阻尼支座对混凝土框架楼梯抗震性能影响的试验研究

2022-07-04彭凌云孙天威石路炜康迎杰

振动与冲击 2022年12期

刘涵，彭凌云，孙天威，石路炜，康迎杰

(1. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124；2. 清华大学土木工程系，北京 100084)

楼梯是建筑物遭遇地震时人们逃生的重要通道，因此，楼梯应具有比主体结构更好的抗震能力，以保障其在地震来临时人员的逃生作用。但传统设计中并未考虑楼梯与主体结构的相互作用，楼梯部分与主体结构整浇在一起，导致楼梯部分在地震时参与抵抗侧向力而先行破坏[1-3]。

目前学者们对传统楼梯和滑动支座楼梯研究较多。曹万林等[4-6]对普通框架结构楼梯间进行了试验研究，结果表明楼梯构件直接参与抗侧力工作，破坏较为严重；尹保江等[7]研究表明采用设置抗震墙的加固措施可以提高楼梯间的抗震性能；曹达忠等[8-9]研究了设置滑动支座楼梯框架结构的抗震性能，结果表明滑动支座释放了楼梯构件的斜撑作用，楼梯间变形能力较好，但承载力和刚度减小较多，舍弃了楼梯构件的抗侧能力，且梯板与平台梯梁没有约束，竖向翘起现象明显。

减震支座楼梯研究方面：刘一威[10]研究了耐震楼梯的设计，并提出了一种设置摩擦阻尼器的构造措施，可以减弱横向地震力的破坏作用；刘源等[11]提出了一种减震防倒塌支座楼梯的设计方法，并采用有限元软件分析了设置防倒塌支座楼梯间结构的力学性能；邹红灵等[12]采用SAP2000有限元软件分析了罕遇地震作用下框架结构刚性连接楼梯间、滑移连接楼梯间和减震连接楼梯间的地震响应，表明减震连接具有较高变形能力与水平承载力；邓雪松等[13]提出了一种带阻尼墙和减震支座的楼梯间，有限元分析软件分析表明，设置减震支座的框架结构楼梯具有较好的抗震性能和变形能力；彭凌云等[14]研究了钢框架阻尼支座楼梯，表明阻尼支座楼梯可以提高整体结构的抗震能力。

本文设计了一种设置阻尼支座的混凝土框架楼梯试件，使阻尼支座楼梯成为框架结构的第一道抗震防线，阻尼器可约束梯段板，防止其在罕遇地震下脱落，且不占用建筑额外使用空间。阻尼支座采用变形能力和塑性耗能能力较好的软钢阻尼器[15-16]。对试件进行拟静力试验研究，并与固定支座、滑动支座楼梯试验结果进行对比，研究其抗震性能。

1 试验概况

1.1 试件设计

试件以某钢筋混凝土框架结构首层的双跑板式楼梯间为原型，按缩尺比为1∶2设计，试件层高1 800 mm，轴网尺寸2 700 mm×1 500 mm。试件由底座、构成该层楼梯间的框架柱、框架梁和楼梯的梯板、梯梁、梯柱、平台板、阻尼支座等组成。试件几何尺寸、平台板配筋、梯段板配筋、截面配筋见图1。试件分2次浇筑完成，试件底座采用C45商品混凝土，其余主体部位采用C30商品混凝土，梯段板上端与平台板整体浇筑在一起，下端支承在阻尼支座上，浇筑时梯段板下端与其支承部位通过塑料薄膜隔开。

阻尼支座构造如图2所示。本文所采用的阻尼器参照文献[17]进行设计，软钢阻尼器选用Q195钢材，当阻尼器位移为28 mm时，阻尼力为3 t，其余钢材均选用Q345B。阻尼器与预埋钢板②、③通过焊接的方式连接在一起。

1.2 材性试验

混凝土抗压试验和钢筋抗拉试验按我国相关标准[18-19]进行。混凝土立方体试块和试件同时浇筑，在规范规定的同等条件下养护，并在试验当天测试混凝土试块的抗压强度。第一次浇筑的混凝土实测立方体试块抗压强度平均值为49.23 MPa，第二次浇筑的混凝土实测立方体试块抗压强度平均值为33.67 MPa。钢筋抗拉强度实测值见表1。

表1 钢筋强度实测值

图1 试件尺寸及配筋(mm)Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimen(mm)

1.3 加载方案

试验在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室进行，按JGJ/T 101—2015《建筑抗震试验规程》[20]的要求对阻尼支座楼梯进行拟静力试验，试验加载装置如图3所示。试验过程中通过2个竖向千斤顶控制框架柱的轴压比为0.4；通过设置在试件东侧的两个水平千斤顶对试件施加低周往复荷载，全程按水平位移控制、正反向对称加载，各级加载位移控制值见表2。试件开裂前，每级加载循环1次；开裂后，每级加载循环2次。当水平荷载下降至水平峰值荷载的85%以下或因变形过大而不适于继续加载时，停止加载。

图2 阻尼支座构造(mm)Fig.2 Damping support construction(mm)

图3 加载装置Fig.3 Loading setup

表2 水平加载位移控制值

1.4 量测内容

试验过程中主要量测内容包括：①框架柱顶竖向荷载；②两水平加载点的水平荷载和相应的水平位移；③半平台高度处的水平位移；④阻尼支座的水平位移和竖向位移；⑤框架柱、梯梁、梯柱及梯板的钢筋应变；⑥顶部梁柱节点的平面外位移。

2 试件破坏过程

2.1 开裂阶段

试件开裂前的刚度较大，荷载-位移曲线基本呈线性关系，试件处于弹性状态。第2级加载时，试件框架部分和楼梯构件同时出现裂缝，试件初始裂缝状态如图4所示。第2级正向加载后，框架柱KZ1出现水平裂缝如图4(b)所示，南侧梯柱TZ与梯梁TL3节点部位出现斜裂缝如图4(c)所示；反向加载后，北侧梯柱TZ与梯梁TL1交接部位出现水平裂缝。试件开裂状态表明楼梯构件与主体结构共同抵抗侧向力，阻尼支座楼梯可作为第一道抗震防线提高结构的抗震性能。

图4 试件初始裂缝状态Fig.4 Initial crack of specimen

2.2 屈服阶段

试件进入屈服阶段后的裂缝分布如图5所示。第6级正向加载时，南侧框架梁KL2梁端受拉出现水平裂缝，如图5(c)所示；第7级正向加载时，南侧梯梁TL1受反复弯剪作用出现交叉斜裂缝，如图5(b)所示；反向加载后，框架柱KZ1底部在弯矩作用下产生受拉水平裂缝，如图5(d)所示。此时，上阻尼支座出现肉眼可见的水平滑动现象，且有微弱的竖向翘起，原因在于楼层梯梁有转动，带动梯段板下端产生竖向位移。

2.3 峰值荷载阶段

第13级加载时，实测水平荷载达到峰值，试件的主要裂缝，如图6所示。梯柱受反复弯剪作用出现多条斜裂缝，呈“X”形交叉，如图6(b)所示；梯梁TL1出现大量交叉斜裂缝如图6(c)所示；框架梁KL2梁端出现大量贯通梁高的弯剪斜裂缝，裂缝不断张开闭合致使混凝土掉落，如图6(d)所示；框架柱KZ1柱底混凝土在弯矩作用下被压溃如图6(e)所示。

图5 屈服阶段试件裂缝分布Fig.5 Crack distribution at yield stage

2.4 破坏阶段

试件的破坏发生在第15级加载，最终破坏形态如图7所示。梯梁TL1在较大的弯剪作用下出现贯通梁高的斜裂缝，混凝土块脱落，钢筋外露，如图7(a)所示；框架梁KL2梁端混凝土受压破坏如图7(b)所示，加载时不断有混凝土掉落；框架柱柱底在弯矩作用下受拉水平裂缝宽度增大，受压混凝土大面积掉落。加载结束后，上梯段板仅在加载初期出现几条轻微水平裂缝，随着加载进行未明显延展及加深，表明阻尼支座有效释放了梯段板的斜撑作用，减轻了梯段板的破坏。

2.5 破坏现象对比

图8为阻尼支座楼梯与固定支座楼梯最终破坏形态对比图，固定支座楼梯图片引自赵均等的研究。由图8(a)、图8(b)可见，阻尼支座楼梯KZ4并未产生明显破坏，固定支座楼梯KZ4柱底发生严重的脆性剪切破坏，柱底混凝土压碎；由图8(c)、图8(d)可见，阻尼支座楼梯上梯段板仅有几条轻微水平裂缝，固定支座楼梯梯段板承受较大的轴力，裂缝较多，破坏较严重，；由图8(e)、(f)可见阻尼支座楼梯半层台梁柱节点仍保持完好，而固定支座楼梯梯梁承受复杂的弯剪扭作用，梁端已经断开。

图6 峰值荷载阶段试件裂缝分布Fig.6 Crack distribution at peak load stage

图7 试件最终破坏形态Fig.7 Failure pattern of specimen

图8 两种楼梯最终破坏形态对比Fig.8 Comparison of the final destruction patterns of the two stairs

3 试验结果及分析

3.1 滞回性能

图9(a)为阻尼支座楼梯两水平加载点的合力与相应水平位移平均值的滞回曲线，图9(b)为阻尼支座楼梯与固定支座、滑动支座楼梯相应的骨架曲线对比图，其中固定支座、滑动支座楼梯数据源自朱玉玉和赵均等的研究。由图9(a)可见，试件开裂前，滞回曲线为基本重合的狭长环，荷载和位移间呈线性关系，试件处于弹性工作阶段。随着水平加载位移不断增大，试件开裂，滞回曲线越来越饱满，呈现梭形，每级卸载后，有一定的残余变形，且逐渐增大，试件进入塑性阶段。加载后期，结构残余变形越来越大，荷载下降幅度较小，滞回曲线整体饱满，包围面积较大，说明阻尼支座楼梯具有较好的变形和耗能能力。

由图9(b)可以看出，固定支座楼梯加载至峰值荷载后，随着加载继续进行，刚度急剧下降，承载力也随之降低，延性较差；阻尼支座楼梯加载至峰值荷载后，刚度下降较缓慢，仍保持较好的承载能力，结构延性较好；滑动支座楼梯承载力最低，延性最好。结合试验现象，固定支座楼梯一侧框架柱发生脆性破坏，楼梯构件破坏严重，试件整体失效，导致承载力迅速下降；而阻尼支座楼梯塑性铰均产生在框架梁梁端，楼梯构件、框架柱未发生明显破坏，试件仍保持较好的承载力。

图9 滞回曲线和骨架曲线Fig.9 Hysteresis curves and skeleton curves

3.2 各阶段荷载、位移实测值

表3给出了3种楼梯结构分别在开裂、峰值荷载及破坏状态下的水平荷载、层间位移及层间位移角实测值，表中分别表示为Fc、Fu、Fd，Δc、Δu、Δd，θc、θu、θd。由表3可知：固定支座楼梯各个状态下的荷载更大，阻尼支座楼梯的峰值承载力为303.19 kN，为固定支座楼梯峰值承载力的71%，滑动支座楼梯峰值承载力最小。阻尼支座楼梯破坏时的层间位移为55.08 mm，是固定支座楼梯的145%，且前者破坏时的层间位移角为1/33，后者破坏时的层间位移角仅为1/48，表明相比于固定支座楼梯，阻尼支座楼梯具有更好的变形能力。

表3 主要阶段试验结果

3.3 刚度退化

图10为3种楼梯结构的刚度K与水平加载位移平均值Δ的关系曲线。从图10可以看出：3种楼梯结构刚度均随加载位移的增大逐渐减小，固定支座楼梯刚度最大，加载过程中刚度急剧退化，阻尼支座楼梯刚度略大于滑动支座楼梯，两种楼梯结构加载初期刚度退化较快，后期逐渐变缓，趋于稳定；正反向加载时，固定支座楼梯刚度退化不对称，阻尼支座、滑动支座楼梯基本呈对称关系。上述分析表明固定支座楼梯梯段板参与抵抗侧向力，增加了楼梯间的刚度，阻尼支座、滑动支座楼梯均有效释放了梯段板的斜撑作用，楼梯间刚度有所降低。

图10 刚度退化曲线Fig.10 Stiffness degradation curves

3.4 承载力退化

图11为3种楼梯结构的承载力退化曲线。承载力退化系数λ为同级加载位移第2次加载时峰值荷载与第1次加载时峰值荷载的比值。由图11可知：曲线整体均呈下降趋势，随着加载位移的增大，固定支座楼梯的承载力退化程度最大，阻尼支座、滑动支座楼梯的承载力退化程度较小，表明阻尼支座、滑动支座楼梯结构损伤较小。

图11 承载力退化曲线Fig.11 Degradation curves of bearing capacity

3.5 耗能能力

图12为3种楼梯结构在各级加载位移下的等效黏滞阻尼系数ζeq变化曲线。由图12可知：随着水平加载位移的增大，3种楼梯结构的等效黏滞阻尼系数曲线整体均呈上升趋势，耗能不断增加；加载初期，3种楼梯结构ζeq相差不大，加载后期，阻尼支座楼梯表现出更强的耗能能力。结合试验破坏现象可以看出，固定支座楼梯、滑动支座楼梯主要通过构件自身的损伤耗能，前者的框架柱、梯梁破坏更为严重；而阻尼支座楼梯通过阻尼支座耗散了部分能量，框架柱破坏程度较轻，破坏主要发生在框架梁和梯梁部分，楼梯构件和主体结构的损伤较小。

图12 等效黏滞阻尼系数曲线Fig.12 Curves of equivalent viscous damping coefficient

3.6 阻尼支座的水平和竖向位移

表4为试件加载过程中软钢阻尼器上端预埋钢板的水平位移和竖向位移的实测值。由表4可知，半平台处的阻尼支座水平位移约为水平加载位移的50%，表明阻尼器能够产生较大的变形，从而较好的耗散能量。当加载位移较小时，阻尼支座的竖向位移可忽略不计，由于阻尼器的竖向刚度较小，随着加载位移的增大，阻尼支座处有明显的竖向翘起现象。

表4 与软钢相连端板的水平和竖向位移

3.7 梯柱转角

由布置在距离梯柱底部30 cm高度处的水平位移计测量得到该位置的水平位移，并计算得到南北侧梯柱的转角。梯柱转角-加载位移曲线如图13所示。由图可见，梯柱转角与加载位移大致呈线性关系，正向加载时略大于负向加载；南北两侧梯柱转角较为接近，南侧梯柱转角略大于北侧梯柱转角，这是因为阻尼支座楼梯的梯段板仍有一定斜撑作用。

图13 梯柱转角曲线Fig.13 Stair column corner curve

3.8 钢筋应变发展

图14～图15为梯板纵筋和框架柱纵筋的荷载-应变(F-ε)滞回曲线。由图14、图15可知，梯板的钢筋应变处于较小的水平，未达到屈服应变0.002，说明梯板未发生明显破坏，与试验现象相符；框架柱的钢筋应变较大，已超过钢筋屈服应变，与框架柱KZ1、KZ3的柱底混凝土均被压溃、纵筋明显屈服的试验现象相符。