中国是地震多发国家,在抗震设防地区有大量的钢筋混凝土框架结构已经不能满足现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)(2016年版)的设计要求,如果不及时加固维修处理,在地震作用下很容易发生损坏甚至倒塌,造成严重的人员伤亡和财产损失 ^[1,2]。柴少峰等 ^[3]对加大截面法、外贴碳纤维法、喷射混凝土技术、外包粘钢等多种加固法进行了研究,详细分析了各种加固方法对于结构抗震性能影响的优缺点。徐铨彪等 ^[4]利用有限元软件分析了采用粘贴钢板加固后的钢筋混凝土框架厂房的梁柱节点承载力变化,结果表明外贴钢板加固后的钢筋混凝土框架承载力提高了至少60%,并且延性和刚度有显著提升。潘亮等 ^[5]通过模型试验对粘贴钢板法与高性能砂浆混合加固的方法对两层单跨结构进行了抗连续倒塌性能试验,经加固后的结构承载能力明显增强,抗倒塌能力提升显著,梁铰形成时间早于柱铰且比柱铰数量多,试验结果符合结构抗震设计的基本要求。Andrés Juan-Valdés等 ^[6]采用粘贴碳纤维布的方法对钢筋混凝土柱的抗弯承载力进行了试验研究,经加固的柱的抗弯承载力较未加固的柱提升了至少4倍,如果将柱的截面变成圆形,则加固效果会更好。Przemysław Bodzak等 ^[7]对采用不同强度的碳纤维布加固后的梁抗弯性能进行了研究,结果表明碳纤维布加固不但显著提高梁的抗弯能力,还增强梁的耐久性,即使是低强度的混凝土或有一定缺陷的混凝土,经加固后的抗弯能力和耐久性均有明显的增强。郭建明等 ^[8]比较了两榀单层两跨框架的抗震性能,其中一榀未加固,一榀采用碳纤维材料加固了柱端部分,结果表明经碳纤维加固后的框架的承载能力、变形能力和耗能能力得到了显著的提升,能使普通钢筋混凝土框架由“强梁弱柱”型的破坏机制转化为“强柱弱梁”型的破坏机制。上述这些加固方法重点是对构件进行承载力的增强,从试验结果和工程应用角度出发还是要探索增强结构整体抗震能力的方法,吕西林等 ^[9]对加设了软钢阻尼器的震损再生混凝土框架进行了振动台试验,研究了加固后的框架结构的减震效果,结果表明加设了阻尼器的框架结构在强震激励下能明显减小层间刚度退化,中部楼层的软钢阻尼器发挥的作用更明显。黄炜元等 ^[10]通过在梁柱节点处设置扇形粘弹性阻尼器,改善钢筋混凝土框架的抗震性能,其利用ABAQUS软件对加设了扇形粘弹性阻尼器的钢筋混凝土框架结构进行了分析,结果表明合理设置的扇形铅粘弹性阻尼器和增加消能器的扇形有效半径可以显著提高加固框架的抗震性能。张家广等 ^[11]通过在现有钢筋混凝土框架柱间设置防屈曲约束支撑来提高结构的抗震能力,其对一栋图书馆框架结构在适当位置设置防屈曲约束支撑后进行数值分析,结果表明防屈曲约束支撑加固后的框架结构的承载力、层间位移等均能满足现行抗震规范要求。

　　 在上述研究基础上,本文采用薄钢板剪力墙加固钢筋混凝土框架结构,目的是为提高框架结构的承载力、刚度、延性和耗能能力。为研究经薄钢板加固后的钢筋混凝土框架结构的抗震性能,对5个缩尺比为1∶3的两层单跨不同框架模型进行拟静力试验,研究其在低周反复力作用下的滞回性能、延性和耗能能力。

　　 5个模型的框架部分尺寸完全相同,如图1～5所示,所有框架结构的梁柱配筋也相同。其中图1为纯框架结构模型,简称模型BF;图2为全填充墙框架结构模型,简称模型NSIF;图3为带洞口的填充墙框架结构模型,简称模型NSIFW;图4为增设钢板剪力墙的全填充墙框架结构模型,简称模型SPIF;图5为增设带开洞钢板剪力墙的填充墙框架结构模型,简称模型SPIFW。所有带填充墙模型的墙身均采用空心黏土砖和水泥砂浆砌筑而成。

　　 模型混凝土强度等级为C30,实测混凝土轴心抗压强度标准值为21MPa; 梁、柱纵筋强度等级均为HRB400,实测屈服强度标准值为420MPa,极限强度标准值为550MPa,弹性模量为2.0×10⁵MPa,屈强比为0.76,梁内纵筋为68,柱内纵筋为48,梁、柱箍筋强度等级为HPB300,梁、柱箍筋均为ϕ6@100; 空心砖的强度等级为MU5; 砌筑用水泥砂浆和抹面砂浆的强度等级为M5; 外包钢板的厚度为0.5mm,屈服强度为180MPa,极限强度为200MPa,屈强比为0.9,弹性模量为0.7×10⁵MPa。

　　 图6为加载示意图,水平荷载通过液压伺服作动器施加给分配梁,分配梁分配2/3的水平荷载作用在二层梁上,分配1/3的水平荷载作用在一层梁上 ^[12]。水平荷载采用力与位移混合控制,在试件屈服之前采用力进行控制,共分为四级; 从第五级开始采用位移加载,每级循环两次,当层间位移角θ≤1/1 000时,层间位移角增量为1/2 500; 当1/1 000≤θ≤1/100时,层间位移角增量为1/1 000; 当θ≥1/100时,层间位移角增量为1/500。整个加载过程中加载速率保持一致,当模型出现明显破坏而无法正常加载或水平荷载小于峰值荷载的85%时,加载结束。为便于后续分析,规定作动器推为正向加载,拉为负向加载。

　　 水平作动器上安装有力传感器,力传感器测量的力通过分配梁有2/3分配给框架顶层,有1/3分配给框架二层,为确保力能准确分配给作用点,分配梁与作用点的连接采用铰接。为防止模型发生水平滑动,在地梁的两侧用水平千斤顶进行固定。在模型的顶层框架梁中心点及二层框架梁中心点处安装百分表来测量框架在水平荷载作用下的水平位移。在基础梁的两端各设置了一个百分表来测量模型的水平滑动位移。力传感器、百分表的数据采集通过计算机采集系统自动采集。

　　 纯框架结构模型(模型BF)在加载初期形成的裂缝主要是弯曲破坏裂缝,位置主要在框架柱的根部,当层间位移角达到0.024时,对应的水平荷载为37kN,此时结构进入屈服阶段; 当框架顶层的层间位移角达到0.04时,对应的水平荷载仅为峰值荷载的70%,下降了30%,此时,框架柱端部形成塑性铰,裂缝既有剪切造成的,也有弯曲造成的裂缝,如图7所示。

　　 图8为全填充墙的底层框架结构模型(模型NSIF)在层间位移角为0.000 3时框架柱底部出现了弯曲裂缝; 当层间位移角为0.000 7时,填充墙与周边框架出现了分离,此时填充墙受到框架梁的挤压形成压杆效应; 二层框架中填充墙与周边框架分离时的层间位移角为0.001 4,较底层的0.000 7大了一倍,这表明二层填充墙对框架的侧向刚度增强有明显的作用。从构件层面分析,当层间位移角为0.000 2时,柱身出现了比较密集的弯曲裂缝,同时底层框架梁柱节点处出现明显的剪切裂缝; 当层间位移角为0.000 6时,底层填充墙出现了对角裂缝,随后在底层柱脚附近的填充墙被压碎破坏; 当层间位移角超过0.017 4时,在柱脚附近及梁柱连接节点附近的填充墙破坏更加严重,这表明填充墙此时不再参与框架共同工作,即填充墙不再对框架在平面内提供刚度贡献。填充墙退出工作后,框架则独立承担水平力的作用和变形的增加,因此底层框架柱的剪切裂缝增加明显。试验终止时,底层柱根部纵筋严重弯曲外突,混凝土保护层严重剥落。

　　 图9为带洞口填充墙的底层框架结构模型(模型NSIFW)在层间位移角为0.001 3时,柱身形成弯曲裂缝,填充墙与框架边界之间出现分类,底层梁柱节点处出现剪切裂缝时,层间位移角为0.004; 当层间位移角为0.005时,底层填充墙出现了对角裂缝; 当层间位移角达到0.012时,填充墙由于受到框架严重挤压而损坏,甚至出现局部倒塌; 当层间位移角达到0.023时,填充墙对框架的刚度贡献能力完全失效; 当层间位移角达到0.035时,框架柱上的剪切裂缝宽度明显增加。

　　 图10为增设钢板剪力墙的全填充墙的底层框架结构模型(模型SPIF)在初期的加载循环过程中,钢板沿对角线方向形成明显的张力场,张力场的方向与水平面的夹角在40°～45°之间。当层间位移角为0.002时,底层柱出现了细小的弯曲裂缝,当层间位移角增长至0.007 5时,在梁柱节点处出现了剪切裂缝。在这个变化过程中钢板中的张力场效应不断增强,当层间位移角大于0.017 4后,由于框架柱身不能承受钢板张力场传递到柱身的巨大拉力,则在底层框架柱身出现了严重的剪切裂缝。当层间位移角超过0.023时,框架柱的混凝土保护层由于开裂严重而出现了剥落现象,当层间位移角达到0.04时,框架柱中的纵向钢筋出现了严重的外突屈曲现象。

　　 图11为增设带开洞钢板剪力墙的填充墙框架结构模型(模型SPIFW)的破坏形态。与模型SPIF类似,在加载初期模型SPIFW的后加薄钢板也明显出现了张力场,但是张力场与水平面的夹角在45°～53°之间,离窗口近的位置夹角越大,远离窗口的地方夹角越小。由于钢板在洞口处的角部存在明显的应力集中现象。当层间位移角达到0.009时,钢板在应力集中区开始出现撕裂; 当层间位移角增加到0.012时,在洞口的角部会出现与模型NSIFW类似的填充墙材料压碎的现象,随后底层柱的上端出现剪切裂缝; 当层间位移角增加到0.017 4时,钢板的张力场效应明显增加,进而传递到柱身的拉力增大,导致柱身形成的剪切裂缝也明显增加,裂缝宽度进一步增大。这个过程导致柱的混凝土保护层产生损坏剥落,并使得框架柱内的纵向钢筋在试验结束时发生明显的屈曲外突。

　　 5个模型各自的水平荷载-顶点位移滞回曲线如图12所示。由于模型SPIF和SPIFW两侧有后加钢板的作用,其滞回曲线明显较其他3个模型的滞回曲线饱满。模型SPIFW由于在填充墙和钢板上开洞的原因,因此其滞回曲线的捏缩现象较模型SPIF更为明显。模型NSIF和NSIFW的滞回曲线基本相同,表明填充墙是否开洞对框架的滞回性能影响有限。模型BF的滞回曲线饱满程度最差,说明纯框架的水平承载力明显较低,但模型BF的延性相比模型NSIF和NSIFW则更好。

　　 图12为各模型水平荷载-顶点位移骨架曲线,实测试验各阶段的结果如表1所示,其中屈服荷载及屈服位移参考文献[13]确定。

　　 从表1可以看出,由于模型NSIF有不带洞口的填充墙存在,因此其横向峰值荷载比模型BF增加了92%,而带有洞口的模型NSIFW比模型BF只增加了56%,表明洞口的存在导致框架的横向峰值荷载下降,其原因是由于洞口的存在阻碍了填充墙形成斜向压杆时不连续,延缓了加载初期抵抗水平荷载的能力。因此,模型NSIF比模型BSIFW的横向承载能力高出1.23倍,表明采用薄钢板对钢筋混凝土框架进行加固后的承载力会显著提高。模型NSIF的横向承载力是模型BF的1.92倍,而模型NSIFW的横向承载力是模型BF的1.56倍。模型SPIF的横向承载力是模型NSIF的3.14倍,模型SPIFW的横向承载力是模型NSIFW的2.56倍,而模型SPIF的横向承载力是模型SPIFW的1.51倍。由此可以看出,在采用了薄钢板加固的框架中,墙体开洞是导致模型横向承载力下降的一个重要因素。

　　 从钢板的张力场来分析,模型SPIFW中薄钢板的张力场倾角为45°～53°,而模型SPIF中薄钢板的张力场倾角为40°～45°,可见模型SPIFW中薄钢板的张力场倾角较模型SPIF更陡,这表明洞口的存在降低了钢板所承受的拉力,从而导致钢板与框架组合结构横向承载力的减小。另外模型SPIFW由于洞口四角处的应力集中也对钢板的受荷性能产生明显不利影响。

　　 从表1可以看出,有填充墙的框架比无填充墙的框架初始刚度明显偏大,模型NSIF和模型NSIFW的初始刚度分别为模型BF的11.5倍和10.7倍; 与未加固模型NSIF和模型NSIFW相比,采用薄钢板加固后的模型SPIF和SPIFW的初始刚度分别降低了18.3%和26.6%,其原因可能是薄钢板平面内的斜向拉力场的水平分力作用在梁柱节点及框架柱身,导致梁柱节点和框架柱身的剪力明显增加,材料屈服后抗弯刚度降低。

　　 从表1可以看出,模型NSIF的位移延性为模型BF的约2.7倍,但是,模型NSIFW的位移延性与模型BF的位移延性基本相同。原因是由于开洞洞口四角的应力集中导致填充墙很快破坏造成的。模型SPIF的位移延性仅相当于模型NSIF位移延性的61.3%,而模型SPIFW的位移延性相当于模型NSIFW的83.8%。与带有填充墙的非加固框架相比,采用薄钢板加固后的带有填充墙的框架的位移延性降低的原因与梁柱连接节点附近的严重破坏有关,而梁柱节点附近的严重破坏与薄钢板内的张力场拉力的增强有密切的关系。因此,在采用薄钢板加固钢筋混凝土框架时,对柱形成塑性铰的区域需要进一步增强,这样可以明显提高框架柱的抗剪承载力,从而提升柱承受薄钢板拉立场产生拉力的能力。

　　 从表1可以看出,模型NSIF和NSIFW的耗能能力分别为模型BF的2.36倍和1.46倍; 模型NSIF的耗能能力为模型NSIFW的1.61倍; 模型SPIF的耗能能力为模型NSIF的3.43倍; 采用薄钢板加固后的带洞口框架模型SPIFW的耗能能力为无钢板加固带洞口框架模型NSIFW的3.01倍。结果表明在弱柱情况下采用薄钢板加固框架的方法耗能能力更为明显,在使用薄钢板加固框架时,如果能对框架柱的受剪明显区域进行进一步加固处理则会获得更优的抗震性能。

　　 (1)由于填充墙的存在,模型NSIF和NSIFW的横向承载力分别为纯框架模型BF的1.92倍和1.56倍; 开洞对填充墙形成连续压杆模型产生不利影响,降低了模型NSIFW的水平承载力。

　　 (2)与模型NSIF和NSIFW相比,采用薄钢板的加固的不开洞模型SPIF和开洞模型SPIFW的水平承载力有了明显的增强; 但有洞口的模型SPIFW的水平承载力增加的有限,其原因是洞口影响了钢板拉力场效应,同时开口四角处的应力集中也影响了模型的水平承载力。

　　 (3)与纯框架模型BF相比,带有填充墙的框架模型的初始刚度明显高于纯框架模型BF。洞口对带有填充墙框架的初始刚度提升影响并不明显; 采用薄钢板加固后的模型SPSWS,相比未加固模型的初始刚度未发生显著变化。

　　 (4)模型SPIF和SPIFW的位移延性分别比模型NSIF和NSIFW低38%和16%,这归因于模型SPSWS的张力场导致的剪切效应,该效应使得梁柱节点附近产生严重的剪切破坏。因此,采用薄钢板加固框架时应考虑梁柱节点及柱身的抗剪承载力状况。

　　 (5)模型NSIF和NSIFW耗能能力分别为纯框架模型BF的2.36倍和1.46倍,开洞对模型的耗能能力影响明显。采用薄钢板加固后的钢筋混凝土框架的耗能能力显著提高,模型SPIF的耗能能力为模型NSIF的3.43倍,模型SPIFW的耗能能力是模型NSIFW的3.01倍。