采空區(qū)地震耦合作用下碳纖維加固框架結(jié)構(gòu)振動臺試驗研究*

劉書賢， 王 帥， 路沙沙， 劉少棟

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院， 阜新 123000)

0 引言

煤炭開采會造成很多不容忽視的問題，特別是綜采放頂煤開采對地面建筑物產(chǎn)生很大影響[1]。煤炭開采可能會使地表產(chǎn)生變形，導(dǎo)致地表開裂、沉陷和塌陷,進而使建筑物產(chǎn)生裂縫、下陷、傾斜、扭轉(zhuǎn)直至破壞。針對這些問題，朱傳禮[2]分析了開采沉陷區(qū)框架結(jié)構(gòu)的變形性能；楊令強[3]研究了采空區(qū)對框架結(jié)構(gòu)的影響。上述研究主要針對采空區(qū)建筑物進行探究，適合非地震區(qū)。我國是一個多地震國家，而且有80%以上礦區(qū)位于地震區(qū)。這就要求在研究如何減小因煤礦采動引起地表沉陷對建筑物造成破壞的同時，還要考慮地震發(fā)生時對建筑物產(chǎn)生的破壞作用。

碳纖維具有很多優(yōu)良特性，我國很多學(xué)者對碳纖維的加固性能進行了研究，例如：王新玲[4]、江衛(wèi)國[5]、郭建明[6]、何梁華[7]、彭勝[8]、馬洪偉[9]、鎮(zhèn)斌[10]等對碳纖維加固框架結(jié)構(gòu)進行了抗震性能的相關(guān)研究和分析。結(jié)果表明，碳纖維加固提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。

綜上所述，為了探究碳纖維的加固能否減小采空區(qū)沉陷和地震耦合對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞作用，本文制作了縮尺比為1/10的框架結(jié)構(gòu)，采用碳纖維進行梁端和柱端加固。通過振動臺試驗，對比分析了未加固結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的動力特性、地震反應(yīng)等情況，探討了碳纖維加固對框架結(jié)構(gòu)的抗震和抗傾斜能力的影響。

1 模型設(shè)計與制作

1.1 相似關(guān)系(模型/原型)

本文根據(jù)相似定理，對原型結(jié)構(gòu)按照1/10比例進行縮尺。在進行結(jié)構(gòu)振動臺試驗相似設(shè)計時，要滿足相似理論。根據(jù)E.Buckingham導(dǎo)出的π定理計算可得，模型結(jié)構(gòu)主要相似系數(shù)如表1所示。

模型結(jié)構(gòu)主要相似系數(shù) 表1

1.2 模型制作

原型結(jié)構(gòu)是6層建筑，層高3 000mm，總高18 000mm，梁的截面尺寸300mm×600mm；柱截面尺寸600mm×600mm；柱距4 000mm，樓板厚度120mm，框架結(jié)構(gòu)混凝土的強度等級為C30。設(shè)防地震烈度為7度，設(shè)計地震分組為第一組，基本地震加速度為0.1g，場地類別為Ⅱ類。根據(jù)表1相似關(guān)系可得，模型尺寸為：層高300mm，柱間距400mm。在制作模型的同時，做10個與模型材料相同的標(biāo)準(zhǔn)試塊，試塊尺寸為150mm×150mm×300mm。模型養(yǎng)護完成后，對與模型同步制作的混凝土試塊進行材料性能試驗。經(jīng)測試，試塊的彈性模量為6.47×103N/mm2,即彈性模量相似常數(shù)為(6.47×103)/(3.0×104)≈1/5，應(yīng)力相似常數(shù)與彈性模量相似常數(shù)相同，Sσ=SE=1/5。模型結(jié)構(gòu)實物圖如圖1所示。根據(jù)《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 146∶2003)[11]、《碳纖維片材加固修復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 146∶2003)介紹[12]和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2016年版)[13]計算出碳纖維用量，并用其加固模型結(jié)構(gòu)。加固做法如下：在梁端粘貼碳纖維，對梁端進行U形箍加固；對柱采用環(huán)向圍束粘貼，碳纖維方向與柱軸垂直。所用粘結(jié)劑是與碳纖維配套的SKO碳膠。碳纖維性能指標(biāo)如表2所示。碳纖維所用粘結(jié)劑SKO碳膠性能指標(biāo)如表3所示。加固模型結(jié)構(gòu)實物圖如圖2所示。

圖1 模型結(jié)構(gòu)實物圖

圖2 加固模型結(jié)構(gòu)實物圖

表2

碳纖維所用粘結(jié)劑SKO碳膠性能指標(biāo) 表3

2 試驗設(shè)計

2.1 工況設(shè)計

本試驗采用未加固結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)進行對比，設(shè)計了三種工況。工況1、工況2、工況3分別對應(yīng)框架結(jié)構(gòu)傾斜2，4，6mm/m,其中單位mm/m是指建筑物的沉降值/相鄰立柱水平間距，本試驗是通過調(diào)節(jié)連接框架結(jié)構(gòu)與振動臺臺面的底座實現(xiàn)結(jié)構(gòu)傾斜[14-15]的。本文對未加固結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)在三種工況下進行7度設(shè)防地震和8度設(shè)防地震的振動臺試驗。本次試驗主要儀器規(guī)格如表4所示，振動臺基本性能指標(biāo)如表5所示。

試驗儀器規(guī)格 表4

振動臺基本性能指標(biāo) 表5

2.2 地震波的選取

原型結(jié)構(gòu)場地類別為Ⅱ類，所以試驗擬選用適合Ⅱ類場地的三種地震波，分別是El Centro波、Taft波、人工波。三種原型波后面波動較小，對結(jié)構(gòu)影響較小。根據(jù)本試驗所推導(dǎo)原型波與模型波的相似關(guān)系，分別對El Centro波、Taft波和人工波的持時、頻率范圍進行數(shù)據(jù)處理，選取15s的模型輸入波，如圖3所示。

圖3 模型輸入地震波

3 試驗現(xiàn)象及結(jié)果分析

3.1 試驗現(xiàn)象

(1)未加固結(jié)構(gòu)

工況1中，7度設(shè)防地震作用結(jié)束后，沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可見裂縫；8度設(shè)防地震作用階段，在結(jié)構(gòu)首層梁端發(fā)現(xiàn)裂縫，如圖4所示。工況2中，7度設(shè)防地震作用結(jié)束后，2層梁端出現(xiàn)裂縫且1層梁端裂縫明顯增多；8度設(shè)防地震作用結(jié)束后，1～4層均出現(xiàn)裂縫，原始裂縫持續(xù)發(fā)展，柱端出現(xiàn)斜裂縫。工況3中，結(jié)構(gòu)反應(yīng)較工況1和工況2劇烈，可以聽見結(jié)構(gòu)發(fā)出響聲，結(jié)構(gòu)損傷加重。各層均出現(xiàn)裂縫；首層裂縫發(fā)展和裂縫寬度增加尤其明顯；總體來看，首層破壞最嚴(yán)重，出現(xiàn)的裂縫最多，裂縫主要集中在梁端、柱端和節(jié)點處。

圖4 梁端裂縫

(2)加固結(jié)構(gòu)

工況1中，8度設(shè)防地震作用結(jié)束后，沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)可見裂縫。工況2中，7度設(shè)防地震作用結(jié)束后，首層梁端碳纖維處發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫發(fā)展程度較未加固結(jié)構(gòu)低。8度設(shè)防地震作用結(jié)束后，結(jié)構(gòu)1～3層出現(xiàn)裂縫。1層角柱出現(xiàn)斜裂縫，1層梁跨中出現(xiàn)橫向裂縫，如圖5所示。工況3結(jié)束后，1～5層出現(xiàn)裂縫，原有裂縫持續(xù)發(fā)展，但裂縫寬度和疏密程度均小于普通結(jié)構(gòu)。

圖5 梁跨中橫向裂縫

3.2 加速度反應(yīng)

通過對數(shù)據(jù)采集儀獲得加速度計的反應(yīng)信號進行分析處理，可以得到結(jié)構(gòu)的各層加速度。各層加速度峰值與振動臺面的加速度峰值相比，即為加速度放大系數(shù)β。加速度放大系數(shù)β隨樓層n的變化曲線如圖6所示，其中因為線路問題，6層數(shù)據(jù)損壞，本文對1～5層數(shù)據(jù)進行處理分析。由圖6可知：

圖6 加速度放大系數(shù)β隨樓層n的變化曲線

(1)各工況中，未加固結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的1層和2層加速度放大系數(shù)增量較大，說明結(jié)構(gòu)的1層和2層在地震作用下的反應(yīng)程度較大，結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重，易形成薄弱區(qū)。工況3中的加速度放大系數(shù)增量最大，說明結(jié)構(gòu)在工況3中受到的損傷較嚴(yán)重。這是因為建筑物的傾斜會產(chǎn)生偏心作用，導(dǎo)致建筑物的重心改變，產(chǎn)生了附加的傾覆力和傾覆力矩。隨著傾斜程度的不斷增加，傾覆力矩加大，對建筑物的損害也越來越大。加固結(jié)構(gòu)加速度放大系數(shù)始終大于未加固結(jié)構(gòu)，表明加固結(jié)構(gòu)的剛度較大，碳纖維加固提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度。

(2)各工況中，加固結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)曲線波動較未加固結(jié)構(gòu)平緩、均勻。說明加固結(jié)構(gòu)的整體性較好，結(jié)構(gòu)反應(yīng)較平緩。碳纖維加固減小了由于各層加速度反應(yīng)相差過大對結(jié)構(gòu)造成的局部損傷，使結(jié)構(gòu)的整體性能增加。未加固結(jié)構(gòu)的加速度放大系數(shù)增量較加固結(jié)構(gòu)大，說明未加固結(jié)構(gòu)的剛度退化較快，結(jié)構(gòu)的損傷較嚴(yán)重。這是因為碳纖維加固后，約束了混凝土的變形。碳纖維與結(jié)構(gòu)共同抵抗地震作用和結(jié)構(gòu)傾斜導(dǎo)致的偏心作用，減少了結(jié)構(gòu)的損傷，延緩了剛度的退化，增強了結(jié)構(gòu)的抗震、抗傾斜能力。

3.3 最大頂點位移

經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和計算得到最大頂點位移如表6所示。由表6可知，7度設(shè)防地震作用下：加固結(jié)構(gòu)在El Centro波作用時，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別為1.536，1.647,1.732mm，與未加固結(jié)構(gòu)相比，分別減小了0.094,0.104，0.182mm，即分別減小了5.8%,5.9%和9.5%；同理，在Taft波作用下，加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)相比，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別減小了5.1%，9.0%，10.2%；在人工波作用下，加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)相比，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別減小了4.2%，9.9%，14.9%。8度設(shè)防地震作用下：在El Centro波作用時，加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)相比，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別減小了7.2%，6.0%，14.1%；在Taft波作用時，加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)相比，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別減小了5.6%，9.0%，12.4%；在人工波作用時，加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)相比，工況1、工況2、工況3的最大頂點位移分別減小了3.4%，7.3%，12.5%。

由計算結(jié)果可知：

(1)加固結(jié)構(gòu)在7度或者8度設(shè)防地震作用下，與未加固結(jié)構(gòu)相比，各工況的最大頂點位移均有所減小。這是因為碳纖維約束了結(jié)構(gòu)的變形，在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)能力，增強了結(jié)構(gòu)的抗傾斜能力；在同種工況中，隨著傾斜程度和地震等級的增加，最大頂點位移均增大，對結(jié)構(gòu)造成的損傷加大。

最大頂點位移/mm 表6

(2)隨著傾斜程度的增大，結(jié)構(gòu)的頂點最大位移減小的比例增大。這是因為碳纖維的抗拉強度大，隨著結(jié)構(gòu)傾斜程度的增大，結(jié)構(gòu)受到的偏心作用增大，傾覆力矩增大，結(jié)構(gòu)的變形增大；這時碳纖維受到的力也增大，使碳纖維自身的抗拉能力得到更好地發(fā)揮，結(jié)構(gòu)的整體性能得到提高，從而增強了結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗傾斜能力。

(3)最大頂點位移均出現(xiàn)在工況3中，未加固結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)較加固結(jié)構(gòu)強烈。未加固結(jié)構(gòu)和加固結(jié)構(gòu)的最大頂點位移分別為2.217mm和1.904mm。加固結(jié)構(gòu)的最大頂點位移比未加固結(jié)構(gòu)減小0.313mm，說明碳纖維加固后使結(jié)構(gòu)的整體剛度得到提高。El Centro波作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)最大，這可能是因為三種地震波中的El Centro波的頻率與結(jié)構(gòu)的頻率相近，產(chǎn)生了共振反應(yīng)。

3.4 層間位移角

各工況加固結(jié)構(gòu)與未加固結(jié)構(gòu)層間位移角θ隨樓層n的變化曲線如圖7所示，對比如表7所示。

圖7 層間位移角θ隨樓層n的變化曲線

(1)從表7和圖7可以看出，各工況的最大層間位移角都是出現(xiàn)在首層，說明結(jié)構(gòu)薄弱層在首層。3～5層的層間位移角較小，1～2層的層間位移角較大，說明結(jié)構(gòu)的大變形主要集中在低樓層。因此，對結(jié)構(gòu)進行設(shè)防保護時，要重點考慮低樓層尤其是首層。各工況的層間位移角隨樓層變化曲線波動最大和層間位移角最大值均是在工況3中出現(xiàn)，表明在工況3中，結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重?？梢钥闯觯瑑A斜程度越大，結(jié)構(gòu)自身破壞越大，抗震能力越弱。

(2)由表7可知，結(jié)構(gòu)在三種工況下遭受地震作用時，加固結(jié)構(gòu)的層間位移角均小于未加固結(jié)構(gòu)。由此可以得出，碳纖維加固很好地控制了結(jié)構(gòu)的變形，使各樓層的層間位移有所減小，在一定程度上使結(jié)構(gòu)的延性得到了優(yōu)化。

層間位移角對比 表7

4 結(jié)論

(1)碳纖維加固有效地提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，增強了結(jié)構(gòu)的整體性能，提高了結(jié)構(gòu)的抗震、抗傾斜能力。

(2)碳纖維加固后，最大頂點位移減小的最大百分比為14.9%，最大層間位移角減小的最大百分比為19.1%。碳纖維很大程度上約束了混凝土的變形，使結(jié)構(gòu)的延性得到優(yōu)化，同時也體現(xiàn)了碳纖維加固的有效性。

(3)在遭受地震作用時，建筑物傾斜程度越大，結(jié)構(gòu)損傷越嚴(yán)重。碳纖維加固后，延緩了結(jié)構(gòu)剛度的退化，提高了結(jié)構(gòu)的安全性能。