宋 彧,李少雄

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

近年來,因全國設(shè)防烈度普遍提高,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)迅速發(fā)展,工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究顯著增多[1]。眾多學(xué)者通過不同角度的研究,已開發(fā)出多種加固方法用于提高鋼筋混凝土柱抗震性能[2]。目前,主要加固技術(shù)有粘鋼技術(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼帶橫向加固技術(shù)、CFRP橫向約束技術(shù)、預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固技術(shù)等[3],其中粘鋼技術(shù)加固后柱抗震性能隨著體積配箍率增加,柱荷載-位移曲線愈加飽滿;延性系數(shù)和極限位移得到顯著提高[4],而缺點(diǎn)在于新加材料與原有材料不能同步協(xié)調(diào)工作。砼柱在鋼帶間距加密和軸壓比減小的情況下,試件抗震性能均有良好表現(xiàn)[5]。方柱受到CFRP約束后,軸心受壓能力與方柱倒角半徑成正比關(guān)系,但倒角范圍內(nèi)加固材料斷裂應(yīng)力集中普遍明顯[6]。預(yù)應(yīng)力鋼絞線網(wǎng)加固試件,高軸壓比下極限荷載、延性系數(shù)提升明顯[7]。外套鋼管加固可顯著提高柱結(jié)構(gòu)承載力和延性,但后澆自密實(shí)混凝土強(qiáng)度提高會(huì)導(dǎo)致柱延性降低[8]。

與現(xiàn)有的局部加固技術(shù)不同,新型體外豎向卸荷預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)作用于梁柱整體[9]。在水平低周反復(fù)加載下分析新型加固后框架柱各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)特征,獲得梁柱單元加固后真實(shí)受力狀況,以期為鋼筋混凝土工程加固作出有益探討與嘗試。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)應(yīng)力裝置

加固裝置布置和內(nèi)力傳導(dǎo)如圖1所示。豎向承力角鋼利用化學(xué)黏合劑緊貼于待加固柱四角,角鋼底部與柱基礎(chǔ)做植筋錨固處理;沿柱身圍箍鋼帶以穩(wěn)定角鋼;托梁置于橫梁端部下表面,懸挑傳力單元焊接于托梁上方豎向承力角鋼上;托梁兩端通過螺栓副與對應(yīng)懸挑傳力單元實(shí)現(xiàn)連接。通過旋緊螺栓副中螺帽使托梁趨于向上,對承力角鋼產(chǎn)生一豎向荷載,即完成體外預(yù)應(yīng)力施加,從而實(shí)現(xiàn)給原有構(gòu)件豎向卸荷?；趦?nèi)力分解,本應(yīng)傳遞至柱端的部分梁端荷載最終通過柱新型加固裝置(承力角鋼)傳遞至基礎(chǔ)。

1.2 鋼筋和混凝土本構(gòu)

鋼材均選取線彈性強(qiáng)化模型,可簡化為雙斜線形式?；炷林锌v筋均使用HRB400鋼筋,箍筋均使用HPB300鋼筋,角鋼均使用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼,鋼帶均使用T700高強(qiáng)鋼。各鋼材性能如表1所列。

1.柱 2.橫梁 3.縱梁 4.板 5.豎向承力角鋼6.橫向鋼帶 7.懸挑傳力單元 8.托梁 9.螺栓連接副圖1 加固裝置和內(nèi)力傳導(dǎo)Fig.1 Reinforcement and internal force conduction

表1 鋼材性能

混凝土強(qiáng)度為C30,其密度為2 400 kg/mm3,彈性模量為2 950 N/mm2,泊松比為0.3。其他塑性參數(shù)如表2所列。

表2 C30混凝土塑性損傷參數(shù)

1.3 構(gòu)件尺寸和配筋

框架柱試件配筋和尺寸如圖2所示。保護(hù)層厚度為25 mm,柱外表面鋼帶和內(nèi)箍筋均以間距100 mm布置。

圖2 構(gòu)件尺寸和配筋(單位：mm)Fig.2 Member size and reinforcement (unit:mm)

2 有限元建模

2.1 部件屬性定義

據(jù)實(shí)體建模要求,框架柱各組成部件分屬不同單元類型,單元屬性決定部件不同受力分析特性(見表3)。

表3 部件單元類型

鋼帶寬度為30 mm,厚度為1 mm;角鋼長度為1 750 mm,寬度為40 mm,厚度為3 mm。

2.2 約束設(shè)置

梁和柱混凝土,鋼帶與角鋼通過TIE命令綁定進(jìn)行約束。鋼筋、角鋼通過Embedded region命令整體嵌入混凝土中進(jìn)行約束。柱基礎(chǔ)與地面完全固結(jié)。

2.3 加載機(jī)制與邊界條件

加載機(jī)制采取幅值控制,幅值如圖3所示。恒載以及預(yù)應(yīng)力荷載均按照幅值表Amp-1進(jìn)行施加;柱端水平推力按照幅值表Amp-2進(jìn)行施加。

圖3 加載幅值Fig.3 Load amplitude table

2.4 網(wǎng)格定義

混凝土網(wǎng)格整體劃分為50 mm,應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)?0 mm;對鋼筋、角鋼和鋼帶網(wǎng)格劃分為100 mm、 40 mm和30 mm。

3 性能分析

水平低周反復(fù)加載作用下,框架柱試件分類情況如表4所列。

表4 框架柱加固參數(shù)

3.1 應(yīng)力水平

各構(gòu)件應(yīng)力值匯總?cè)绫?所列。

框架柱試件經(jīng)加固后混凝土最大應(yīng)力普遍有所上升,鋼筋最大應(yīng)力基本保持不變,鋼帶最大應(yīng)力值小幅波動(dòng)。

表5 框架柱各構(gòu)件應(yīng)力值

3.2 滯回曲線

結(jié)構(gòu)滯回曲線如圖4所示，記錄了試件經(jīng)歷彈性階段、彈塑性階段直到塑性破壞的完整過程。

圖4 各組對照組試件滯回曲線Fig.4 Hysteresis curves of each control group

試件在水平加載前期處于彈性狀態(tài),滯回環(huán)斜率很大,結(jié)構(gòu)荷載隨位移變化線性增長,試件應(yīng)力急劇上升。前幾級加載滯回環(huán)包圍面積小,框架柱試件耗能較少。荷載繼續(xù)上升后試件混凝土開裂,結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服階段,曲線斜率下落明顯,同時(shí)滯回環(huán)面積增大。水平加載后期,試件進(jìn)入塑性,承載力下降明顯,較小荷載變化就能引起試件較大位移,滯回環(huán)變得扁平,吸收變形能耗達(dá)到最高。相較未加固試件,試件加固后滯回曲線面積明顯增大,加固可提供結(jié)構(gòu)更多耗能潛力,提高框架柱承載力。

隨著預(yù)應(yīng)力水平提高,滯回曲線正向加載彈性段斜率下降明顯,結(jié)構(gòu)在短暫加載后迅速屈服,彈性階段吸收變形能耗不多。曲線進(jìn)入彈塑性后,預(yù)應(yīng)力水平高低不再影響滯回環(huán)形狀和大小。作用在梁端的豎向預(yù)應(yīng)力使得梁受力狀態(tài)更加復(fù)雜,預(yù)應(yīng)力越大梁端破壞越早出現(xiàn)。

軸壓比因素對框架柱滯回曲線影響呈現(xiàn)非線性單調(diào)關(guān)系。軸壓比不改變試件曲線在正向加載彈性上升段斜率,隨著軸壓比增大,試件反向加載屈服階段曲線趨于平緩。軸壓比為0.4時(shí),加固后框架柱滯回曲線形狀最為飽滿。軸壓比增大后框架柱試件剛度增大,結(jié)構(gòu)在低周往復(fù)作用下變得更脆。

3.3 骨架曲線

各框架柱試件骨架曲線對照分組如圖5所示。

圖5 各試件骨架曲線比較Fig.5 Comparison of skeleton curves of each specimen

加固后框架柱骨架曲線能完整包覆未加固試件骨架曲線,試件經(jīng)加固后屈服和極限荷載都有大幅度提高。由于加固后承載力上升,加固試件彈性和塑性屈服階段曲線均長于未加固構(gòu)件。

不同加固方式對正向加載時(shí)試件屈服和最大荷載提升效果一樣,復(fù)合加固方案在曲線塑性破壞下降段表現(xiàn)較好。

預(yù)應(yīng)力水平對試件屈服和最大荷載影響不大,前期施加預(yù)應(yīng)力越大,試件結(jié)構(gòu)正向加載塑性后期抗震承載力越高。

軸壓比因素對于試件骨架曲線作用影響最大。軸壓比增大引起試件各加載階段荷載值同步增大,使骨架曲線彈塑性階段更平滑,有效提高了框架柱延性。

3.4 耗能

計(jì)算各試件滯回曲線包圍下的面積,得到各級滯回環(huán)耗能如圖6所示。加固措施顯著提高試件在各級循環(huán)加載下的耗能,加固后試件各級循環(huán)耗能和累計(jì)總耗能均超過未加固試件2倍。

圖6 各級滯回環(huán)耗能Fig.6 Energy consumption of hysteresis loops at all levels

軸壓比因素對加固試件累計(jì)耗能影響最突出,軸壓比越大,試件結(jié)構(gòu)耗能越高。軸壓比為0.8時(shí),加固試件能耗達(dá)到最高。豎向預(yù)應(yīng)力水平對加固試件能耗影響不大,且預(yù)應(yīng)力水平提高后試件能耗進(jìn)一步降低。軸壓比為0.2時(shí),單獨(dú)使用鋼帶加固對試件耗能提升略優(yōu)于使用新型卸荷加固方式和復(fù)合加固方式。

從能量角度看,鋼帶加固法對結(jié)構(gòu)在往復(fù)動(dòng)力加載中的不利影響要小于梁柱端豎向預(yù)應(yīng)力卸荷加固法。

3.5 延性

由試件的骨架曲線可計(jì)算其延性系數(shù),繪制于表7。鋼帶加固對試件延性提升較小,鋼帶加固后試件延性系數(shù)相較未加固時(shí)僅提高5%。隨著預(yù)應(yīng)力水平提高,加固試件延性也顯著提高。豎向預(yù)應(yīng)力水平為12 MPa時(shí),加固試件延性系數(shù)達(dá)到最大值6.36,相較原未加固試件提高61%;軸壓比升高后,加固試件延性不斷下降。軸壓比達(dá)到最大值0.8時(shí),加固試件延性系數(shù)小于未加固試件,過高軸壓比對框架柱塑性變形不利。

表7 框架柱延性系數(shù)

3.6 剛度退化

試件在各循環(huán)下峰值荷載和位移平均值的比值即為該循環(huán)下的退化剛度,全部試件剛度對比如圖7所示。隨著水平位移加載等級提高,多次往復(fù)加載后試件剛度不斷降低。在水平加載前期,加固裝置即開始幫助試件結(jié)構(gòu)承擔(dān)部分外力作用,加固試件曲線下降斜率低于未加固試件。

圖7 全部試件剛度對比Fig.7 Stiffness comparison of all specimens

加載后期,角鋼和鋼帶不僅約束試件混凝土形變,還使試件轉(zhuǎn)動(dòng)在一定程度上受到限制,有效提高了試件整體剛度,加固后試件退化剛度曲線始終位于未加固試件曲線上方。3組加固方式對剛度退化曲線數(shù)值變化影響不大;預(yù)應(yīng)力水平大小對剛度退化曲線影響微小;高軸壓比有助于提升結(jié)構(gòu)剛度。加大試件軸壓比,可增強(qiáng)試件初始剛度,減緩加固試件剛度退化速度。

4 結(jié)論

(1) 框架柱試件經(jīng)加固后混凝土最大應(yīng)力普遍有所上升,彈性和彈塑性屈服階段明顯增長,屈服荷載最高提升78%,極限荷載和最大荷載最高提升77%。

(2) 增大軸壓比能明顯提高試件耗能,鋼帶加固對結(jié)構(gòu)在往復(fù)動(dòng)力加載中的不利影響要小于梁柱端豎向預(yù)應(yīng)力卸荷加固法。

(3) 新型體外預(yù)應(yīng)力加固方法能顯著提高框架柱延性,但豎向預(yù)應(yīng)力過大會(huì)使梁端破壞提前發(fā)生,需搭配鋼帶圍箍組成復(fù)合加固。

(4) 加固能有效提高試件整體剛度。高軸壓比有助于提升結(jié)構(gòu)剛度,可有效提高試件初始剛度,減緩剛度退化速度。