預(yù)制混凝土裝配式電梯井抗震性能試驗(yàn)研究*

張亞飛，方 林，楊 博，盧 旦

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

采用裝配式預(yù)制構(gòu)件增設(shè)電梯技術(shù)，可提高施工效率、縮短工期、降低建造成本。目前我國(guó)對(duì)既有建筑增設(shè)電梯大多采用傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)井道方式。董有[1]研究了既有建筑增設(shè)電梯的不同形式，模塊化預(yù)制加裝電梯是目前性價(jià)比較高的加梯方式之一。申建國(guó)等[2]研發(fā)了便捷式安裝和運(yùn)輸?shù)募友b鋼結(jié)構(gòu)電梯井道，將井道鋼結(jié)構(gòu)模塊化，提高了施工效率，實(shí)現(xiàn)了井道的現(xiàn)場(chǎng)快速安裝，安全可靠。林宏偉[3]研究了弧梁鋼框架電梯井道的整體穩(wěn)定性，結(jié)果表明該類型電梯井道僅適用于非抗震地區(qū)。劉立新等[4]基于ANSYS對(duì)快裝式鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行了仿真計(jì)算研究，結(jié)果表明考慮動(dòng)荷載時(shí)，試驗(yàn)中的節(jié)點(diǎn)采取穩(wěn)固、牢靠的連接方式，可保證安全性。楊春強(qiáng)[5]對(duì)多層住宅樓新增鋼結(jié)構(gòu)電梯井道進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，由于其剛度較小，在風(fēng)壓等水平荷載作用下產(chǎn)生變形較大，嚴(yán)重時(shí)將影響電梯的正常運(yùn)行，應(yīng)選用足夠剛度的結(jié)構(gòu)平面。陳浩等[6]對(duì)層疊式預(yù)制電梯井結(jié)構(gòu)抗裂數(shù)值進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明，吊裝過(guò)程中混凝土自身抗裂與吊裝工具安全性均能得到保障。楊湘航[7]對(duì)比分析了框架結(jié)構(gòu)設(shè)置的電梯井類型。

基于設(shè)計(jì)及施工條件[8]限制，電梯井道可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)電梯井和鋼結(jié)構(gòu)電梯井。這類電梯井道構(gòu)造雖在理論和試驗(yàn)結(jié)果上均滿足承載力、抗震性能等設(shè)計(jì)要求，但鋼筋混凝土電梯井道與原結(jié)構(gòu)連接后會(huì)對(duì)建筑物的整體抗震性能產(chǎn)生較大影響；鋼結(jié)構(gòu)電梯井道垂直，剛度較小，在風(fēng)壓等水平荷載作用下產(chǎn)生變形較大。隨著裝配式建筑的發(fā)展，傳統(tǒng)電梯井現(xiàn)場(chǎng)澆筑逐漸被預(yù)制構(gòu)件取代。本文提出一種模塊化預(yù)制混凝土加裝電梯井道形式，設(shè)計(jì)并現(xiàn)場(chǎng)拼裝完成該裝配式電梯井道；通過(guò)擬靜力試驗(yàn)，測(cè)試裝配式井道的承載力、變形能力、延性及滯回性能，可為模塊化預(yù)制混凝土加裝電梯井設(shè)計(jì)及施工提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

試件為2層預(yù)制混凝土裝配式電梯井，如圖1所示，每層均由電梯井道和連廊框架組成。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5種構(gòu)件：電梯井道背側(cè)墻板A，截面尺寸為2.2m×3m；井道側(cè)墻板構(gòu)件B，尺寸為1.4m×3m；井道門側(cè)墻板C，尺寸為2.2m×3m；連廊板D，尺寸為1.23m×2.2m；連廊框架構(gòu)件E，尺寸為2.2m×6m。墻板厚200mm，連廊板厚100mm。連廊板兩端由尺寸為300mm×200mm的連梁與電梯井相連。

圖1 新增電梯井道構(gòu)件組合示意

預(yù)制混凝土裝配式電梯節(jié)點(diǎn)的制作過(guò)程為：井道側(cè)墻板兩端與井道背側(cè)墻板從上到下均勻布置U形鋼筋，將預(yù)制構(gòu)件的U形鋼筋錯(cuò)位搭接形成套箍；在套箍四角穿插垂直方向通長(zhǎng)鋼筋，澆微膨脹混凝土實(shí)現(xiàn)預(yù)制構(gòu)件鋼筋的連接，如圖2a所示。井道側(cè)墻板與連廊板節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱縱筋間布置封閉環(huán)形的鋼筋，并與連廊板梁端U形縱筋相互形成搭接，從而在梁端形成一對(duì)U形環(huán)扣，在環(huán)扣四角垂直布置通長(zhǎng)鋼筋，梁端鋼筋U形環(huán)扣連接段箍筋加密，如圖2b所示。節(jié)點(diǎn)為鋼筋U形環(huán)扣連接，在鋼筋彎折錨固的基礎(chǔ)上通過(guò)成對(duì)U形鋼筋形成互錨，一組U形鋼筋彎弧內(nèi)側(cè)的混凝土處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，有效利用了混凝土的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行連接，保證節(jié)點(diǎn)的可靠性。有箍筋約束時(shí)，箍筋圍合區(qū)混凝土處于三向受壓狀態(tài)。利用U形環(huán)扣鋼筋進(jìn)行傳力，由于環(huán)扣鋼筋在混凝土中的錨固長(zhǎng)度較短，構(gòu)件受力后鋼筋周邊的混凝土很快因咬合失效而退出工作，鋼筋的錨固力由混凝土及角部橫向插筋對(duì)環(huán)形鋼筋的法向力分量提供，范圍為從裂縫到橫向插筋[9]。

圖2 試件節(jié)點(diǎn)三維連接構(gòu)造

1.2 加載裝置與方案

試驗(yàn)在準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試采集系統(tǒng)上完成，加載裝置如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)采用半灌漿套筒工藝對(duì)預(yù)制裝配式電梯底端灌注混凝土，與底部支座連接，底部支座通過(guò)穿插連接螺栓固定于試驗(yàn)臺(tái)座。連廊底端柱腳布置地梁，由螺栓固定柱腳。在2層電梯井道端口安放夾具，通過(guò)鋼拉桿與作動(dòng)器拉結(jié)，從而保證加載往復(fù)水平拉壓過(guò)程中荷載的有效傳遞。通過(guò)固定于反力墻的電液伺服作動(dòng)器對(duì)裝配式電梯井道頂部施加橫向水平力。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)前，在裝配式電梯井道頂部節(jié)點(diǎn)核心區(qū)施加橫向荷載，并穩(wěn)載；利用電液伺服作動(dòng)器對(duì)電梯井道頂端施加水平地震作用。

采用單調(diào)往復(fù)試驗(yàn)，以5mm位移作為初始加載距離往復(fù)加載。5～70mm加載位移，每級(jí)荷載循環(huán)3圈，加載周期為100s/圈；80～100mm加載位移，每級(jí)荷載循環(huán)3圈，加載周期150s/圈。待每次加載穩(wěn)定2min后采集數(shù)據(jù)。

通過(guò)位移傳感器測(cè)量裝配式電梯井道2層頂端與連廊連接處側(cè)面的位移。試驗(yàn)時(shí)可連續(xù)測(cè)量和自動(dòng)記錄，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果分析

2.1 擬靜力試驗(yàn)

試驗(yàn)以5mm位移作為加載起點(diǎn)，采用位移控制加載。裝配式電梯井道頂端水平力采用垂直方向加載，電梯井道頂點(diǎn)水平位移加至20mm時(shí)，荷載和位移曲線斜率呈直線變化，電梯井道處于彈性工作階段。

加至30mm時(shí)，墻體與1層底座交接處出現(xiàn)細(xì)微橫向裂縫，卸載后裂縫基本閉合；加至60mm時(shí)，左后、左前柱底出現(xiàn)裂縫。2層連梁兩端出現(xiàn)裂縫，后方平臺(tái)梁左端出現(xiàn)裂縫，前右平臺(tái)板后澆混凝土開裂。隨著施加在電梯井道上的位移逐漸增大，左前柱底新增裂縫，2層連梁裂縫擴(kuò)展，2層前右平臺(tái)板后澆混凝土裂縫擴(kuò)展，后右平臺(tái)板后澆混凝土開裂，卸載后裂縫可閉合，電梯井道進(jìn)入彈塑性工作階段。

電梯井道頂點(diǎn)水平位移加至90mm時(shí)，2層連梁兩端裂縫擴(kuò)展，右側(cè)損壞較嚴(yán)重。屋面連梁兩端出現(xiàn)裂縫，并進(jìn)一步擴(kuò)展。2層前右平臺(tái)板后澆混凝土裂縫擴(kuò)展，后右平臺(tái)板后澆混凝土裂縫擴(kuò)展，后方平臺(tái)梁左端裂縫擴(kuò)展；墻體底部后澆混凝土裂縫擴(kuò)展；連梁右側(cè)受壓區(qū)混凝土開始剝落，損壞較嚴(yán)重。電梯井道頂點(diǎn)水平位移加至100mm時(shí)，2層連梁頂面混凝土被壓碎、右端被壓潰后脫落，梁縱筋外露，破壞嚴(yán)重，試件加載完畢。試件最終破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 試件最終破壞形態(tài)

2.2 擬靜力滯回曲線

繪制荷載-位移滯回曲線如圖5所示。由圖5可得，裝配式電梯結(jié)構(gòu)耗能能力和承載能力呈反“S”形變化，滯回曲線形狀不飽滿，說(shuō)明裝配式電梯井吸收地震能量的能力較差。反復(fù)加載的前幾個(gè)循環(huán)過(guò)程中，連梁受壓區(qū)混凝土尚未產(chǎn)生損傷，殘余變形較小，變形恢復(fù)好，卸載后變形曲線可返回至原點(diǎn)附近，滯回曲線呈捏攏狀。加載的前幾個(gè)循環(huán)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài), 構(gòu)件開裂后曲線偏離原來(lái)的直線,呈曲線形態(tài)。加載過(guò)程中, 曲線斜率隨荷載的增大而減小,且減小程度逐漸加快,說(shuō)明反復(fù)荷載作用下電梯井剛度不斷退化。同時(shí)，滯回環(huán)面積持續(xù)增加，說(shuō)明裝配式電梯井梁端鋼筋U形環(huán)扣連接節(jié)點(diǎn)的耗能能力良好。

圖5 電梯井荷載-位移滯回曲線

2.3 骨架曲線

裝配式電梯井荷載-位移骨架曲線[10]如圖6所示。由圖6可知，骨架曲線在達(dá)到開裂荷載前為直線，最大荷載為288kN，荷載隨著加載位移的增加而增大，試件由彈性階段進(jìn)入屈服階段，待荷載達(dá)到曲線峰值點(diǎn)處，加載位移約70mm。持續(xù)加載，曲線開始向下彎曲，試件進(jìn)入破壞階段，此時(shí)，測(cè)得破壞荷載為436kN，約為峰值荷載(494kN)的88%。

圖6 電梯井荷載-位移骨架曲線

2.4 延性

通過(guò)擬靜力試驗(yàn)，可測(cè)得裝配式電梯井2層屈服位移和最大位移，從而求得電梯井層間屈服位移角、層間最大位移角和位移延性系數(shù)[11]。位移延性系數(shù)>3，說(shuō)明裝配式混凝土節(jié)點(diǎn)采用鋼筋U形環(huán)扣連接能有效抑制連梁混凝土裂縫的開展，增大裝配式電梯井整體變形能力。

加載后期2層層間(裝配式電梯整體)最大位移角為1/60(見(jiàn)表1)，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016年版)罕遇地震作用下層間彈塑性位移角限值,而此時(shí)連梁預(yù)先破壞嚴(yán)重，柱未達(dá)到極限狀態(tài)，構(gòu)件損失亦不嚴(yán)重，說(shuō)明預(yù)應(yīng)力裝配式電梯井具有良好的抗震性能。

表1 裝配式電梯整體位移與整體轉(zhuǎn)角

2.5 耗能能力

耗能能力是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo)，由荷載-變形滯回曲線所包圍的面積來(lái)衡量(見(jiàn)圖7)。通常用能量耗散系數(shù)E或等效粘滯阻尼系數(shù)ζeq來(lái)評(píng)價(jià)[12]。能量耗散系數(shù)E計(jì)算公式如下：

圖7 荷載-變形滯回曲線

(1)

式中：S(ABC+CDA)為滯回曲線所包圍的面積；S(OBG+ODH)為三角形OBG與ODH的面積之和。

取每級(jí)加載的第1次滯回環(huán)包絡(luò)面積計(jì)算能量耗散系數(shù)，如圖8所示。

圖8 能量耗散系數(shù)曲線

由圖8可知，加載位移至20～30mm處時(shí)，該構(gòu)件能量耗散系數(shù)隨位移的增大而急劇上升，墻體與底座交接處出現(xiàn)橫向拉開裂縫。裂縫隨加載慢慢展開，能量耗散系數(shù)有所回落，待加載至連梁破壞，能量耗散系數(shù)穩(wěn)定上升。

2.6 剛度

加載前，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度較大，在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，保持相同峰值荷載時(shí)，峰值點(diǎn)位移隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，呈現(xiàn)出剛度退化的現(xiàn)象。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，試件剛度可用割線剛度來(lái)表示，割線剛度Ki應(yīng)按下式計(jì)算：

(2)

式中：Fi為第i次循環(huán)最大荷載值；Δi為第i次循環(huán)最大荷載值所對(duì)應(yīng)的位移。

剛度退化曲線如圖9所示，由圖9可知，正、負(fù)向剛度退化趨勢(shì)基本一致，構(gòu)件加載位移至30mm時(shí)，由于墻體與底座交接處拉開裂縫的發(fā)展，剛度快速退化。隨著位移持續(xù)加載，連梁裂縫發(fā)展明顯，破壞嚴(yán)重，剛度退化趨于平緩。

圖9 剛度退化曲線

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)裝配式電梯井進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，分析裝配式電梯井在地震下的延性、耗能能力和剛度退化等抗震性能，可得到以下結(jié)論。

1)在橫向與垂直方向水平力往復(fù)加載的作用下，加載位移至60mm時(shí)，2層連梁兩端出現(xiàn)裂縫，隨著加載位移持續(xù)增加，連梁混凝土被壓碎，率先發(fā)生破壞，此時(shí)柱未達(dá)到極限狀態(tài)。說(shuō)明裝配式電梯井可保證地震時(shí)連梁預(yù)先破壞的模式，依靠連梁破壞耗能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在中震時(shí)可修的目標(biāo)。

2)裝配式電梯井節(jié)點(diǎn)處連接采用鋼筋U形環(huán)扣連接試件，處于三向受壓狀態(tài)，有效利用混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行連接，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接強(qiáng)度，提高裝配式電梯井整體的抗震性能。

3)裝配式電梯井2層層間位移角達(dá)到 1/60時(shí), 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)基本完好,柱未見(jiàn)明顯損傷,此時(shí)連梁預(yù)先發(fā)生嚴(yán)重破壞，而框架梁未產(chǎn)生較嚴(yán)重破壞, 表明預(yù)制混凝土裝配式電梯框架具有良好的變形能力和抗倒塌能力。