預制混凝土裝配式電梯井抗震性能試驗研究*

張亞飛，方 林，楊 博，盧 旦

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018；2.華東建筑設計研究院有限公司，上海 200002)

0 引言

采用裝配式預制構件增設電梯技術，可提高施工效率、縮短工期、降低建造成本。目前我國對既有建筑增設電梯大多采用傳統的混凝土結構和鋼結構井道方式。董有[1]研究了既有建筑增設電梯的不同形式，模塊化預制加裝電梯是目前性價比較高的加梯方式之一。申建國等[2]研發了便捷式安裝和運輸的加裝鋼結構電梯井道，將井道鋼結構模塊化，提高了施工效率，實現了井道的現場快速安裝，安全可靠。林宏偉[3]研究了弧梁鋼框架電梯井道的整體穩定性，結果表明該類型電梯井道僅適用于非抗震地區。劉立新等[4]基于ANSYS對快裝式鋼結構電梯井道進行了仿真計算研究，結果表明考慮動荷載時，試驗中的節點采取穩固、牢靠的連接方式，可保證安全性。楊春強[5]對多層住宅樓新增鋼結構電梯井道進行分析與設計，由于其剛度較小，在風壓等水平荷載作用下產生變形較大，嚴重時將影響電梯的正常運行，應選用足夠剛度的結構平面。陳浩等[6]對層疊式預制電梯井結構抗裂數值進行了計算分析，結果表明，吊裝過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]對比分析了框架結構設置的電梯井類型。

基于設計及施工條件[8]限制，電梯井道可分為鋼筋混凝土結構電梯井和鋼結構電梯井。這類電梯井道構造雖在理論和試驗結果上均滿足承載力、抗震性能等設計要求，但鋼筋混凝土電梯井道與原結構連接后會對建筑物的整體抗震性能產生較大影響；鋼結構電梯井道垂直，剛度較小，在風壓等水平荷載作用下產生變形較大。隨著裝配式建筑的發展，傳統電梯井現場澆筑逐漸被預制構件取代。本文提出一種模塊化預制混凝土加裝電梯井道形式，設計并現場拼裝完成該裝配式電梯井道；通過擬靜力試驗，測試裝配式井道的承載力、變形能力、延性及滯回性能，可為模塊化預制混凝土加裝電梯井設計及施工提供一定的理論基礎。

1 試驗準備

1.1 試件設計及制作

試件為2層預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。試驗共設計5種構件：電梯井道背側墻板A，截面尺寸為2.2m×3m；井道側墻板構件B，尺寸為1.4m×3m；井道門側墻板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 新增電梯井道構件組合示意

預制混凝土裝配式電梯節點的制作過程為：井道側墻板兩端與井道背側墻板從上到下均勻布置U形鋼筋，將預制構件的U形鋼筋錯位搭接形成套箍；在套箍四角穿插垂直方向通長鋼筋，澆微膨脹混凝土實現預制構件鋼筋的連接，如圖2a所示。井道側墻板與連廊板節點核心區柱縱筋間布置封閉環形的鋼筋，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U形環扣，在環扣四角垂直布置通長鋼筋，梁端鋼筋U形環扣連接段箍筋加密，如圖2b所示。節點為鋼筋U形環扣連接，在鋼筋彎折錨固的基礎上通過成對U形鋼筋形成互錨，一組U形鋼筋彎弧內側的混凝土處于受壓應力狀態，有效利用了混凝土的抗壓強度進行連接，保證節點的可靠性。有箍筋約束時，箍筋圍合區混凝土處于三向受壓狀態。利用U形環扣鋼筋進行傳力，由于環扣鋼筋在混凝土中的錨固長度較短，構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環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 試件節點三維連接構造

1.2 加載裝置與方案

試驗在準靜態應變測試采集系統上完成，加載裝置如圖3所示。試驗時采用半灌漿套筒工藝對預制裝配式電梯底端灌注混凝土，與底部支座連接，底部支座通過穿插連接螺栓固定于試驗臺座。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，通過鋼拉桿與作動器拉結，從而保證加載往復水平拉壓過程中荷載的有效傳遞。通過固定于反力墻的電液伺服作動器對裝配式電梯井道頂部施加橫向水平力。

圖3 試驗加載裝置

試驗前，在裝配式電梯井道頂部節點核心區施加橫向荷載，并穩載；利用電液伺服作動器對電梯井道頂端施加水平地震作用。

采用單調往復試驗，以5mm位移作為初始加載距離往復加載。5～70mm加載位移，每級荷載循環3圈，加載周期為100s/圈；80～100mm加載位移，每級荷載循環3圈，加載周期150s/圈。待每次加載穩定2min后采集數據。

通過位移傳感器測量裝配式電梯井道2層頂端與連廊連接處側面的位移。試驗時可連續測量和自動記錄，以保證數據的準確性和有效性。

2 試驗現象及結果分析

2.1 擬靜力試驗

試驗以5mm位移作為加載起點，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，電梯井道頂點水平位移加至20mm時，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，墻體與1層底座交接處出現細微橫向裂縫，卸載后裂縫基本閉合；加至60mm時，左后、左前柱底出現裂縫。2層連梁兩端出現裂縫，后方平臺梁左端出現裂縫，前右平臺板后澆混凝土開裂。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層連梁裂縫擴展，2層前右平臺板后澆混凝土裂縫擴展，后右平臺板后澆混凝土開裂，卸載后裂縫可閉合，電梯井道進入彈塑性工作階段。

電梯井道頂點水平位移加至90mm時，2層連梁兩端裂縫擴展，右側損壞較嚴重。屋面連梁兩端出現裂縫，并進一步擴展。2層前右平臺板后澆混凝土裂縫擴展，后右平臺板后澆混凝土裂縫擴展，后方平臺梁左端裂縫擴展；墻體底部后澆混凝土裂縫擴展；連梁右側受壓區混凝土開始剝落，損壞較嚴重。電梯井道頂點水平位移加至100mm時，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，破壞嚴重，試件加載完畢。試件最終破壞形態如圖4所示。

圖4 試件最終破壞形態

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，裝配式電梯結構耗能能力和承載能力呈反“S”形變化，滯回曲線形狀不飽滿，說明裝配式電梯井吸收地震能量的能力較差。反復加載的前幾個循環過程中，連梁受壓區混凝土尚未產生損傷，殘余變形較小，變形恢復好，卸載后變形曲線可返回至原點附近，滯回曲線呈捏攏狀。加載的前幾個循環構件處于彈性工作狀態, 構件開裂后曲線偏離原來的直線,呈曲線形態。加載過程中, 曲線斜率隨荷載的增大而減小,且減小程度逐漸加快,說明反復荷載作用下電梯井剛度不斷退化。同時，滯回環面積持續增加，說明裝配式電梯井梁端鋼筋U形環扣連接節點的耗能能力良好。

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，試件由彈性階段進入屈服階段，待荷載達到曲線峰值點處，加載位移約70mm。持續加載，曲線開始向下彎曲，試件進入破壞階段，此時，測得破壞荷載為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

通過擬靜力試驗，可測得裝配式電梯井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[11]。位移延性系數>3，說明裝配式混凝土節點采用鋼筋U形環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(見表1)，滿足GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》(2016年版)罕遇地震作用下層間彈塑性位移角限值,而此時連梁預先破壞嚴重，柱未達到極限狀態，構件損失亦不嚴重，說明預應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角

2.5 耗能能力

耗能能力是評價結構抗震性能的一個重要指標，由荷載-變形滯回曲線所包圍的面積來衡量(見圖7)。通常用能量耗散系數E或等效粘滯阻尼系數ζeq來評價[12]。能量耗散系數E計算公式如下：

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。

取每級加載的第1次滯回環包絡面積計算能量耗散系數，如圖8所示。

圖8 能量耗散系數曲線

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

2.6 剛度

加載前，結構或構件剛度較大，在循環往復荷載作用下，保持相同峰值荷載時，峰值點位移隨循環次數的增加而增大，呈現出剛度退化的現象。根據《建筑抗震設計規范》，試件剛度可用割線剛度來表示，割線剛度Ki應按下式計算：

(2)

式中：Fi為第i次循環最大荷載值；Δi為第i次循環最大荷載值所對應的位移。

剛度退化曲線如圖9所示，由圖9可知，正、負向剛度退化趨勢基本一致，構件加載位移至30mm時，由于墻體與底座交接處拉開裂縫的發展，剛度快速退化。隨著位移持續加載，連梁裂縫發展明顯，破壞嚴重，剛度退化趨于平緩。

圖9 剛度退化曲線

3 結語

通過對裝配式電梯井進行擬靜力試驗，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，可得到以下結論。

1)在橫向與垂直方向水平力往復加載的作用下，加載位移至60mm時，2層連梁兩端出現裂縫，隨著加載位移持續增加，連梁混凝土被壓碎，率先發生破壞，此時柱未達到極限狀態。說明裝配式電梯井可保證地震時連梁預先破壞的模式，依靠連梁破壞耗能實現結構在中震時可修的目標。

2)裝配式電梯井節點處連接采用鋼筋U形環扣連接試件，處于三向受壓狀態，有效利用混凝土抗壓強度進行連接，增強節點連接強度，提高裝配式電梯井整體的抗震性能。

3)裝配式電梯井2層層間位移角達到 1/60時, 節點核心區基本完好,柱未見明顯損傷,此時連梁預先發生嚴重破壞，而框架梁未產生較嚴重破壞, 表明預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。