 mm以保證砌筑質量。按GB 50003—2011《砌體結構設計規范》[15]、GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[16]等規范對模型進行結構布置。其中,墻體與樓板交接處均設置圈梁,且縱橫墻體相交節點均設置構造柱,其具體構造措施均嚴格按照相關規范設計實施。

圖2 模型平面圖 圖3 加固方案Fig. 2 Plan of model Fig. 3 Reinforcement scheme

在震損后的原始砌體試件模型(試件M1)基礎上,進行鋼-聚合物砂漿組合加固震損后砌體結構(試件M2),圖3為加固方案示意圖,原理是通過在結構角部布置角鋼,在洞口處墻體扣置槽鋼并焊接形成鋼框,鋼框與角鋼間采用鋼絲焊接對試件墻體形成有效約束,聚合物砂漿與普通砂漿的砂漿面層進一步增強鋼材與原結構間的協同工作性能,加固工藝流程以及具體加固做法為(見圖4):①除去墻體表面粉刷層(白灰);②對結構局部損傷嚴重部分進行修復;③各門窗洞口用130 mm×60 mm×3 mm的槽鋼包框,槽鋼間焊接形成鋼框;④將120 mm×120 mm×3 mm的角鋼及鋼墊板分別安置于結構四角部并焊接;⑤在鋼框、角鋼及墻體表面標記出鋼絲以及條帶位置;⑥將4mm鋼絲按標定位置進行焊接,使得角鋼與鋼框間形成相互牽制整體;⑦將鐵絲網綁扎于鋼絲上;⑧在外墻所標記位置涂抹聚合物砂漿及普通砂漿;⑨對砂漿面層定期澆水養護。震損前試件M1破壞主要集中在一層,一層內力遠大于二層,同時為對比有無加固對結構性能的影響,僅對結構一層外墻進行鋼-聚合物砂漿組合加固。

圖4 加固工藝流程Fig. 4 Reinforcement process

1.2 測點布置

加固后試件整體效果如圖5所示,在試件基礎和各層樓板中部及角部布置共計12塊加速度傳感器,其布置如圖6所示, 圖中標識以A1(A5,A9)為例:A表示加速度,1、5、9分別表示標高0.000、1.880、3.460 m處加速度傳感器標號。

圖5 試件整體效果Fig. 5 Overall effect of the specimen

圖6 加速度測點布置 Fig. 6 Arrangement of acceleration measuring points 圖7 位移測點布置Fig. 7 Arrangement of displacement measuring points

在試件各層角點位置布置拉線式位移計,共計12塊。其測點布置如圖7所示,圖中標識以D1(D2,D3)為例:D表示位移,1、2、3分別表示標高0.000、1.880、3.460 m處位移計標號。

1.3 測試方案

試驗在中國地震局工程力學研究所恢先實驗室5 m×5 m振動臺進行,由于該試驗模型為1/2縮尺,需施加配重以彌補質量損失及活荷載,由于試驗設備載重限制,對模型施加配重6 t(一層樓面3 t,二層樓面3 t),模型自重19.5 t,合計25.5 t。全質量模型自重與活荷載按重力荷載代表值計算原則組合共計41.7 t,即最終試驗模型總重力占全質量模型61.2%。

為防止地震波輸入時配重塊與結構間產生滑移從而減輕地震作用,所用配重塊均采用砂漿與樓板澆筑,且配重塊均勻分布于樓板。為研究砌體結構抗震性能,分別選用El Centro波、Taft波和張家口人工波作為地震動輸入,其中El Centro波與Taft波為水平雙向加載,人工波為單向加載。即同一設防烈度(峰值加速度)下,分別將3條地震波(El Centro波、Taft波和人工波)按X、Y兩個主震方向輸入,共計6個加載工況,其中主震方向與另一水平向峰值加速度關系為1∶0.85。每一設防烈度(峰值加速度)前后均進行白噪聲掃描,通過對結構各測點白噪聲作用下加速度反應曲線的分析,得出結構動力特性的變化,加載制度如表1所示。由于受振動臺設備載重限制以及試件和全質量模型的相似關系,故峰值加速度按相應設防烈度放大1.6倍,且按時間相似比0.56對原始地震波進行壓縮處理[17]。

表1 加載方案Table 1 Loading system

1.4 材料性能

表2 材料力學性能Table 2 Mechanical properties of materials

表3 鋼材力學性能Table 3 Mechanical properties of steel

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

2.1.1 加固前試件M1

在地震作用達8度罕遇(0.30g)時,南墻與北墻一層二層洞口處墻體裂縫持續發展并進一步向其周邊圈梁及構造柱發展,部分洞口處砌塊發生斷裂,同時伴有掉渣現象(圖8(a));B軸東側門洞角部磚塊發生明顯斷裂且具有剝落風險(圖8(b));東墻與西墻裂縫亦有一定發展,且部分灰縫發生剝落,損傷情況如圖8(c)所示;當結構遭遇9度罕遇地震作用時,墻體發生進一步損傷,此時裂縫發展較為飽和,部分門洞角部磚塊發生明顯斷裂并脫離結構,最終結構墻體在洞口附近均產生明顯損傷,但未見顯著整體性損傷產生,結構具有較好的可修復性,損傷情況如圖9所示。

圖8 8度罕遇(0.30 g)地震作用結構損傷情況Fig. 8 Structural damage under 8-degree rare (0.30 g) earthquakes

圖9 9度罕遇地震作用結構損傷情況Fig. 9 Structural damage under 9-degree rare earthquakes

2.1.2 加固后試件M2

試件M2在多遇地震作用下(加速度峰值小于等于0.16g),南墻與北墻由于開動面積較大且損傷較為嚴重,裂縫首先在其洞口附近開展,并隨地震作用的增強而進一步發展,其中北墻部分條帶邊緣產生剪切裂縫,南墻鋼框、角鋼邊緣由于局部剛度突變應力集中而產生水平及豎向裂縫;當試件M2遭遇罕遇地震(加速度峰值大于等于0.32g)作用時,加固砂漿面層裂縫以洞口為中心向四周擴散,二層砌體部分開始產生剪切裂縫并由洞口角部向外擴散。在8度罕遇(0.30g)地震作用下,南北墻加固砂漿面層裂縫僅有少量延伸,二層砌體部分損壞較為嚴重,見圖10(a),剪切裂縫均有明顯掉灰,側窗洞上部磚塊發生掉落,過梁有掉落風險見(圖10(b))。此時結構二層損傷較為嚴重,沿灰縫開展出大量剪切裂縫,部分砌塊與過梁發生外閃、剝落等情況,為防止對實驗儀器造成損傷,最終加載終止,加載結束內部損傷如圖11所示。

圖10 8度罕遇(0.30 g)地震作用下結構損傷情況Fig. 10 Structural damage under 8-degree rare (0.30 g) earthquakes

圖11 加載結束后結構內部損傷情況Fig. 11 Internal damage of structure after loading

2.2 加固前后破壞機理及比較分析

試件M1地震作用下損傷機理表現為:裂縫首先由一層門窗洞口向四周圈梁構造柱延伸,當地震作用加速度峰值達0.32g時,結構二層洞口附近開始產生剪切裂縫,此后隨地震作用增強,結構損傷進一步加劇,且一層損傷始終大于二層,最終在9度罕遇地震作用下,結構一層洞口局部砌塊發生嚴重斷裂且與原結構發生脫離,一層灰縫均發生不同程度掉灰,因此,砌體結構震損后的修復加固有必要將門窗洞口作為關鍵部位進行有效約束。

試件M2地震作用下損傷機理表現為:裂縫仍然首先由一層門窗洞口處向附近發展,當地震作用加速度峰值達0.32g時,二層損傷開始顯著發展,而此后隨地震作用增強一層裂縫發展較為穩定,且裂縫寬度較細,而二層損傷則發展迅速,最終當地震作用加速度峰值達0.82g時,一層未見明顯整體損傷,而二層部分門窗洞口局部砌塊發生嚴重脫落,且二層B軸墻體接近坍塌。

上述情況表明:①試件M1、M2裂縫均由一層洞口率先產生并向四周發展,說明洞口為砌體結構受力的薄弱部位,對其進行有效的約束可以提高砌體結構的抗震性能; ②鋼-聚合物砂漿組合加固法對各墻體形成有效約束,使得墻體裂縫損傷發展受限,且在加速度峰值為0.82g地震作用下結構一層仍未見嚴重損傷,證明鋼-聚合物砂漿組合加固技術有效提高了震損后砌體結構的抗倒塌性能;③鋼-聚合物砂漿組合加固法使得結構一層整體承載力顯著提高,且明顯高于二層,地震作用下最終M2試件二層損傷程度明顯高于一層,與M1試件相異,加固前后試件地震作用下內墻損傷情況對比如圖12。

圖12 M1、M2內墻最終損傷情況對比Fig. 12 Comparison of interior walls final damage of M1 and M2

2.3 動力特性

通過對不同工況白噪聲作用下結構屋面位置加速度時程進行傅里葉變換分析,得到結構在歷經不同強度地震作用后自振頻率退化規律。

對于未加固試件M1,由頻率退化曲線可知(見圖13(a)),結構X、Y向初始頻率分別為21 Hz與22.58 Hz,這是由于墻體開洞面積差異所導致;在地震作用下,試件X與Y向自振頻率差距逐漸增大,最終結構經歷9度罕遇地震作用后,試件X、Y向自振頻率分別衰減至5.58 Hz與7.74 Hz,分別為初始頻率26.57%及34.28%。

圖13 結構自振頻率退化曲線Fig. 13 Natural frequency degradation curve of structure

加固后試件M2的X、Y向初始頻率分別為19.9 Hz與21.5 Hz,分別提升257.35%與177.78%,且恢復至未加固模型初始頻率94.95%與95.22%。在地震作用下,由于結構塑性損傷的不斷發展,結構抗側剛度降低,頻率呈一定趨勢減小(見圖13(b))。當地震作用峰值加速度達0.65g時,試件X、Y向頻率退化至11.56 Hz及13.08 Hz,分別為加固后試件初始頻率的58.09%和60.84%。在8度罕遇(0.30g)地震作用后,試件二層損傷過于嚴重,為防止局部脫落及坍塌對試驗設備造成損傷,故終止試驗而未對結構進行白噪聲掃頻。

2.4 加速度反應

加速度放大系數α為地震作用下樓板加速度傳感器所測加速度峰值與基礎位置加速度峰值比值的均值。試件在不同地震波作用下各層X、Y向加速度放大系數變化規律如圖14所示,加固前試件(M1)屋面加速度放大系數分布在1.0～2.2之間;在0.82g人工波作用下,試件二層屋面X向加速度放大系數達到最大值2.16;在0.16gEl Centro波作用下,試件二層屋面Y向加速度放大系數達到最大值2.20。

圖14 試件加速度放大系數Fig. 14 Specimen acceleration magnification factor

加固后試件(M2)地震作用下加速度放大系數發展由圖可知,加速度放大系數隨結構高度增大而顯著增大,屋面加速度放大系數分布于1.4～3.5之間,在加速度峰值為0.32gTaft波作用下,試件屋面X向加速度放大系數達到峰值3.38;在加速度峰值為0.16gEl Centro波作用下,屋面Y向加速度放大系數達峰值3.45。

2.5 最大位移

試件各標高處位移計測得位移與±0.000 m處相應位置位移差之峰值即為該標高處結構位移,結構樓層位移即為該樓層處兩側墻體位移均值,此外結構X、Y向位移即為在該向激振地震波作用下所引起該方向結構樓層位移。試件在不同激振波作用下地層間位移變化趨勢如圖15所示。

圖15 M1、M2層間位移發展規律Fig. 15 Development law of story drift of M1 and M2

M1試件由于累計損傷作用,最終在地震作用加速度峰值達1.00g時,X與Y向位移均達最大值4.31、3.48 mm,此時X、Y向最大層間位移角分別為0.168%與0.104%。由于墻體高寬比均小于0.5,且結構整體截面較大,故最終在9度罕遇地震作用下結構位移響應仍處于較低水平,具有良好的可修復性。

M2試件由于墻體X向和Y向開洞面積差異以及初始損傷程度有較大差異,故試件X向側移顯著大于Y向;隨地震作用的不斷增強,結構X向塑性損傷發展更為迅速,剛度退化更為顯著,最終8度罕遇(0.30g)地震作用下,El Centro波及Taft波所引起結構屋面Y向位移分別為X向的22.19%與30.86%。

由于鋼-聚合物砂漿組合加固法使得M2試件一層承載力及剛度等抗震性能得到有效提升,M2試件二層的層間位移顯著大于M1試件,這是由于損傷加固后模型M2二層未采取修復措施,且存在一定塑性損傷及剛度退化,同等地震作用下其層間位移更大。此外鋼-聚合物砂漿組合加固技術使得結構一層剛度顯著提升,結構豎向二層剛度相對于一層有所減小,在鞭梢效應作用下其剛度退化顯著,二層的層間位移則發展更為迅速。結合M1試件震損后二層受損情況,在實際的工程應用中對于結構二層仍需要采取一定的加固措施,避免出現剛度突變,但相較于一層可考慮進一步減少用鋼量和聚合物砂漿用量,同時也有利于提升結構加固的經濟性。

2.6 應變分析

部分加固鋼絲及槽鋼應變發展規律如圖16 所示,應變取最大絕對值作為該地震作用下測點應變值,其中G3、G7為北墻水平及斜向鋼絲應變測點,G4、G8為東墻水平及斜向鋼絲測點,而G9、G12則分別為南墻與東墻槽鋼。當加速度峰值低于0.32g時,結構由于地震作用所引起內力較小,一層層間位移處于較低水平,此時各測點應變近乎為0,此后隨地震作用進一步增強,結構內力不斷增長,結構一層層間位移增大,一層砂漿面層塑性損傷不斷發展,鋼絲及槽鋼對墻體約束作用逐漸得以顯現,各測點應變以一定趨勢逐漸增長,8度罕遇(0.30g)地震作用下G9測點南墻門框槽鋼應變陡然增大,并在Taft波X向激振作用下達最大值2.96×10-5。雖各測點應變隨地震加速度峰值增大呈一定增長趨勢,但均處于較低水平,這是由于在地震作用下結構一層變形較小,承載力主要由原結構墻體及砂漿面層提供,鋼絲和槽鋼則保證結構仍有較高的抗震性能儲備。

圖16 加固模型應變發展規律Fig. 16 Strain development of retrofitted model

3 結論

本文提出了適用于砌體結構的鋼-聚合物砂漿加固方法,進行了1/2縮尺的兩層砌體結構試件加固前(M1試件)與加固后(M2試件)的振動臺試驗,對比分析了M1、M2試件的抗震性能,主要結論如下:

1)鋼-聚合物砂漿組合加固法有效限制了震損后砌體結構墻體塑性損傷的開展,使結構承載力具有顯著提高作用,最終8度罕遇地震作用下加固后模型M2一層損傷程度顯著輕于未加固模型M1,表明鋼-聚合物砂漿組合加固技術有效提高了震損后結構的抗震性能。

2)加固后砌體結構抗側剛度提升明顯,結構X、Y向自振頻率分別提高257.35%與177.78%;結構一層的抗側剛度遠大于未加固的二層,其層間位移顯著小于二層,且結構屋面加速度放大系數遠大于一層且維持在1.4～3.5之間。

3)試件M1、M2層間位移隨地震波加速度峰值增大均呈一定趨勢增長,且X向層間位移均相對大于Y向,由于損傷加固后試件M2二層未采取任何修復措施,且存在一定塑性損傷,剛度退化,同等地震作用下其層間位移顯著大于試件M1二層。

4)鋼-聚合物砂漿組合加固震損后砌體結構隨地震作用增強,洞口槽鋼及拉結鋼絲應變均呈一定趨勢增長,然均處于較低應力水平,表明使用鋼-聚合物砂漿組合加固具有較高承載力安全儲備。