加固砌体结构抗震性能实验研究实验报告.doc

加固砌体结构抗震性能的实验研究北方工业大学，宣文研、周 辉、安鹏涛指导教师：王献云摘要：本项目对1:1二层加固砌体模型进行动力特性测试试验，并采用拟动力试验方法测定砌体结构的位移、滞回曲线等量化的抗震指标，对比试验结果评价加固砌体结构的抗震安全性。关 键 词：砌体、阵型、拟动力1 选题背景我国是多地震国家，近年来发生的数次地震中，都存在大量砌体房屋的破坏和倒塌。如2008年5月12日，我国四川省汶川县发生里氏8.0级地震，该地区的民用建筑大部分为砌体结构，包括大量老旧房屋（上世纪6、70年代建造的未考虑抗震设防）。砌体结构所采用砌筑材料本身的抗拉、抗剪能力较低，整体抵抗地震力的能力较弱，加之部分房屋施工水平不高，大量房屋在这次地震中遭到严重破坏1,2,3,4,5,6。2010年4月14日，我国青海省玉树发生里氏7.1级地震，大量使用砌体材料的民居倒塌7,8。在我国广大农村地区，6级左右的地震也造成了砌体结构的倒塌，如2013年3月3日云南洱源地震，造成了数千间房屋倒塌或严重受损。现阶段，北京、天津乃至全国大部分地区仍有大量建于上世纪70年代的普通砖砌体结构存在，这些房屋基本没有构造柱圈梁等构造措施，楼板也使用预制楼板，房屋整体性不好。因此，提高这些地区房屋抵御地震的能力尤为重要。虽然砌体结构抵抗地震力的能力较弱、震害严重，但国内外研究和大量震害调查也表明，采用一定抗震构造措施或加固后的砌体结构可以满足现行规范的规定以及抗震设防的目标。根据我国建筑抗震设计规范2的规定，各类多层砖砌体房屋，应按要求设置现浇钢筋混凝土构造柱和圈梁，“外墙四角设置构造柱”，“外墙楼盖和屋盖处设置圈梁”。目前部分地区的新建砖砌体结构基本采用圈梁和构造柱。2 方案论证2.1砌体结构的抗震特点及其研究目标：砌体结构在强震作用下将进入非线性状态，由于刚度退化明显，结构的自振周期变长，而地震地面运动的频率也是由高到低逐渐变化的，这就导致砌体结构与地震激励更容易发生共振破坏，甚至倒塌。1976年唐山地震、2008年的汶川地震以及历次大地震的震害都证实了砌体结构的易倒塌性。本项目的总体目标是用试验的方法测定外包构造柱圈梁砌体结构的动力特性，以及在地震作用下的位移、裂缝开展与分布、滞回曲线、刚度退化、极限承载力等抗震性能指标，以现行抗震设计规范规定的抗震能力为标准，评价外包构造柱圈梁砌体结构建筑物的抗震安全性。对不符合设防要求的砌体建筑提出加固改造建议。为北京市及周边地区抵御大地震，减轻地震灾害提供有力的参考和建议。以提高北京市及周边地区对地震灾害的防御能力，减少人员伤亡和经济损失。2.2振动试验简介及其原理振动测试技术作为解决工程振动问题的一种有效手段，早已被人们所利用。目前，它所应用的生产技术领域有：1、结构动力特性试验研究，模态试验分析；2、运行中的机器设备的振动状态监测，故障诊断和预测；3、转子的平衡；4、振动与冲击环境的模拟试验；5、构件的疲劳强度试验；6、隔振与减振技术及措施的研究；7、人体对振动与冲击反应的研究；8、有关振动利用的研究。结构在动力荷载作用下，总要产生一定的振动响应。随着生产技术的发展，动力结构有向大型化、高速化、复杂化和轻量化发展的趋势，由此而带来的振动问题更为突出。而结构的振动，常常是结构损坏、环境恶化、设备的精度或可靠性降低等工程事故的主要原因。因此，研究结构的动力特性和动力强度，已日益成为结构设计中的重要课题。结构的动力特性主要取决于它的各阶固有频率、主振型和阻尼比等。这些参数也就是所谓的模态参数。如果已经有了结构的实物或设计图纸，并掌握所有材料的力学性能数据，那么原则上可以用有限元分析等数值计算方法求出结构的模态参数。然而，由于诸方面的原因，例如：非线形因素，材料的不均匀性，阻尼机理的复杂性，再加上构件与构件、整机与基础的联结刚度难以确定等等，使有限元计算的准确性受到限制。在上世纪的六、七十年代发展起来的现代模态试验分析技术弥补了有限元分析的技术的某些不足。模态试验分析与有限元分析的相互结合及相互补充，在结构优化设计和设备故障诊断等许多方面，都取得良好的成效。它们已经在航天、航空、车辆、船舶、机床、建筑机械、电器设备等工业部门得到极为广泛的应用。2.3拟动力试验简介及其原理拟动力试验又称计算机作动器联机试验(OnLine Computer Test)，是将计算机的计算控制与结构试验有机地结合在一起的一种结构抗震试验方法。它吸收了拟静力试验和振动台试验的优点，由给定地震加速度记录，通过计算机控制作动器进行结构试验，能再现较大比例模型的弹塑性地震反应。由于试验过程中的加载是逐步进行的，可以详细地观察结构的破坏过程，同时能够实测结构的恢复力-位移曲线，在实际工程中乃至对此类结构抗震性能的研究已得到成功应用。本课题选用拟动力试验方法研究框架结构的抗震性能。拟动力试验是基于结构动力方程的数值计算原理。地震作用下多自由度结构的振动方程为： (2.2-1)式中、和分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，、和分别为相对加速度、速度和位移向量，为已知的地震作用向量。为了能对(1.2-1)进行数值求解，将上述振动方程写成离散的形式，设时间步长为，则方程(1.2-1)在时刻为： (2.2-2)拟动力试验中一般采用中央差分法对上式进行求解，时刻的速度和加速度为： (2.2-3) (2.2-4)、分别为模型控制点、时刻的位移。将式(1.2-3)和(1.2-4)代入离散方程(1.2-2)中，并令，经整理可得： (2.2-5)上式表明，时刻的位移与时刻的位移、时刻的恢复力、时刻的地震作用、时刻的位移有关。式(1.2-5)确定时刻的位移后，由计算机给作动器施加指令，作动器使模型产生位移，由作动器上的力传感器测得恢复力重复以上步骤，可测得地震作用下结构反应时程。3 模型的设计制作及试验方案3.1模型设计大型结构的抗震试验，往往采用缩尺结构。但由于砖砌体结构的特殊性，若采用缩尺，由相似理论普通砖的长宽和砂浆厚度均应缩小，由此带来的相似误差不可忽略。本次试验采用近似原型结构，选用两层单开间砖砌体结构。模型使用240mm×115mm×53mm烧结普通粘土砖，采用混合砂浆砌筑。模型结构开间2400mm，进深3600mm，层高2300mm，墙厚240mm。构造柱、圈梁以及底板的混凝土等级为C25，均采用人工搅拌。结构设计符合砌体结构设计规范（GB50003-2001）和建筑抗震设计规范（GB50011-2010）等规范的规定。3.2模型的制作在试验室的指定位置放线、支模，进行底板的混凝土浇筑。底板长宽为4240mm×3040mm，厚度为300mm，采用C25混凝土，钢筋采用双层双向B12150。上部结构位于混凝土底板之上，要求底板具有足够的刚度，而且也要保证底板与地面之间不发生滑移。本次试验中，混凝土底板通过预埋两个高强地脚螺栓固定于试验室刚性地面，如图3.2所示。底板混凝土达到足够的强度之后，进行上部结构的施工。模型砖墙的砌筑采用“三一砌筑法”，使用整体性较好的“一顺一丁”组砌方式。模型加固前的砖结构见图3.5，对其进行外加钢筋混凝土梁柱加固。加固前，将底板四角凿掉，见图3.3。外加构造柱的钢筋见图3.6。加固完成的结构见图3.7、3.8。图3.1试验所用的烧结普通粘土砖 图3.2 模型底板及锚固措施图3.3 模型三底板凿角 图3.4 模型三阶梯型基础图3.5 模型三加固前的试验结构 图3.6 模型三绑扎钢筋后的试验结构图3.7 模型六二层混凝土支模 图3.8模型三试验结构3.3配重及附加质量试验结构制作完成之后，为模拟砌体房屋的正常使用状态，采用配重块来模拟屋面及楼面活荷载，见图3.9。图3.9 屋面荷载及配重3.4试验方案 足尺模型试验砌体结构如果采用缩小比例的模型试验很难满足相似条件，原因是砌体、砌筑砂浆厚度等难于按比例缩减。本项目采用1:1模型试验，由于受实验室反力墙高度限制，本项目的试验模型总高度不宜超过6m。承重墙为普通粘土砖，屋面板和楼板采用预制板。模型的平面、立面、墙体洞口等尽量与原型一致。设计和加固方法以现行规范和技术加固规程为依据。 自振特性试验每个模型在抗震试验前都要进行自振特性试验，测定其自振频率、振型、阻尼比等。本项目采用空间多点激励的方法或锤击法测定。 拟动力抗震试验输入罕遇地震加速度和结构基本参数，即可开始拟动力试验。由于本项目采用足尺试验模型，模型材料的物理、力学性质与原型相同，所以输入的地震波不需要调整。 拟静力抗震试验一般拟动力抗震试验完成，房屋模型没有完全破坏，因此，通过拟静力试验测得结构的极限承载力、极限变形、滞回曲线等。根据试验结果，评价加固砌体结构的抗震性能和普通砌体结构加固处理的技术经济指标。4 试验方法和测试内容4.1 动力特性试验方法4.1.1测点的确定对结构进行锤击法动力特性试验，首先要确定测点的数量和位置。试验结构可以分为砌体砖墙和混凝土柱、梁两大部分。结构需要布置足够数目的测点，使得后续的模态分析结果能准确地描述结构的振型。一般来说，我们主要关心结构水平向振动，包括平动、扭转等。结构在水平位置上的整体振动可以被描述为X方向振动和Y方向振动，因此试验结构测点布置图也往往标上X坐标和Y坐标，便于标识结构的振型特征。根据结构的特点和分析的要求，本次试验选择了164个测点，底板未布置测点，其中构造柱圈梁上共68个测点，砖墙上96个测点。4.1.2锤击点的选择锤击法是使用力锤激励的一种方法，一点锤击，多点测量。地震中结构的破坏主要是由水平振动引起的,本试验关注的是结构水平方向的振型，因此水平X向和Y向各选择一个锤击点。另外，对大型结构来说，锤击点的选择应该使激励的能量能够分布至整个结构。综合各方面考虑，选择68号测点作为X向水平锤击点，61号测点作为Y向水平锤击点。4.2振动试验设备及流程表41是此次试验所使用的仪器及其性能指标。表41 试验仪器的硬件及软件加速度传感器厂家型号量程频率范围灵敏度vm/g美国PCB公司333B40±50g0.5-5KHz506美国PCB公司333B40±50g0.5-5KHz494美国PCB公司333B40±50g0.5-5KHz523美国PCB公司333B40±50g0.5-5KHz519力传感器厂家型号量程频率范围灵敏度vm/N美国PCB公司086D200.2397动态信号分析仪厂家型号比利时LMS国际公司LMS SCADASIII数据采集及模态分析软件厂家名称比利时LMS国际公司LMS Test 9A图4.1 试验流程图4.3 拟动力试验方法试验步骤如下：(1)输入地震加速度时程；(2)输入模型的质量、阻尼比；(3)测定模型的初始刚度；(4)给模型施加位移；(5)测量结构的恢复力；(6)根据实测的恢复力，经计算机控制系统，得到下一步位移。重复以上(4)、(5)、(6)，直至拟动力试验全部结束。图4.2电液伺服加载系统4.4抗震试验设备(1)电液伺服加载试验系统，本试验系统分为五个部分：反力墙、电液伺服作动器、液压伺服油源、分油器与管路系统、全数字电液伺服控制系统。电液伺服加载系统的的作动器照片见图4.3，电液伺服控制系统主控见图4.4。水平荷载由天水红山试验机厂生产的 50吨电液伺服系统作动器施加，作动器的静态（非冲击）加载能力为±750kN，额定加载能力为±500kN，分辨率为 0.0015kN，最大行程为±250mm。作动器两端有球铰接法兰分别与反力墙和模型连接。 图4.3 电液伺服加载系统图4.4 电液伺服控制系统(2) IMP应变采集系统，本系统由计算机、应变采集软件、IMP接线板及数据采集板组成。见照片4.5、4.6。图4.5 IMP应变采集系统计算机图4.6 IMP应变采集系统数据采集板(3) 读数显微镜及裂缝观测仪，用于读取裂缝的宽度。图4.7 裂缝观测仪 图4.8 控制位移(4)位移传感器，用于测量试验结构各部位的位移变形。试验中使用的仪器设备及其性能参数见表4-2。表4-2仪器设备及参数作动器/力传感器天水红山额定加载力分辨率行程500kN0.0015kN±250mm数据采集板IMP型号通道数电压采样率35951C20±2V9Hz/通道35951B10±2V4.5Hz/通道位移传感器厂家型号量程线性度/灵敏度同济大学溧阳县仪表厂YHD-50±25mm0.05%京海泉兰德科技WY-100±50mm200/mmWY-50±25mm200/mmWY-20±10mm200/mm裂缝观测仪思韦尔型号观测宽度SW-LW-1011mm4.5 测点布置试验结构的位移由布置在结构上的位移传感器测量。底板对称布置2个位移计，以监测底板的滑移。构造柱根部布置2个位移计，一层、二层圈梁中点及两侧各布置1个位移计，门窗洞口各布置1个位移计。位移测点共12个。二层圈梁中点另设控制位移点。钢筋混凝土构造柱、圈梁的应变由粘贴在钢筋表面的电阻应变计测得。图4.9 柱根应变片 图4.10模型位移及应变测点布置5试验主要结果5.1自振特性试验结果表5-1是基础结构自振频率的测试结果。图5.1、5.2是其相应的部分振型图。图5.3是测试得到的部分传递函数及其相干曲线。从相干曲线上看相干系数非常高，基本上接近于1.0，说明测试数据的信噪比很高，结果可靠。图5.4是分析后得到的MAC阵的分布示意图，从图中看到，绝大部分的模态分析结果理想，模态间的影响低，解耦性好。表5-1 自振频率(Hz)的测试结果阶次Y向频率（Hz）阻尼比（%）X向频率（Hz）阻尼比（%）123.1786.3322.8596.29234.2620.9634.271.02371.6801.4442.9640.72482.8300.5657.2450.98589.0560.7871.1522.03 一阶 Y向结构整体平动 二阶Y向沿中心轴水平扭转 三阶Y向水平纵向弯曲 四阶Y向纵墙反方向弯曲，结构 整体扭转图5.1 Y向主要阵型图 一阶X轴水平平动 二阶X向绕中心轴扭转 三阶X方向水平横向弯曲 四阶X轴结构绕中心扭转，横墙反向 弯曲整体扭转图5.2 X向主要阵型图图5.3 传递函数及相干曲线 Y向MAC阵分布图 X向MAC阵分布图图5.4 MAC阵5.2拟动力试验所用的地震波图5.5人工合成地震波波加速度时程曲线5.3位移、恢复力、加速度响应图5.6 结构地震反应5.4钢筋应变部分模型的试验结构构造柱的柱根和二层梁柱节点处粘贴电阻应变计，图5.7、5.8为部分应变时程曲线。从构造柱纵向受力钢筋的应变图可以看出，钢筋应变最大仅为100，远小于钢筋的屈服应变2000，在拟动力试验过程中构造柱受力较小，大部分侧向力由砖墙承担。图5.7 模型梁柱节点应变时程图图5.8 模型柱根应变时程图5.5 恢复力-位移曲线通过对各模型砌体试验结构进行拟动力试验，得到拟动力试验下的荷载-位移滞回曲线，见下图，滞回曲线体现了结构的抗震性能。模型由于结构形式的不同滞回特性也各有不同。图5.9 模型滞回曲线7收获通过该课题的试验研究，我了解了建筑结构抗震性能的研究方法，基本掌握了拟动力和振动试验的方法；对我国现行结构设计规范有更加深刻的理解。同时也锻炼了动手能力，使理论知识和实践科研相互联系起来。参考文献：1 清华大学土木工程结构专家组, 西南交通大学土木工程结构专家组, 北京交通大学土木工程结构专家组等, 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