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评估和改进现有钢筋混凝土框架的全尺寸模型
ARTUR V. PINTO
ELSA实验室，联合研究中心，欧洲委员会2120 Ispra (VA)，意大利
FABIO TAUCER
欧洲委员会联合研究中心ELSA实验室2120 Ispra (VA)意大利
摘要:本文介绍了两个具有代表性的既有非抗震钢筋混凝土框架结构的足尺模型的拟动力试验。测试计划涵盖了几个方面，即评估现有框架的抗震性能，无填充板和有填充板，裸框架的翻新使用选择性的翻新技术，填充板的加固使用喷射混凝土和框架的翻新使用k支撑与剪切连接消散器。对PSD试验的主要结果进行了总结和讨论，并得出了结论。对裸露和填充框架的测试显示了60年代建造的现有结构的高度脆弱性，并证实了填充板的有利影响。在抗震性能方面的重要的改进，是通过改造框架实现的。然而，加固薄弱框架中现有的填充板可能会导致危险的“局部”故障，如外部柱的剪切等。
关键词:拟动力试验;现有的钢筋混凝土结构;地震的评估;地震改造;框架和填充框架
______
Artur V. Pinto，ELSA实验室，TP 480，联合研究中心，21020 Ispra（VA），意大利； 电子邮件：artur.pinto@jrc.it
S.T. Wasti和G.Ozcebe（编辑），《降低城市风险的地震工程》，第353-367页。
copy;2006年施普林格。印刷于荷兰。
A.V. PINTO AND F. TAUCER
1、介绍
在图标研究网络评估和改造现有结构研究计划(Pinto 1998)的框架内，全尺寸钢筋混凝土框架在ELSA实验室进行了伪动态测试。为了评估裸露和填充结构的脆弱性，并研究各种翻新方案/技术，对欧洲地中海国家60年代设计和施工实践的两种代表性框架进行了测试。
测试框架的设计是由Carvalho等人(1999)在LNEC完成的。裸露框架的改造方案是由Elnashai和Pinho(1999)设计的，基于合理的干预，平衡强度、刚度和延性。由Bouwkamp et al.(2001)设计的K形支撑与剪力杆耗散器串联的改造方案。此外，还测试了带有加强填充板的填充框架(Pinto et al.， 2002b)。使用喷射混凝土通过预埋钢网的混凝土层对砌体板进行加固(Pinto et al，2002b)。
全尺寸模型承受的输入运动强度不断增加，直至失效。
本文介绍了试验结构、试验装置和荷载，并介绍了在ELSA实验室进行的拟动力试验(PSD)的主要结果和结论。
2、钢筋混凝土框架的设计和施工
结构总体布置如图1所示;4层钢筋混凝土框架，每层有3个隔间;两个跨度为5m，一个跨度为2.5m。层间高2.7 m，与梁一起浇筑0.15m厚板，每边2m。在所有楼层都考虑了等梁（几何和配筋），所有柱（除了较宽的内部柱）沿结构高度（0.40或0.3 mtimes;0.20 m）具有相同的几何特征。竖立的圆柱具有矩形横截面，第一层和第二层的尺寸为0.60 mtimes;0.25 m，第三层和第四层的尺寸为0.50 mtimes;0.25 m。沿加载方向的所有梁的宽度为0.25 m，深度为0.50 m，而横向梁的宽度为0.20 m，深度为0.50 m。应注意柱钢筋的接头和箍筋细节，因为它们代表了非延性钢筋混凝土结构中常见的限制不足。所有（四根）立柱的纵向钢筋在第一层和第三层的底部都有搭接（700毫米）。
现有钢筋混凝土框架的试验
图表 1混凝土框架和砖石填充建筑物的平面图和立面图
在设计阶段(Carvalho et al., 1999)考虑使用的材料是C16/20级低强度混凝土和FeB22k级（意大利标准）的光滑钢筋（圆钢）。对用于建筑结构的材料的样品进行了测试，并获得了以下结果：
a）混凝土-所有浇铸阶段的平均强度值， = 15 MPa，
b）钢筋（平均值）-屈服应力， = 350 MPa，极限强度， = 453 MPa，极限变形，= 24％（标准值： = 250 MPa， = 365 MPa）。
考虑到平行框架的间距为5.0m(框架模型包含4.0m宽板，需要增加竖向荷载，考虑到缺板部分，需要增加竖向荷载)，定义竖向荷载是为了模拟框架自重以外的自重。这些附加竖向荷载为:板重:25times;0.15 =3.75 kN/msup2;;装修重量:0.75 kN/msup2;;横梁重量:2.5 kN/m;砌体填充重量:墙体面积1.1 kN/msup2; (认为这些墙体同时存在于纵梁和横梁上)。活荷载也包括在附加竖向荷载的一部分，达到1.0 kN/msup2; (准永久值)。
输入被定义为欧洲中高地震危险情景的代表（Pinto，1998）的地震运动。使得人为地产生了危害一致的（持续了15秒）的加速时间序列，为了增加重现期生成了一组12个统一的危害反应谱。伪动力学试验中使用的加速度时程分别对应于475、975和2000年重现期的0.22、0.29和0.38g PGA地震。
3、裸框架（BF）试验
对裸框架进行了一次对应于475年重现期（475-yrp）的PSD地震试验，随后进行了第二次输入运动为975年重现期的PSD试验。这些试验的结果以楼层位移为单位，如图2所示。由于3楼即将倒塌，975-yrp试验在15秒加速度记录的7秒处停止（参见图3中3楼矮立柱的详细信息）。楼层剪力图与楼层位移图（对于所有楼层）如图4所示。
图表 2楼层位移时程-BF试验：475-yrp和975-yrp
图表 3四层R/C模型：a） 安装阶段总图（左），b） 3楼矮立柱钢筋（搭接）（中间），c） 在BF975试验期间，钢筋端搭接区3层的柱破坏
图表 4：BF475和BF975的楼层剪切-位移图
4、选择性改良试验（SR）
在对裸框架进行了两次地震试验后，修复了结构的受损部分。去除了“剥落”的混凝土，用环氧树脂注入裂缝，清洁表面，并采用伦敦帝国理工学院研究小组提出的选择性改造方案（Elnashai和Pinho，1999；Pinho，2000）。
选择性的改造方案对内部宽柱（矮立柱）采取了两种类型的干预措施。在第3层和第4层的宽柱中实施了仅强度干预，以减少在第3层验证的抗弯承载力之间的较大差异。这种干预方案包括使用嵌入非结构混凝土中的外部钢筋（出于保护目的）。此外，由于预计需要较大的非弹性变形，所以仅对前三层的宽柱进行了延性干预。这种干预是通过在关键区域（构件底部和顶部）添加外部限制钢板来实现的。此外，为了将剪切破坏的风险降至最低，还在柱的中间高度添加了附加板。
选择性改良(SR)框架的初始测试方案与裸框架(BF)方案类似。但是，考虑到SR975试验的结果，对结构的需求和损伤都比较小，决定再进行一次强度更高的试验。该试验预计会对结构造成更严重的破坏，而不会影响该试件下一个加固方案(带有剪切杆的k型支撑)的结构完整性。这次高强度试验采用了2000年重现期的地震。475-yrp和2000-yrp试验的楼层位移时程见图5，位移和剪力的最大值见表1。
图表 5楼层位移时程（mm）-SR试验：475-yrp和2000-yrp
5、裸框架-原始（BF）与选择性改良（SR）的对比
虽然量化BF和SR试验需求和极限承载力很重要，但强调提供给框架的改造解决方案的有效性也很有用。
在裸框架上进行的试验表明，层间位移需求的集中从而导致了3层中矮立柱的损坏（图3）。在结构中形成了三铰机构，主要是由于横截面尺寸的变化和坚固中心柱的加固导致其刚度和强度的垂直不规则性。选择性改造解决了结构的不规则问题（见图6）。尽管475-yrp试验的BF和SR位移要求之间不存在实质性差异，但975-yrp试验对于改良框架来说不存在有裸框架的3层位移，可比较的顶部位移要求是由于改装框架中更均匀的层间位移造成的。此外，改装后的框架能够承受相当于1.8倍标准强度的输入运动强度（以PGA计），而无倒塌和可修复损伤，而裸框架在975-yrp试验期间发生了倒塌，相当于承受了1.3倍标准强度的输入运动强度。（PGA=2.18 m/ssup2;）。
图表 6(a)裸框架(BF)(左)及(b)改良框架(SR)的最大层间位移剖面
从剪切-位移图中可以看出，第3层剪力的峰值位移为1.8%，随后强度显著下降(即将坍塌)。此外，当层间位移约为0.4%时，第1层和第3层(叠接区)的立柱存在过早剪切破坏的迹象。对另一个带有填充板的框架的试验也表明，在1层位移为0.4%时柱开始产生剪切开裂，在层间位移达到1.3%时产生严重(危险)剪切开裂。
SR试验的结果表明，经过改良后的构件抗震性能得到了很大的改善。改良后解决了中心柱的受力不均匀问题，加围板有效提高了中心柱的极限变形能力。事实上，在三次地震试验中，前三层的位移要求分布较为均匀，且达到的值远高于裸框架试验的值。第一层和第二层分别达到了2.8和3.0%的层间位移，且没有损失承载能力。需要注意的是，第一层的位移是原(未改造)框架最终位移的两倍。因此，可以得出，一层的变形能力至少是结构原有变形能力的两倍(值见表1)。
在原有（BF）框架和改良后的（SR）框架的试验活动中，还有其他方面的注意事项需要强调，即：1）正如预期的那样，所有试验中只有强梁弱柱变形/耗散机制（楼层机制）被激活。然而，对于改造后的框架，梁的要求明显略高；2）构件端部的非弹性要求非常集中，导致了等效塑性铰长度远低于文献中提出的经验值（计算的塑性铰长度为经验值的40%）。这是光滑圆钢筋粘结性能差的直接后果，这导致构件（梁和柱）端部变形集中的极高滑动；3）板参与计算值也远低于设计规范中提出的值，也低于设计规范中提出的根据使用波纹钢筋的建筑结构试验估算的值（大约低45%）。这也是板中使用的光滑圆钢筋粘结性能差的直接后果；4）试验结果证实，柱脚处的搭接拼接，特别是在现有结构中，端部带有弯钩的光滑圆形钢筋，细节设计差，剪切/约束配筋率低，对于约0.4%的层间位移，在钢筋终止区形成早期剪切裂缝。这种剪切裂缝表明，在1.3~1.8%的范围内，层间位移会导致柱的危险剪切破坏。
表1 所有地震试验的最大位移和基底剪力值
6、砌体（砖）填充框架（IN）
研究人员还建造了一个相同的钢筋混凝土框架，并进行了一系列的地震试验。图1显示了结构的总体布局，包括填充板以及开口的类型和位置。150 mm厚的填充墙（非承重）是转移钢筋混凝土框架后在ELSA实验室内浇筑和建造的。采用了具有代表性的材料和施工工艺，即：水平穿孔的意大利空心粘土（陶瓷）砌块，其尺寸为：厚0.12 m，长0.245 m，高0.245 m。根据欧洲规范6中砌块的分类，空心砌块属于第3组。填充墙采用块体单元铺设在0.120mtimes;0.245m的工作面上，孔沿水平方向（0.12m厚）延伸。垂直和水平接缝的砂浆接缝厚度约为1.5 cm。墙的两边都涂了一层1.5厘米厚的灰泥。用于垫层接缝和灰泥的砂浆，都是以1:4.5的比例手动制备的相同的砂浆（水硬性粘合剂：砂）。
填充框架试件分别进行了475年、975年和2000年重现期的三次连续PSD地震试验。在2000年重现期的PSD试验期间，第一层的砌体填充物倒塌，试验在~5秒时停止。这些试验的结果在图7中给出了楼层位移和最大层间位移剖面。
总体而言，在475-yrp的试验中，填充框架结构表现出了良好的性能。横向整体位移仅为0.08%（屋顶位移除以框架高度）。最大层间位移发生在第一层（地面），等于0.12%，并且随着楼层高度的增加而减小，在第四层的值约为0.07%。正如所料，与这些位移水平相对应的损害程度很小。一层的滞后回线（剪力与位移）表明，试件刚开始出现明显的损坏，而在本试验中几乎达到了最大层间抗剪强度。
图表 7 SR 975 yrp试验的楼层位移时程
975-yrp的地震对混凝土框架底层的砌体填充物造成了很大的破坏，梁柱接头和该层的几根柱也受到了一些轻微的破坏。在2楼的类似位置只发现了少量损坏，在上面两层没有观察到明显的损坏。然而，主要的区别是在填充板上观察到的。在975-yrp试验期间，所有3个1层填充板的剪切开裂变得显著。这在楼层剪力与位移滞后回线中也很明显。当层间位移为0.15%时，第一层剪切强度约为800 kN，当层间位移为0.4%时，剪切强度约为650 kN。第二层的滞后回线也表明达到了极限层抗剪强度（约800 kN），但观察到的软化很少，因为该层的负向位移从未超过0.2%，正向位移从未超过0.3%。上两层的楼层位移基本上从未超过0.1%的位移，因此楼层滞后回线中没有表现出明显的非弹性行为，这与试验结束时这两层中没有观察到的损伤一致。综上所述，在试验结束时，发现混凝土框架的所有构件和上部三层的填充物都处于良好状态。一楼的填充物被严重损坏——太多了，不更换就无法翻新。
经过975-yrp的试验，填充框架已成为一种软弱层填充框架结构。然而，为了研究侧向强度是如何随着位移的增加而下降的，它还是受到了2000-yrp的地震信号的影响。为了保护框架并确保后续的改良技术试验可以在原结构上进行，一旦地面层位移达到大约1.5%，200-yrp试验将在大约6秒后终止。楼层剪力与位移滞后回线清楚地表明，当位移增加到超过1%的值时
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