楊凡

我國當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)有以下幾種：外包鋼構(gòu)套、增設(shè)鋼支撐、增設(shè)剪力墻等等。這些操作不僅極大增加了工作者的工作量，而且不能有效實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)抗震性能的提升和改善，同時也難以防止柱體發(fā)生剪切破壞。為了有效改善這方面的問題，相關(guān)專家進(jìn)行了研究，最終發(fā)現(xiàn)采用外部附加子結(jié)構(gòu)的方式，可有效解決上述問題。所謂外部附加子結(jié)構(gòu)加固法，實際上是指在建筑外部的附加子結(jié)構(gòu)的一部分處，進(jìn)行子結(jié)構(gòu)加固，通過構(gòu)造措施和原結(jié)構(gòu)的連接方式，構(gòu)建全新的結(jié)構(gòu)整體，以此提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性。這樣的應(yīng)用方式既能提升整體結(jié)構(gòu)的抗震性，又能有效避免對原結(jié)構(gòu)的破壞。

1.試驗概況

1.1 原型及模型設(shè)計

在整個實驗設(shè)計中，使用的模型混凝土強度設(shè)定為20，此外實驗所使用的鋼筋強度等級為HRB300 和HPB235。整體框架的柱截面，通過測量得出，尺寸一層為225mm2，二層則為200mm2。剩余的鋼架與斜撐選擇均統(tǒng)一，但進(jìn)場的材料實測強度為Q345 級。

實驗中的鋼框梁柱腹板上需焊接栓釘，同時確保其能夠與混凝土梁柱上化學(xué)錨筋相互咬合。此外，注灌漿料和設(shè)計螺旋筋的步驟也十分關(guān)鍵，該過程統(tǒng)稱為強連接模式。

1.2 試驗加載方案

將兩個豎向千斤頂施加在工字鋼加載量上，同時給予其豎向的250kN 荷載，并要求保證整個實驗過程中，豎向荷載力不發(fā)生變化。試驗開始，需保證電液伺服作動器始終是以水平反復(fù)荷載，在模型出現(xiàn)開裂狀況前，試驗者需加強對采用力的控制，以此控制對模型的加載。當(dāng)模型開始出現(xiàn)裂痕后，需采用位移控制的方式對其進(jìn)行加載，不同級別的加載需循環(huán)兩次[1]。若加載過程中出現(xiàn)附加鋼支撐與框架偏心的情況，則需增加側(cè)向限位裝置。

1.3 測點布置

用于測量鋼筋應(yīng)變情況的為箍筋應(yīng)變片以及主筋應(yīng)變片。若想測量鋼構(gòu)件的應(yīng)變情況，須在鋼框和斜撐上進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼。為捕捉混凝土的開裂，工作者可在節(jié)點混凝土處進(jìn)行應(yīng)變片粘貼[2]。

2.試驗現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

為了方便觀看，可將所有的模型構(gòu)件進(jìn)行編號。若實驗過程中，荷載加載到正向180kN，那么KZ1 的柱底則會出現(xiàn)開裂情況。若即以模型反向的荷載，那么KZ4 則會出現(xiàn)開裂情況。若正向荷載力達(dá)到230kN，那么KZ5 中部偏下位置就會出現(xiàn)裂縫，JD5 和KZ6 的下部同樣會產(chǎn)生水平狀的裂縫。若給予模型反向荷載力，那么KZ4 的上部水平裂縫會豎向發(fā)展，開裂情況也會愈加嚴(yán)重。

當(dāng)進(jìn)行一定的位移加載后，位移到一定位置時，KZ2 的鋼框底座錨固螺栓處的混凝土就會產(chǎn)生豎向的裂痕，該裂痕形狀和位置同錨栓相同。若位移達(dá)到24mm，則KZ3 的柱體就會出現(xiàn)多條豎向裂縫，且裂縫均勻地呈現(xiàn)在柱體上。并且其與鋼板的連接處也會產(chǎn)生裂縫，與此同時KZ2 鋼柱支座的另一個螺栓處會出現(xiàn)粘結(jié)滑移裂縫。隨著平移長度的不斷增長，模型的受損程度會逐漸增長，只是達(dá)到一定程度后，混凝土?xí)空鹚?，甚至連接螺栓也會被壓曲變形，直至整個柱體被完全損壞。但通過實驗驗證，就算所有柱體損壞，鋼支撐結(jié)構(gòu)也并未屈服[3]。

2.2 試驗結(jié)果及其分析

2.2.1 荷載－位移滯回曲線

如圖1 所示，加固模型滯回曲線整體呈更為飽滿的態(tài)勢，該模型存在層間位移的部位主要是底層，在支座的支持下，模型頂點并不會發(fā)生過大的位移，除非支座被強烈破壞[4]。在支座良好的情況下，整體位移距離約為29mm，角位移為1/124，其中一層位移為20mm，二層位移為9mm。若支座混凝土被明顯破壞就會導(dǎo)致框架荷載快速升高，模型底層柱子變形會因其根部混凝土壓潰而加劇，一層的塑性變形會提高，這一點在曲線中也有所體現(xiàn)。

圖1 荷載－位移滯回曲線

2.2.2 骨架曲線

如圖2 所示，模型骨架曲線中體現(xiàn)出模型開裂是發(fā)生為正向荷載=180kN 時的，此時其剛度也會發(fā)生突變，而在荷載=200kN 時模型會出現(xiàn)反向加載的剛度突變。在實驗后期階段，鋼支撐底座處于混凝土被全部壓碎的狀態(tài)，支座的內(nèi)側(cè)錨固螺栓也處于減斷狀態(tài)，框架KZ2、KZ3 的柱底混凝土全部破碎，這也導(dǎo)致模型承擔(dān)水平荷載的能力下降，無法起到承擔(dān)水平荷載的作用，而曲線中承載能力不變情況下不斷增加的變形就是對這一點的具體體現(xiàn)。而之所以模型的承載能力并未因柱子底部處于壓碎狀態(tài)而產(chǎn)生急速下滑[5]，是因為模型外部附加的鋼支撐以強連接的方法連接于原框架結(jié)構(gòu)梁、柱之間，而其材料本身具有的較高強度還未被充分利用，在鋼支撐支座仍部分處于工作狀態(tài)并未完全退出工作的情況下，框架結(jié)構(gòu)會承受所傳遞過來的部分荷載，從而使模型的整體結(jié)構(gòu)的承載能力仍有所保障。

圖2 骨架曲線

2.2.3 剛度退化

如圖3 所示，模型剛度退化曲線整體呈隨荷載提高而不斷衰減的趨勢。模型剛度在鋼支撐支座被破壞后，衰減速度會不斷加快，當(dāng)破壞程度達(dá)到一定峰值后，衰減速度會逐漸平緩，最終歸于穩(wěn)定[6]。

圖3 正向加載剛度退化曲線

2.2.4 抗震耗能分析

模型整體具有較佳的耗能系數(shù)，力控制加載時耗能系數(shù)為0.25，隨后伴隨著位移的增大，耗能系數(shù)整體呈上升趨勢，結(jié)構(gòu)破壞時刻的耗能系數(shù)為1.35（見圖4）。

圖4 抗震耗能系數(shù)曲線

3.結(jié)論

本文主要對外部附加帶框鋼支撐加固框架模型進(jìn)行了數(shù)據(jù)與實驗分析，對其實用性進(jìn)行了驗證，得出結(jié)果如下：

（1）利用外部附加帶框支撐加固法能夠?qū)蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗震承載力起到明顯的提升作用，在應(yīng)用中能夠?qū)崿F(xiàn)3.62 的提高系數(shù)。同時，該方法能夠?qū)Y(jié)構(gòu)的層間位移進(jìn)行合理控制，實現(xiàn)2.6 的初始剛度提高系數(shù)。

（2）該框架模型的受到抗震防線為鋼支撐，該結(jié)構(gòu)有效提高了模型的抗震冗余度。

（3）結(jié)構(gòu)被加固后，其耗能能力得到了有效提升，尤其是在彈塑性階段，實現(xiàn)了1.08～1.25 倍的同位移下耗能系數(shù)提高。

（4）實驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本相符，模擬結(jié)果良好論證了理論分析的可靠性。

（5）若想實現(xiàn)外部附加帶框鋼支撐的抗震作用，可以適度減弱斜撐截面，鋼材選擇低屈服點鋼材。

（6）整體而言，鋼支撐承載能力并未完全發(fā)揮，這主要是受加固模型鋼支撐底座錨固失效的影響，因此，鋼支撐基礎(chǔ)錨固問題的加強是下一階段的主要研究課題。