劉春陽，付　靜

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.中國核電工程有限公司，北京100840）

單側(cè)面加固鋼筋混凝土框架梁抗震性能研究

劉春陽1，付靜2

（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.中國核電工程有限公司，北京100840）

采用單側(cè)面不對稱方式增加補(bǔ)強(qiáng)截面對鋼筋混凝土框架梁進(jìn)行抗震加固，可提高既有鋼筋混凝土框架梁的抗震性能。文章設(shè)計(jì)了4個單側(cè)面加固梁試件，即1個原梁和新梁整體現(xiàn)澆試件，1個植筋方式連接試件和2個螺栓緊固方式連接且新梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力試件，并進(jìn)行了低周反復(fù)加載試驗(yàn)，采用了預(yù)應(yīng)力加固梁先預(yù)后緊和先緊后預(yù)兩種連接方式研究了新增截面中預(yù)應(yīng)力筋張拉及與原梁拼接先后順序的不同對試件抗震性能的影響，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對比分析了加固梁的破壞特征、滯回曲線特性、承載力、延性和強(qiáng)度退化特征。結(jié)果表明：加固梁均為彎曲破壞具有良好的抗震性能且新增截面施加預(yù)應(yīng)力后殘余變形約降低40%左右，植筋方式得到的加固梁試件整體變形能力優(yōu)于螺栓緊固連接試件，二者延性系數(shù)最大相差31%。

側(cè)面加固；框架梁；連接方式；擬靜力試驗(yàn)；抗震性能

0　引言

鋼筋混凝土造建筑物在工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。地震的發(fā)生造成了建筑物的損傷，降低了結(jié)構(gòu)安全工作的可靠性。應(yīng)當(dāng)采用適當(dāng)?shù)目拐鸺庸谭椒▽ζ溥M(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，這是提高其抗震性能的有效方法。黃建鋒等通過擬靜力試驗(yàn)對比研究了已震損及未損框架采用增大截面法加固后的抗震性能，采用增大截面法進(jìn)行合理和可靠的加固，可較大程度的提高結(jié)構(gòu)的承載力、延性以及耗能能力，該方法是一種有效的抗震加固方法，可以滿足規(guī)范三水準(zhǔn)抗震設(shè)防要求［1］。盧亦焱等結(jié)合對鋼管混凝土力學(xué)性能和自密實(shí)混凝土高流動性特性研究的基礎(chǔ)上，提出了外套鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土柱的新型復(fù)合加固方法，并通過試驗(yàn)對11個加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件和9個加固鋼筋混凝土中長圓柱試件的軸壓性能進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合加固試件的強(qiáng)度和變形能力均優(yōu)于未加固鋼筋混凝土試件，且隨著含鋼率和自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的提高，加固試件強(qiáng)度亦隨之提高［2-3］。盧亦焱等通過偏壓試驗(yàn)對4根外套鋼管自密實(shí)混凝土加固RC方形截面柱的破壞形態(tài)和強(qiáng)度進(jìn)行了研究，并在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上采用ABAQUS有限元分析軟件對偏壓試驗(yàn)全過程進(jìn)行了數(shù)值模擬［4］。盧亦焱等提出CFRP—圓鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土柱的加固方法，通過試驗(yàn)研究了利用該方法加固后的RC方形截面短柱的軸壓性能［5］。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)加固中得到廣泛應(yīng)用。Balsamo和Duong等通過試驗(yàn)對采用FRP進(jìn)行加固后的RC框架抗震性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，框架加固后的承載力、延性明顯提高，具有良好的抗震性能［6-8］。周長東等通過軸壓試驗(yàn)研究了25個采用環(huán)向預(yù)應(yīng)力纖維布加固混凝土圓形截面短柱的軸壓性能。結(jié)果表明，環(huán)向預(yù)應(yīng)力纖維布加固試件的軸壓承載力和延性均顯著提高［9］.林于東等采用U型鋼板箍對普通鋼筋混凝土梁和部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁進(jìn)行了加固，并研究了加固梁試件的抗剪性能，采用U型鋼板箍進(jìn)行加固的梁試件斜截面受剪承載力得到提高［10］。以上研究主要是在構(gòu)件截面四周采用圍套方法增加截面尺寸和配筋以及粘貼纖維布和鋼板的方式來改善和提高加固結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形性能。陶忠等采用隔震技術(shù)對某8層混凝土現(xiàn)澆框架進(jìn)行加固，并進(jìn)行了有限元分析，采用隔震技術(shù)后，該建筑抗震性能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求［11］。潘鵬等通過在某6層框架結(jié)構(gòu)地城柱頂設(shè)置橡膠支座，將該建筑底層改造為隔震層，有效的提高了該建筑的抗震性能［12］。有關(guān)學(xué)者通過在結(jié)構(gòu)外側(cè)增設(shè)框架的方法來提高結(jié)構(gòu)抗震性能。新增設(shè)框架與既有結(jié)構(gòu)間通過樓板進(jìn)行連接，一方面新增設(shè)結(jié)構(gòu)可與既有結(jié)構(gòu)共同工作抵抗地震作用，另一方面也可減少加固施工過程對建筑物內(nèi)部空間的過多影響［13-16］。

文章通過植筋或高強(qiáng)度螺栓緊固拼接等方式將新增梁截面施工于既有框架梁的某一側(cè)面，對其進(jìn)行抗震加固。為了研究單側(cè)面加固梁的抗震性能，文章進(jìn)行了4個試件的抗震性能試驗(yàn)研究。

1　加載破壞試驗(yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4個試件，試件編號及設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。試件均由框架梁（后文簡稱原梁）和新增加固截面（后文簡稱新梁）組成。原梁、新梁箍筋均采用直徑6 mm的HPB300級鋼筋，間距為80 mm。試件截面尺寸及配筋情況如圖1所示。

試件B-1原梁和新梁鋼筋籠同時(shí)綁扎且混凝土一次性完成澆筑，用以和其他試件對比。試件BS -1首先制作原梁部分并于原梁側(cè)面設(shè)置連接用錨固鋼筋，直徑為12 mm的鋼筋伸入原梁內(nèi)的長度為80 mm，在1倍梁高范圍內(nèi)以100 mm間距對稱布置三排，梁長剩余區(qū)段內(nèi)以100 mm間距折線形布置，新梁鋼筋籠綁扎就位后再澆筑混凝土完成制作。試件BPS-1、BPS-2制作時(shí)新梁、原梁分別制作并通過高強(qiáng)螺栓進(jìn)行拼接，螺栓孔道施工時(shí)預(yù)留并貫穿整個加固梁截面，螺栓沿梁長布置方式同試件BS-1錨固鋼筋，新梁采用有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土，于新梁截面形心處布置1根直徑為15.2 mm鋼絞線并，達(dá)到張拉控制應(yīng)力（0.75 fptk）后立即于波紋管孔道中進(jìn)行灌漿，新梁與底座之間的縫隙采用環(huán)氧砂漿灌縫?；炷痢摻罴吧皾{的力學(xué)性能實(shí)測值見表2和3，其中，先預(yù)后緊為先張拉預(yù)應(yīng)力筋后螺栓預(yù)緊連接，先緊后預(yù)為先螺栓預(yù)緊連接后張拉預(yù)應(yīng)力筋。

圖1　試件截面尺寸及配筋圖/mm

表1　試件設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　鋼筋材料力學(xué)性能

表3　混凝土、砂漿力學(xué)性能

1.2試驗(yàn)加載方式

試件屈服前采用力控制加載，每級荷載循環(huán)一次，屈服后采用位移控制，每級位移循環(huán)3次。當(dāng)荷載下降到峰值荷載的75%時(shí)停止加載。用IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集水平加載力和加載點(diǎn)處位移，并用其繪制滯回曲線，而試件的裂縫由人工測繪完成。試驗(yàn)加載裝置示意圖，如圖2所示。

圖2　加載裝置圖

2　試件破壞特征

各試件原梁、新梁最終破壞狀態(tài)，如圖3、4所示。各試件破壞特征具有以下特征：

（1）試件B-1加載初期出現(xiàn)水平細(xì)小裂縫，加載后期在梁端一倍梁高范圍內(nèi)出現(xiàn)數(shù)條寬度較大的水平裂縫和一條主斜裂縫，梁端混凝土破壞并局部脫落，最終呈彎曲為主的破壞形態(tài)。

（2）試件BS-1裂縫數(shù)量相對較少，加載時(shí)首先出現(xiàn)幾條接近水平的細(xì)小裂縫，進(jìn)而發(fā)展成為斜裂縫；加載后期，新梁側(cè)面出現(xiàn)貫通的水平裂縫，寬度較大并能見內(nèi)部鋼筋，梁端混凝土壓碎脫落，主筋外露，破壞程度比試件B-1嚴(yán)重，最終呈彎曲為主的破壞形態(tài)。

（3）試件BPS-1、BPS-2加載初期亦出現(xiàn)細(xì)小的水平裂縫，側(cè)面高強(qiáng)螺栓周圍出現(xiàn)斜裂縫但裂縫發(fā)展緩慢沒有形成主裂縫；加載后期，原梁側(cè)面裂縫數(shù)量明顯多于新梁，且其端部混凝土壓碎剝落并伴有鋼筋斷裂現(xiàn)象發(fā)生，新梁端部灌縫環(huán)氧砂漿被壓扁，側(cè)面也有混凝土掉落，最終呈彎曲為主的破壞形態(tài)。

整個加載過程，原梁與新梁結(jié)合面連接可靠，未出現(xiàn)滑移分離的現(xiàn)象，新、舊部分能夠協(xié)調(diào)變形共同工作。

圖3　各試件原梁破壞狀態(tài)圖

圖4　各試件新梁破壞狀態(tài)圖

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1滯回曲線分析

圖5為各試件荷載（P）—位移（Δ）滯回曲線。試件B-1加載位移達(dá)到20 mm時(shí)達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載。在其后的加載過程中，承載力下降趨勢平緩滯回環(huán)呈紡錘型。試件BS-1加載位移達(dá)到45 mm時(shí)達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載。試件BPS-1加載位移達(dá)到28 mm時(shí)達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載。試件BPS-2加載位移達(dá)到34 mm時(shí)達(dá)到試驗(yàn)記錄的峰值荷載。試件BPS-2正、反向加載滯回環(huán)形狀有較大差異，主要是由于原梁、新梁首先采用高強(qiáng)螺栓拼裝連接而后施加預(yù)應(yīng)力，在加固梁截面產(chǎn)生較大偏心作用，加載后期原梁一側(cè)角部鋼筋斷裂所致。與試件B-1相比，其余試件實(shí)測峰值荷載接近，峰值點(diǎn)過后承載力下降趨勢明顯但滯回環(huán)整體仍呈紡錘型；試件BPS-1和試件BPS-2殘余變形小，約降低40%左右，變形恢復(fù)能力增強(qiáng)?？傮w來看，各試件以彎曲破壞形式為主，滯回環(huán)均比較飽滿，中部捏攏輕，抗震耗能能力強(qiáng)。

3.2承載力分析

表4為各試件屈服荷載、峰值荷載實(shí)測值。水平加載時(shí)，推力對應(yīng)的位移和荷載為正，拉力對應(yīng)的位移和荷載為負(fù)。其中，Pu、Py分別為試件峰值荷載和屈服荷載，Pu/Py稱為強(qiáng)屈比。

由表4可見，正向加載時(shí)各試件峰值荷載比較接近且試件BS-1的峰值荷載略高于其他三個試件；反向加載時(shí)各試件峰值荷載值略高于正向加載時(shí)的峰值荷載，這是由于反向加載時(shí)受壓區(qū)混凝土破壞程度較輕。試件BS-1、BPS-1、BPS-2的強(qiáng)屈比高于試件B-1，表明試件從屈服到極限過程較長，有良好的承載力安全儲備，有利于抗震。

3.3延性分析

表5為各試件位移及延性系數(shù)實(shí)測值。其中，Δy為Py對應(yīng)的屈服位移；Δu為極限位移，取荷載下降至峰值荷載的75%時(shí)所對應(yīng)的位移，延性系數(shù)μ=Δu/Δy。

圖5　各試件荷載—位移關(guān)系滯回曲線圖

表4　各試件屈服荷載、峰值荷載實(shí)測值

由表5可見，正向加載時(shí)，試件B-1延性系數(shù)與植筋錨固試件BS-1接近；反向加載時(shí)，試件B-1延性系數(shù)比植筋錨固試件BS-1低21%，表明側(cè)面植筋加固方式的試件整體性強(qiáng)，新梁與原梁共同工作能力強(qiáng)。各加固試件正向加載時(shí)延性系數(shù)接近，反向加載時(shí)植筋錨固試件BS-1延性系數(shù)高出預(yù)應(yīng)力加固試件BPS-1、BPS-2分別為5%和 31%，這主要是由于新梁截面中預(yù)應(yīng)力的施加對梁整體截面產(chǎn)生側(cè)向彎矩，加載過程中隨著梁端部混凝土的破壞程度的加劇，加載方向的彎矩和該側(cè)向彎矩共同工作的條件下，使得原梁截面角部鋼筋發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致試件延性降低。同為預(yù)應(yīng)力加固試件，先緊后預(yù)試件BPS-2的延性系數(shù)最小，這主要是由于該試件新梁截面中施加的預(yù)應(yīng)力會在整個梁截面中分配，提高了整個梁截面的預(yù)壓應(yīng)力水平，使得試件延性系數(shù)降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，加固梁具有較好的彈塑性變形能力。

3.4強(qiáng)度退化分析

強(qiáng)度退化常采用強(qiáng)度退化系數(shù)來表征。圖6為各試件強(qiáng)度退化系數(shù)與梁端加載位移角關(guān)系曲線。圖中強(qiáng)度退化系數(shù)為某次加載循環(huán)記錄的峰值荷載與試件峰值荷載的比值。由圖6可見，各試件強(qiáng)度退化規(guī)律較為一致，初期上升，中期平緩，后期下降。相同位移角的情況下，先預(yù)后緊與先緊后預(yù)加固梁的強(qiáng)度退化較快。這主要是由于加載后期預(yù)應(yīng)力梁根部全部裂開，僅存預(yù)應(yīng)力筋與底座連接并發(fā)揮承載功能，且預(yù)壓力在截面產(chǎn)生的偏心作用加劇了原梁側(cè)的破壞程度從而使得試件的承載能力快速降低。

表5　位移及延性系數(shù)試驗(yàn)值

圖6　強(qiáng)度退化曲線圖

4　結(jié)論

通過上述研究分析，得到以下結(jié)論：

（1）單側(cè)面加固梁以彎曲破壞形態(tài)為主抗震性能優(yōu)良。新增加固截面施加預(yù)應(yīng)力后可提高截面壓應(yīng)力水平降低結(jié)構(gòu)的殘余變形，總體來看預(yù)應(yīng)力加固梁的殘余變形約降低40%左右，變形恢復(fù)能力強(qiáng)。但由于預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的偏心作用導(dǎo)致加載后期原梁一側(cè)縱筋斷裂，加固梁強(qiáng)度退化趨勢加劇。

（2）植筋、先緊后預(yù)、先預(yù)后緊連接方式得到的加固梁峰值承載力與整體現(xiàn)澆加固梁峰值承載力接近，加固效果明顯。植筋方式加固梁的變形能力優(yōu)于先預(yù)后緊、先緊后預(yù)方式加固梁，延性系數(shù)分別高出5%和31%。

（3）原梁與新梁界面沒有發(fā)生明顯的滑移脫離共同工作效果良好，植筋錨固、先預(yù)后緊、先緊后預(yù)的加固方式均可應(yīng)用于實(shí)際加固工程中。

［1］ 黃建鋒，朱春明.增大截面法加固震損鋼筋混凝土框架的抗震性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2012，45（12）：9-17.

［2］ 盧亦焱，薛繼鋒，張學(xué)鵬，等.外套鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土中長圓柱軸壓性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2013，46（2）：100-107.

［3］ 盧亦焱，徐貞珍，梁鴻駿，等.外套圓鋼管自密實(shí)混凝土加固RC方柱偏壓性能試驗(yàn)研究及有限元分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2015，36（S2）：42-49.

［4］ 盧亦焱，龔田牛，張學(xué)鵬，等.外套鋼管自密實(shí)混凝土加固鋼筋混凝土圓形截面短柱軸壓性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（6）：121-128.

［5］ 盧亦焱，沈炫，何楂，等.CFRP—圓鋼管自密實(shí)混凝土復(fù)合加固RC方形短柱軸壓性能試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2015，48（11）：1-8.

［6］ Balsamo A.，Colombo A.，Manfredi G..Seismic behavior of a full-scaleRCframerepairedusingCFRPlaminates［J］. Engineering Structures，2005，27（5）：769-780.

［7］ Duong K.V.，Sheikh S.A.，F(xiàn)rank J.V..Seismic behavior of shear-critical reinforced concrete frame：experimental investigaion［J］.ACI Structural Journal，2007，104（3）：304-313.

［8］ 王新玲，趙更歧，呂林，等.碳纖維布加固震后嚴(yán)重?fù)p傷混凝土框架的抗震試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2010，40（1）：50-53.

［9］ 周長東，白曉彬，趙鋒，等.預(yù)應(yīng)力纖維布加固混凝土圓形截面短柱軸壓性能試驗(yàn)［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：131-140.

［10］林于東，宗周紅.粘鋼加固混凝土梁受剪性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2011，32（8）：90-98.

［11］張龍飛，陶忠.隔震技術(shù)在云南某辦公樓加固工程中的應(yīng)用與分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2016，46（5）：24-28.

［12］潘鵬，曹海韻，齊海軍，等.底層薄弱層結(jié)構(gòu)的柱頂隔震加固改造設(shè)計(jì)［J］.工程抗震與加固改造，2009，31（6）：69-73.

［13］田口孝，倉本洋，神谷隆等.CES構(gòu)造を利用した架構(gòu)増?jiān)O(shè)型耐震補(bǔ)強(qiáng)工法の開発［C］.コンクリ-ト工學(xué)年次論文集.日本埼玉：日本混凝土學(xué)會，2010.

［14］劉春陽，石鈞吉，倉本洋等.架構(gòu)増?jiān)O(shè)型CES耐震補(bǔ)強(qiáng)工法に関する研究［C］.第13回日本地震工程學(xué)會會議論文集.日本東京：第13回日本地震工程學(xué)會論壇運(yùn)營委員會，2010.

［15］植木理枝子，倉本洋，都祭弘幸，等.外付け鉄骨フレーム工法における間接接合部の応力伝達(dá)機(jī)構(gòu)［J］.日本建筑學(xué)會工程結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012（677）：1105-1112.

［16］劉春陽，石均吉，田口孝，等.型鋼纖維混凝土框架加固既有結(jié)的試驗(yàn)研究［J］.山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：123-130.

Seismic performance study on reinforced concrete frame beam strengthened by single side beam section

Liu Chunyang1，F(xiàn)u Jing2

（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

The existing reinforced concrete frame beam could be retrofitted by adding new RC section only on one lateral side.The low cycle reversed loading experiment is launched on four specimens to study the seismic performance of the retrofitted beam.One specimen is that the original beam and the new beam is overall cast-in-situ，one specimen is that the new beam is connected to the original beam by the anchorage steel bars，two specimens are that the new beam is connected to the original beam by the high strength bolts and the new beam is also prestressed.Two connection type is further considered for the prestressed specimen to study the influence rule of different order of bolt-tightening and the process of prestressed loading to the seismic performance.Based on the test，the failure mode，characteristic of the hysteretic curves，bearing capacity，ductility，strength degradation is studied.Test results show that the failure mode of all specimen is flexural failure and the retrofitted beam has good seismic performance，the residual deformation is reduced by degree of 40%for the existence of prestress，the deformation capacity of planting bar sepcimen is superior to the high strength bolts connection specimen and the deference of ductility between them is 31%.Experiment results would provide good references for practical retrofit engineering.

single side retrofit；frame beam；connection style；quasi-static test；seismic behavior

TU375

A

1673-7644（2016）04-0336-06

2016-06-02

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2015EQ017）；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目（2014-K2-027）；山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科技項(xiàng)目計(jì)劃項(xiàng)目（KY023）；山東省高等學(xué)校青年骨干教師國內(nèi)訪問學(xué)者資助項(xiàng)目（20141208）

劉春陽（1980-），男，講師，博士，主要從事工程抗震加固等方面的研究.E-mail：liucy2011@sdjzu.edu.cn