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第 2 8卷第 3期 2 0 1 1年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e ri n g a n d Ma n a g e me n t Vo l _ 2 8 No ． 3 Se p． 201 1 碳纤维布加 固砌体 结构 地震反应振动 台试验研究 张明杰， 徐礼华， 张 斯， 胡晓斌， 兰晓锋， 程恒宇 武汉大学土木建筑工程学院 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 2 摘要 为研究碳纤 维布 C F R P 加 固砌体结构 的地震反应 ， 选取 2条天然波 和 1 条人工 波 ， 对 1 ／ 4缩尺 比例的 两层两开间带构造柱的C F R P加固砌体结构模型进行了模拟地震振动台试验。结果表明， 随着模拟地震激励 的增加， 试验模型砂浆开裂并延伸 ， 此时 C F R P能有效地约束裂缝的进一步扩展； 试验模型第二层动力放大系 数约为第一层的2倍； 当输入至峰值加速度 1 ． 4 0 g时， 试验模型层问位移角最大值为 1 ／ 4 2 ， 且两侧水平位移不 一 致， 存在较为明显的扭转， 但模型没有发生严重破坏。C F R P加固砌体结构具有良好的抗震承载能力和变形 能力 。 关键词 碳纤维布； 砌体结构； 加固； 振动台试验； 抗震性能 中图分类号 T U 3 6 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 2 0 1 1 0 3 - 0 0 8 9 -05 砌体结构是我国建筑中应用最广泛的结构形 式之一， 但 由于其 自重大 、 强度低 、 延性差 ， 当遭受 强震时往往损伤严重 。随着新 版抗震规范 的出台， 原先的抗震设计不能满足新的要求 。因 此 ， 大量的砌体结构亟需抗震鉴定和加固。相较 于其他的砌体结构措施 J ， 碳纤维 片材 C F R P 加固由于施工方便 ， 耐腐耐磨且不改变被加固结 构的外形 ， 从 而得到 了广泛 的应 用。国 内外对 C F R P加 固砌体结构 的研究 表明， C F R P加 固 后砌体构件的极限荷载 、 延性显著提高 ， 抗震性能 有较大改善。但 目前的研究主要针对单片墙 ， 对 于整体结构的研究不足。基 于此 ， 本文对两层两 开间 C F R P加固的砌体结构模型进行模拟地震振动 台试验， 以研究 C F P R加固砌体结构的抗震性能。 1 模型设计与制作 1 ． 1 相 似关 系设计 试验原型选取位于 7度设 防区 设计地震加 速度为 0 ． 1 g 、 l I 类 场地 的带构造柱 的砌体结构 教学楼 ， 取两层 两开 间设计 试验模型。由于振动 台台面尺寸 、 载重等限制 ， 模型的长度相似 比取为 I ／ 4 ， 弹性模量相似 比取 1 ， 加速度相似比取 4 。由 以上 三个 基本 相 似 比确定 其 他 主要 的相 似 系 数 “ ， 如表 1 所示 。 表 1 试验模型主要相似关 系 物理量 长度 弹模 加速度 密度 1 质量 1 ／6 4 力 1 ／1 6 时问 l ／ 4 相似 比1 ／ 4 1 4 1 ． 2模型 设计 根据 相似关 系 ， 试 验模 型平 面尺寸 为 1 6 5 0 m m1 4 2 5 m m， 层高 0 ． 7 5 0 m， 总高 1 ． 5 0 0 I n ， 板厚 1 5 m m。其 中 A轴开有 2 5 0 m m 5 2 5 mm 的门 洞， B轴开有 3 7 5 i n m 4 5 5 m m 的窗洞。模 型墙 体相交处有 6 0 m m 6 0 mm的构造柱 ， 楼 、 屋面设 有 6 0 m m x6 0 mm的圈梁 ， 图 1分别为模 型的平 面图及构件配筋图。 1 ． 3模型制作 为保证相似性 ， 采用切割后的普通砖砌筑墙 体 ， 瓜米石混凝土浇筑构造柱 、 圈梁及楼板 ； 钢筋 采用镀锌铁丝模拟 ， 面积根据承载力相似确定 ， 混 凝土强度 等级 为 C 2 5 ， 砌 体采用 MU 1 0普通砖 、 M 2 ． 5混合砂浆砌筑 ， 材料实测强度见表 2 。考虑 模型起 吊和锚 固， 模型底部浇筑混凝土基础梁和 底板。模型制作按照实际设置构造柱的砌体结构 施工工序进行 。 表 2 材 料力学性 能实测值 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 8 ． 3 l 作者简介 张 明杰 1 9 8 8 ， 男 ， 浙江杭州人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为工程结构抗震 E ma i l z h a n g mi n g j i e 0 8 2 3 1 2 6 c o m 基金项目住房和城 乡建设部项 目 2 0 1 0 ． 1 1 5 4 9 O 土木工程与管理学报 2 0 1 1 拄 ，6 0 0． 7 5 0 V } ，4 8 5 【 2 5 0 I 8 o L 2 5 o 【 4 8 5 1 1 I 1 ，8 2 5 ，8 25 1 1 6 5 0 b 构造柱配筋 a模型平面图 c 圄梁 配筋 图 l 模型平面及构件配筋／ ra m 1 ． 4 C F R P加固方案 对模型沿 向输入地震波 ， 在模型 A轴外墙 “ x ” 形粘贴 C F R P， 端部纵横 向贴布锚 固， 见 图 2 a ； 在 B轴墙体纵横粘贴 C F R P， 见图 2 b ， 布 宽均为 5 0 m m。C F R P采用 日本东丽株式会社 的 产品， 粘贴浸渍胶 由武汉武大 巨成加 固实业有限 公司生 产， 抗 弯强 度 为 5 8 ． 3 MP a ， 拉 伸强 度 为 4 3． 9 MPa a A 轴墙面 18 l 4 I 3 1 I I 1 bB 轴墙 面 图2 C F R P粘贴方案 矩形为应变片 2 试验概况 2 ． 1 测点布置 模型共布置 2 4片应变片 ， C F R P上 l 8片 图 2 ， 其余 6片贴于墙体内侧 ， 如图 3所示。试验模 型 1 轴墙面上布置 5个加速度 传感器 ， 3轴墙面 上布置 5个位移传感器 ， 如图 4所示 ， 其中“ A” 表 示加速度传感器 ， “ D” 表示位移传感器 。 2 ． 2 地震波的选取与调幅 选用三条地震波 进行试验 ， 分别 为 1 E L C e n t r o波 1 9 4 0年 ， 1 8 0分量 ； 2 汶川卧龙 波 2 0 0 8年， E W 分量 ； 3 人工波， 根据 建筑抗震 设计规范 设计谱生成。根据表 1 相似比的要 求 ， 原始地震波在时间轴上压缩至 1 ／ 4， 加速度峰 值放大 4倍 ， 如图5所示。 团 『 ] J J 豳 匠， I J I a A 轴墙面 bB 轴墙面 图 3 墙体上应变片布置 a 1 轴墙面 图 4 b 3 轴墙面 传感器布置 旨 垦 第 3期 张明杰等 碳纤维布加固砌体结构地震反应振动台试验研究 91 a E l Ce n t r o 波 4 3 l 一1 3 -4 t l s b汶川 卧龙波 图 5 地震波时程曲线 2 ． 3 试验工况 对模型分 1 5级 输入地震 波， 测试其 地震 响 应 。第一级加 速度 峰值 为 0 ． 1 g ， 逐 级增加 ， 增量 为 0 ． 1 g， 每一级依次输入 E L C e n t r o波、 汶川波和 人工波。每级输入前后均用 白噪声扫频 ， 加速度 峰值为 0 ． 0 5 g 。主要工况如表 3所示。 表 3 主要输入工况 6 E L C e n t r o 波 7 汶川卧龙波0 ． 1 5 8 人工波 2级 3 试验结果及分析 3 ． 1 模 型 开裂过 程 当输入加速度峰值为 0 ． 1 5 g 7度小震 时 ， 模型未见明显裂缝 ， 结构频率下降缓慢 ， 地震响应 呈线性变化 ， 模 型处于弹性状态。当输入 至第 4 级 峰值加速度 为 0 ． 3 0 g 后 ， A轴墙片 1 、 2轴间 门洞左侧及 B轴墙片2、 3轴问窗洞左侧砂浆出现 竖向裂缝。 随着输入级别 的增加 ， 已有裂缝沿砌筑灰缝 延伸， 并产 生新 的裂 缝 ， 裂 缝集 中于 A轴 交 叉 C F R P问墙体和 B轴窗侧墙体 ， 模 型地震 响应显 著增大 ， 模型进入弹塑性状态。输入至 7度大震 峰值加速度为 0 ． 9 0 g 时 ， 墙体裂缝增多并延伸 ， 人 工波 调 整后 i 一 ▲ J lJJ L _ 一 一_ 人 工 波 调 整 前 f ／s C 人工波 1 、 2轴 间窗洞 中部竖 向裂缝从 C F R P延伸 至地 梁 。 1 5级 峰值加速度为 1 ． 4 0 g 输入结束后 ， 模 型有较多裂缝 ， 且大部分裂缝延伸至 圈梁 、 构造 柱 、 地梁或 C F R P 。试验结束 ， 所有混凝土构件均 未开裂 ， C F R P与墙体粘结 良好 ， 未 出现鼓起 的现 象 ， 没有裂缝穿过 C F R P 。 3 ． 2位 移反 应 分别考察 模 型两侧 的相 对位移 响应 见 图 4 。模型左侧 A轴 的相对位移 由传感器 D1 、 D 2 、 D 3测得 ， 右侧 B轴 的相 对位移 由传 感器 D 1 、 D 4 、 D 5测得 。 图6为模型在 E L C e n t r o波作用 下模型两侧 相对位移最大值沿高度的变化曲线。可见在输入 地震波加速度峰值较小时 ， 模型的位 移沿高度变 化较均匀 ， 变形曲线基本上呈剪切型。但输入至 7度大震后 ， 位移显著增加 ， 模型破坏明显。 定义位移比为右侧相对位移与左侧相对位移 的比值 。图 7给 出了 E L C e n t r o波和汶J l I 波作用 下模型的位移 比。7度大震之前 ， 试验模 型位移 比约为 1 ， 说明当加速度峰值较小时， 模型左右两 侧位移较为一致。输入至 1 ． 4 g时， 一层位移 比远 大于 1 ， 即模 型一层右侧相对位移大于左侧相对 位移 ， 存在明显的扭转。试验模型产生扭转 的主 要原因在于 1 模型结构不对称 ， 右侧窗洞开口 较大， 刚度较小； 2 模型右侧 C F R P为纵横 向粘 贴 ， C F R P对墙体约束产生 的正应力较小[ 6 ] ， 加固 效果较差 ； 3 右侧加固面积百分率 2 9 ． 5 6 ％ 小 于左侧 的加 固面积百分率 4 1 ． 2 6 ％ 。 相对位移／ mm a左侧 2 璧 0 0 3 6 9 1 2 相对位移／ ram b 右侧 图 6 E L C e n t r o波模型两侧相对位移曲线 7度大震 峰值加速度为 0 ． 9 0 g 时， 不同地 震波作用下试验模 型最 大层 间位移角均小 于 1 ／ 1 8 6 ， 平均 为 1 ／ 3 1 5 ， 此 时结构 已产生裂缝。当输 9 2 土木工程与管理学报 2 0 1 1 正 丑 彗 震 大震 工 况 第一层 。 f_ _ 汶 川 E l C e n t 。 1 0 谗 ． } 一 ＼ 0 _ 5} ＼ | 。 ‘。 磕_ L j 磊 图7 不 I司地震波作用下主要工况的试验模 型位移 比 入至第 1 5级 峰值加速度为 1 ． 4 0 g 时， 人工波作 用下试验模型层问位移角最大 ， 值 为 1 ／ 4 2 ， 不 同 地震波下作用下层间位移角平均值 为 1 ／ 8 4， 此时 裂缝已开展较多 ， 但没有发生严重破坏 ， C F R P未 见鼓起， 可见 C F R P加固砌体结构试验模型具有 较好的抗震承载能力和变形能力 。 3 ． 3加速度 反应 定义楼层动力放大系数为楼层加速度最大值 与地梁处加速度最大值的 比值。模型每层布置 2 个加速度传感器 ， 取平均值计算楼层动力放大系 数。 图 8给出了在不同地震波作用下试验模型动 力放大系数沿高度 的分布 图。可 以看 出 1 相 对于第一层 ， 模型第二层动力放大效应更明显， 约 是第一层的2倍 ， 对于 E L C e n t r o波 ， 第二层动力 放大系数在 1 ． 7 5至 1 ． 9 9之问变化 ， 第一层动力 放大系数位于 0 ． 9 0和 1 ． 1 5之 间； 2 随着输入 级别的增加 ， 同一条波作用下 ， 第一层的动力放大 效应变化不大 ， 而第二层 的动力放大效应变化较 明显 ， 人工 波 作 用 下 ， 从 7度小 震 0 ． 1 5 g 至 1 ． 4 0 g ， 第二层动力放大系数从 1 ． 7 2增长至2 ． 2 5 。 需 动力放大系数 a E L C e n t r o 波 动力放大系数 b人工波 图8 试验模型动力放大系数沿高度分布 工 况 a 第一层 工况 b 第二层 图9 不同地震波作用下试验模型动力放大系数 图 9给出了试验模型在不 同地震波作用下的 动力放大系数 ， 可以看 出不同地震波引起 的模型 动力放大效应差异较大。对 于第二层而言 ， 随着 地震加速度峰值 的增加 ， 汶J i l 波作用下的动力放 大系数不断增加 ， 而人工波作用下 的动力放大系 数则不断变小。 3 ． 4 C F R P应 变反应 试验结果表明， C F R P的应变反应较小 ， 输入 至峰值加速度为 1 ． 4 0 g时， 碳纤维布中最大应变 为 2 6 8 8 ， 相应 的应力仅为 6 8 ． 7 MP a ， 大约是其 设计强度的 1 ． 8 4 ％ ， 说明碳纤维布尚未充分发挥 作用。 1 l 一 一 奄 1 l 一 加载级数 加载级数 a E LCe n t r o 波 b汶J i I 波 图 1 0 6 、 l l 号测点应变变化曲线 土 一 加 载 级数 加 载 级数 a E LCe n t r o 波 b人工波 图 1 1 1 3 、 1 4号测点应变变化曲线 已有的研究表明， C F R P对提高砌体的开裂 剪切强度并不明显 ， 主要作用在于限制裂缝开展 ， 从而提高结构 的整体性 j ， 因此 ， 本文重点考察 裂缝附近 C F R P的应变 ， 选择 6号及 1 1号应变测 点 图 2 进行分析。图 1 O给出了 E L C e n t r o 波和 汶川波作用下 6号及 1 1 号测点应变最大值随着 输入级别的变化曲线 ， 可以看 出 1 在裂缝产生 前 ， C F R P上应变较小 ， 当输入至第 4级 峰值加 速度为 0 ． 3 0 g 后墙体产生裂缝 ， 布上应变随之增 加。 2 随着输入级别的增加， 墙体裂缝进一步 开展 ， 当输入至第 1 0级 峰值加速度 0 ． 9 0 g 后 ， 裂缝 延伸 至 C F R P ， C F R P上应变 增长加快 。因 此， C F R P在墙体 开裂 之后起 到了约束裂缝进一 步开展的作用 。 图 1 1 给出了 E L C e n t r o波和人工波作用下 B 轴墙上同一条纤维布上的 1 3 、 1 4号测点 图 2 应 变最大值随着输入级别的变化 曲线。可以看出 1 在输入至第 6级 峰值加速度0 ． 5 0 g 前 ， 两个 测点的应变值均较小， 且基本相同 ； 2 当输入至 第 7级后 ， 由于 1 3号测点附近出现裂缝 ， 因此其 应变明显大于 1 4号测点应变。可以看出， 在输入 后期当 C F R P邻近出现裂缝 时， 同一条纤维布上 的应变并不均匀。 啦 营 宦震 麓 假 O 6 2 8 4 3， Z l l 籁 辚 臀 L 錾 嚯 重 根 Ⅱ 测 霞 卤 垦 震 惺 第 3 期 张明杰等 碳纤维布加固砌体结构地震反应振动台试验研究 9 3 4 结 论 1 随着输入级别 的增加 ， 试 验模 型墙 体逐 步产生裂缝 ， C F R P在墙体 开裂 之后能有效地 约 束裂缝的进一步开展 ， 提高了结构的整体性 。 2 在地震 作用下 ， 试验模型第二层动力放 大效应更明显 ， 是第一层的 2倍左右 ， 且模型存在 扭转。不同地震波作用下试验模型的加速度及位 移响应离散性较大。 3 7度大震作用下 ， 试验模型层问位移角平 均值为 1 ／ 3 1 5 ， 当输 入 至最 后 峰 值 加 速 度 为 1 ． 4 0 g 时 ， 试验模 型层 问位 移角最 大值 为 1 ／ 4 2 ， 但试验模型没有发生严重破坏 ， 表明 C F R P加 固 砌体结构具有 良好的抗震承载能力和变形能力。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 程文滚．混凝土结构与砌体结构设计[ M] ．北京 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范 [ S ] ． 林震．砌体结构房屋抗震加固评述[ J ] ．福建建 筑 ， 2 0 0 4 ， 3 3 9 41 ． Th a na s i s C Tr i a n t l l o u．S t r e n g t h e n i n g o f ma s o n r y s t r u e t u r e s u s i n g e p o x y b o n d e d F R P l a mi n a t e s [ J ] ．J o u r n a l o f C o m p o s i t e s f o r C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 8 ， 2 2 9 6 - 1 0 4 ． [ 5 ] T a n K H，P a t o a ry M．S t r e n gt h e n i n g o f m a s o n r y w a l l s a g a i n s t o u t - o f - p l a n e l o a d s u s i n g fi b e r - r e i n f o r c e d p o l y - m e r r e i n f o r c e me n t [ J ] ．J o u rna l o f C o m p o s i t e s fo r C o n ． s t ruc t i o n ， 2 0 0 4 ， 8 1 7 9 8 7 ． [ 6 ] 周新刚， 韦昌芹 ， 叶列平．C F R P加固砌体结构的力 学性能分析 [ J ] ．工 程力 学 ， 2 0 0 8 ， 2 5 6 5 1 - 5 9 ． [ 7 ] 杨望， 谷倩 ，彭少民．碳纤维布加固带门洞砌 体墙片试验研究 [ J ] ．武汉理工大学学报， 2 0 0 5 ， 2 7 9 7 0 - 7 3 ． [ 8 ] 卢会芳 ， 谷倩 ， 彭少民．碳纤维布加固带窗洞墙 片试验研究与计算分析f J ] ．华中科技大学学报 城 市科学版 ， 2 0 0 5 ， 2 2 S 1 1 0 5 1 0 8 ． 1 9 ] T o ma z e v i c M，K l e m e n c I ，We i s s P ．S e i s mi c u p g r a d i n g o f o l d ma s o n ry b ui l di n g s b y s e i s mi c i s o l a t i o n a n d C F RP l a mi n a t e s a s h a k i n g t a b l e s t u d y o f r e d u c e d s c a l e mo d e l s [ J ] ．B u l l e t i n o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ， 7 1 2 9 3 - 3 2 1 ． [ 1 0 ]李 成煜．砌体房屋模 型振 动台试验 的几个 问题 [ J ] ．云南工学院学报， 1 9 8 9 ， 5 3 7 1 - 7 6 ． [ 1 1 ]王天稳．土木工程结构试验[ M] ．武汉 武汉理工 大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． S ha k i n g Ta b l e Te s t s o f S e i s mi c Pe r f o r ma n c e s o f a M a s o n r y S t r uc t u r e Re t r o fit t e d wi t h CFRP La mi n a t e s Z H A N G M g - fi e ， XU L i h u a， Z H A N G S i ， H U X i a o b i n， L A N X i a o -f e n g， C H E NG H mg y u S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，Wu h a n U n i v e r s i t y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t To s t ud y t h e s e i s mi c p e r f o r ma n c e o f ma s o n r y s t r u c t u r e s r e t r o fit t e d wi t h CFRP l a mi n a t e s，s h a k i n g t a - b l e t e s t s a 1 ／ 4 s c a l e d t wo - s t o ry a n d t wo - - b a y ma s o n r y s t ruc t u r e i n v o l v i n g c o ns t ru c t i o na l c o l u mn s wh i c h wa s s t r e n g t h e n e d b y CFRP l a mi n a t e s we r e c a r r i e d o u t u n d e r t h e e x c i t a t i o ns o f t wo n a t u r a l e a r t h q ua ke r e c o r d s a n d a n o t h e r a r t i f i c i a l o n e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t c r a c ks we r e o b s e r v e d fir s t l y i n t h e mo r t a r b e t we e n b r i c k s o f t h e t e s t mo d e l a n d e x t e n d e d g r a d ua l l y wi t h t h e i nc r e a s e o f t h e s e i s mi c i n p u t ；h o we v e r ，t h e CFRP l a mi n a t e s l i mi t e d t h e d e v e l o p me n t o f t h e c r a c k s e f f e c t i v e l y ．Th e d y n a mi c ma g n i fic a t i o n f a c t o r o f t h e s e c o n d s t o r y o f t h e t e s t mo de l i S a b o u t t wi c e o f t h e fir s t s t o r y．W h e n t he p e a k v a l u e o f t h e i np u t a c c e l e r a t i o n hi s t o ry c u r v e i nc r e a s e d t o 1 ．4g， t h e ma x i mu m s t o ry d r i ft r a t i o a u g me n t e d t o 1 ／ 4 2，a n d t h e r e i s r e l a t i v e l y l a r g e d i f f e r e n c e b e t we e n h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t s o f t wo s i d e s o f t h e t e s t mo d e l ，wh i c h s h o ws t h a t t he t e s t mo d e 1 e x p e rie n c e d o b v i 0 us t o r s i 0 n ．bu t no s e v e r e d a ma g e wa s o b s e rve d． Th e s t ud y i n t h i s p a p e r r e v e a l s t h a t t h e ma s o n r y s t ruc t u r e s r e t r o fi t t e d wi t h CF RP l a mi na t e s h a v e l a r g e c a p a c i t y o f s e i s mi c r e s i s t i n g a n d d e f o r ma t i o n ． Ke y wo r d sCFRP l a mi n a t e s；ma s o n ry s t ruc t u r e；s t r e n g t h e n；s h a k i n g t a b l e t e s t ；s e i s mi c p e rfo r ma n c e