RC框架節(jié)點(diǎn)柱端碳纖維加固強(qiáng)柱弱梁效果

郝澤靜，王興國(guó)，宋珂，葛楠

(河北聯(lián)合大學(xué)，河北省地震工程研究中心，河北唐山 063009)

0 引言

對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，我國(guó)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ50011-2001)規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿足“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但在“強(qiáng)柱弱梁”驗(yàn)算時(shí)僅考慮梁的抗彎承載力，這對(duì)預(yù)制板或沒(méi)有樓板的框架結(jié)構(gòu)是可行的，而對(duì)常見的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由于沒(méi)有考慮現(xiàn)澆樓板內(nèi)鋼筋對(duì)梁抗彎承載力提高的影響，將會(huì)導(dǎo)致按“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在地震時(shí)實(shí)現(xiàn)不了真正的“強(qiáng)柱弱梁”，相反為“強(qiáng)梁弱柱”。汶川地震震害調(diào)查表明［1］，現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍表現(xiàn)為“強(qiáng)梁弱柱”，說(shuō)明在抗震設(shè)計(jì)“強(qiáng)柱弱梁”驗(yàn)算時(shí)不考慮現(xiàn)澆板的作用是實(shí)現(xiàn)不了“強(qiáng)柱弱梁”這個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)的［2］。目前，我國(guó)存在大量的“強(qiáng)梁弱柱”結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)抗震性能較差，成為不可忽視的安全隱患。對(duì)這類現(xiàn)有結(jié)構(gòu)采取何種加固措施，提高其抗震性能，使“強(qiáng)梁弱柱”轉(zhuǎn)化為“強(qiáng)柱弱梁”，是一個(gè)重要的研究課題。

對(duì)于已建結(jié)構(gòu)的加固，在柱端粘貼碳纖維(Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP)是常用的加固方法。冼巧玲等提出了用碳纖維布加固平面框架中間節(jié)點(diǎn)和空間框架中間節(jié)點(diǎn)的抗震加固新方法［3］，通過(guò)5個(gè)框架中間節(jié)點(diǎn)(其中2個(gè)為擬三維節(jié)點(diǎn))的足尺擬靜力試驗(yàn)，并用有限元軟件ANSYS進(jìn)行了分析，結(jié)果表明對(duì)平面框架梁柱節(jié)點(diǎn)，碳纖維加固節(jié)點(diǎn)方法能顯著改善構(gòu)件的延性，承載力也有一定的提高，能夠提高節(jié)點(diǎn)的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和屈服后剛度，加固效果明顯。另外一些有關(guān)應(yīng)用碳纖維加固框架節(jié)點(diǎn)的研究也有類似的結(jié)論［4-8］

但對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，所存在的問(wèn)題并不體現(xiàn)在柱端、梁端承載力的不足，而是二者相對(duì)的強(qiáng)弱問(wèn)題。因此若只在柱端粘貼碳纖維布，而梁端不粘貼，則柱端承載力得到加強(qiáng)，有可能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的效果。本文利用有限元軟件ANSYS對(duì)柱端粘貼碳纖維的框架節(jié)點(diǎn)的擬靜力反應(yīng)做了分析計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與普通梁柱節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，評(píng)價(jià)改進(jìn)“強(qiáng)柱弱梁”節(jié)點(diǎn)的效果。

1 節(jié)點(diǎn)分析模型

分析模型取自一幢6層2×3跨框架結(jié)構(gòu)的中節(jié)點(diǎn)。為減少計(jì)算工作量，采用1:2縮尺模型，如圖1所示。柱距3600 mm，層高1950 mm，模型梁與樓板兩端取跨中位置之間的范圍(即反彎點(diǎn));上柱取柱頂，下柱取柱底。梁截面350 mm×150 mm，柱截面300 mm×300 mm，板厚100 mm，模型中混凝土采用C30，梁、柱鋼筋采用HRB335，板鋼筋采用HRB235，間距200 mm，梁、柱配筋圖如圖2所示。

采用ANSYS有限元軟件建立模型進(jìn)行分析?；炷敛牧线x用Solid65單元;為了方便地提取鋼筋應(yīng)力數(shù)據(jù)，采用分離式鋼筋單元，鋼筋選用link8單元;碳纖維選用shell41膜單元，這種單元只能承受拉應(yīng)力而不能承受壓應(yīng)力。在劃分網(wǎng)格以后，混凝土、鋼筋和碳纖維共用節(jié)點(diǎn)?；炷?、鋼筋與碳纖維力學(xué)性能參數(shù)如表1、表2及表3所示。

表1 C30混凝土材料參數(shù)

表2 鋼筋材料參數(shù)

表3 碳纖維材料參數(shù)

對(duì)模型施加如下邊界條件:上柱頂部施加沿水平方向的滑動(dòng)支座，下柱底部為固定端，梁反彎點(diǎn)所在的兩個(gè)樓板側(cè)邊施加Y方向的約束，其余的兩個(gè)側(cè)邊為自由面。

在柱頂沿Y負(fù)方向施加軸力(軸壓比0.2)，為了模擬地震作用的影響，沿X負(fù)方向施加擬靜力位移，采用分步加載的方式。

2 節(jié)點(diǎn)處樓板鋼筋應(yīng)力分析

圖3給出了普通節(jié)點(diǎn)梁端處與縱梁平行的部分板面和板底鋼筋在結(jié)構(gòu)不同水平側(cè)移值下應(yīng)力的變化。圖3中橫坐標(biāo)d為每根樓板鋼筋到縱梁側(cè)邊的距離，不同圖例的曲線表示對(duì)模型施加逐漸增大的側(cè)移后各樓板鋼筋的應(yīng)力變化情況。

由圖3可知，樓板的鋼筋整體應(yīng)力隨著位移的增大而增大。板面鋼筋與板底鋼筋相比，板面鋼筋應(yīng)力值大且增幅較快，說(shuō)明板面鋼筋對(duì)提高梁的抗彎能力更為直接。相同位移下，距縱梁越近的板鋼筋應(yīng)力增加越快，對(duì)提高框架梁承載力作用顯著。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)移1.6%時(shí)，距縱梁50 mm和250 mm的板面鋼筋應(yīng)力值分別為186.19 MPa和107.4MPa，隨著間距加大，鋼筋應(yīng)力值依次遞減幅度較大，當(dāng)距縱梁650 mm以上，板內(nèi)鋼筋應(yīng)力幾乎沒(méi)有變化，對(duì)梁的影響很小。雖然板內(nèi)縱向鋼筋的應(yīng)力均有所增加，但鋼筋應(yīng)力沿橫向(圖1中x方向)并不是均勻分布，說(shuō)明只有部分樓板鋼筋參與了梁的抗彎作用。同一根鋼筋距橫梁近的單元應(yīng)力相對(duì)較大，應(yīng)力分布不均勻。

圖4給出了柱端加固碳纖維的節(jié)點(diǎn)梁端處與縱梁平行的部分板面和板底鋼筋在結(jié)構(gòu)不同水平側(cè)移值下應(yīng)力的變化。

對(duì)比圖3和圖4可知，柱端加固碳纖維節(jié)點(diǎn)板面和板底鋼筋應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)與普通節(jié)點(diǎn)相同，但距梁相同距離的鋼筋應(yīng)力明顯都有所提高。例如，當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)移1.6%時(shí)，距梁端50mm處普通節(jié)點(diǎn)和柱端加固碳纖維節(jié)點(diǎn)的板面鋼筋應(yīng)力值分別為186.19MPa和203.6MPa，提高了14%。當(dāng)結(jié)構(gòu)側(cè)移1.8%時(shí)(梁端鋼筋屈服)，板最大鋼筋應(yīng)力值235MPa達(dá)到屈服。加固后的節(jié)點(diǎn)板內(nèi)鋼筋隨著梁端彎矩的增大而相應(yīng)提高，說(shuō)明板對(duì)梁的影響比較明顯。

3 柱端加固碳纖維節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

為了考察柱端粘貼碳纖維對(duì)“強(qiáng)柱弱梁”效果的影響，分別提取普通節(jié)點(diǎn)以及柱端加固碳纖維節(jié)點(diǎn)的梁柱受力主筋的應(yīng)力，對(duì)比二者前后發(fā)生的變化及其趨勢(shì)。根據(jù)鋼筋屈服的先后順序和對(duì)應(yīng)位置混凝土開裂情況判定構(gòu)件塑性鉸形成的順序及其發(fā)展過(guò)程，評(píng)價(jià)強(qiáng)柱弱梁的效果。

施加荷載后，分析首層頂部中節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的上、下側(cè)柱端分別為右側(cè)和左側(cè)縱筋受拉，而節(jié)點(diǎn)的左、右側(cè)梁端分別為底部和頂部縱筋受拉。下面首先考察截面縱筋的應(yīng)力發(fā)展情況。在上述四個(gè)位置的縱筋中各取出其中的兩根鋼筋進(jìn)行分析。鋼筋標(biāo)號(hào)如圖2所示。

3.1 普通節(jié)點(diǎn)

表4和圖5給出了普通節(jié)點(diǎn)柱端與梁端處鋼筋在結(jié)構(gòu)不同水平側(cè)移值下應(yīng)力的變化。

表4 節(jié)點(diǎn)處隨側(cè)移增加縱筋應(yīng)力變化/MPa

由表4和圖5看出，節(jié)點(diǎn)上柱的底部(塑性鉸區(qū))鋼筋應(yīng)力比梁內(nèi)鋼筋應(yīng)力值相對(duì)較大，下柱頂部縱筋拉應(yīng)力值很低，柱兩側(cè)梁的縱筋筋應(yīng)力變化大致相同。所以，節(jié)點(diǎn)上柱底部為最危險(xiǎn)截面。表4所示，施加的位移為1.65%時(shí)，柱鋼筋首先受拉屈服，屈服點(diǎn)應(yīng)力值335MPa。此時(shí)梁內(nèi)右側(cè)鋼筋應(yīng)力值為279.2MPa。由于地震作用是沿兩個(gè)相反的方向交替變化的，若在上柱頂施加相反方向的位移，節(jié)點(diǎn)梁、柱鋼筋應(yīng)力的變化過(guò)程與圖4(a)、(b)是類似的，但上柱底仍然是危險(xiǎn)截面。由于樓板位置靠近梁頂部，樓板對(duì)框架梁頂部鋼筋與底部鋼筋的影響不同，樓板對(duì)梁頂部鋼筋的影響比較大。柱端首先出現(xiàn)塑性鉸，柱先于梁破壞的趨勢(shì)比較明顯，不符合抗震規(guī)范的要求。

3.2 柱端碳纖維加固節(jié)點(diǎn)

表5和圖6給出了普通節(jié)點(diǎn)柱端與梁端處鋼筋在結(jié)構(gòu)不同水平側(cè)移值下應(yīng)力的變化。

表5 節(jié)點(diǎn)處隨側(cè)移增加縱筋應(yīng)力變化/MPa

由表5和圖6可知，柱端粘貼碳纖維節(jié)點(diǎn)柱受拉鋼筋比梁端縱筋應(yīng)力值小，梁內(nèi)縱筋先屈服，塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，柱鋼筋后屈服，加固柱的效果明顯。通過(guò)表4和表5對(duì)比可以看出，相同位移下，加固后的節(jié)點(diǎn)柱端鋼筋應(yīng)力比普通節(jié)點(diǎn)柱端鋼筋應(yīng)力有所下降，而梁端鋼筋應(yīng)力大幅提高。

例如，當(dāng)位移1.65%時(shí)，對(duì)于普通節(jié)點(diǎn)柱筋一達(dá)到屈服，而 CFRP加固節(jié)點(diǎn)柱端鋼筋應(yīng)力值為303.4MPa，降低了8%，梁端縱筋應(yīng)力值315.6MPa，提高了13%。位移達(dá)到1.85%時(shí)，梁端鋼筋屈服，此時(shí)柱端縱筋應(yīng)力為320.7MPa，沒(méi)有達(dá)到屈服。粘貼碳纖維布后，柱端鋼筋屈服時(shí)柱頂位移達(dá)到1.8%，節(jié)點(diǎn)延性顯著改善。因此，柱端粘貼碳纖維加固節(jié)點(diǎn)，能夠有效的減小柱端鋼筋應(yīng)力，使柱端塑性鉸晚于梁端出現(xiàn)，增強(qiáng)了“強(qiáng)柱弱梁的效果”。

圖7給出了梁端加固節(jié)點(diǎn)的碳纖維在結(jié)構(gòu)不同水平側(cè)移值下應(yīng)力分布云圖和應(yīng)力的變化。

當(dāng)混凝土的橫向應(yīng)變達(dá)到一定程度，碳纖維的高模量、高強(qiáng)度的特性才能充分發(fā)揮。初始階段，上柱底部混凝土應(yīng)變小，碳纖維應(yīng)力值增長(zhǎng)緩慢。隨著柱頂位移增加，混凝土的橫向應(yīng)變加大，碳纖維的作用逐漸顯現(xiàn)。當(dāng)混凝土開裂后，碳纖維布應(yīng)力增長(zhǎng)開始加快，尤其是柱縱筋屈服后，碳纖維布應(yīng)力增長(zhǎng)速度加快。碳纖維布最大應(yīng)力值達(dá)到506.6MPa，達(dá)不到其極限應(yīng)力值，因此節(jié)點(diǎn)的破壞是由受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變而引起的。碳纖維布距柱端越近應(yīng)力值越大，在同一橫截面應(yīng)力分布不均勻，兩端單元應(yīng)力較大，在兩截面結(jié)合處存在應(yīng)力集中。

3.3 混凝土裂縫圖

分別取位移為0.2%時(shí)，普通節(jié)點(diǎn)和柱端碳纖維加固節(jié)點(diǎn)兩個(gè)模型的混凝土裂縫圖進(jìn)行對(duì)比分析，混凝土裂縫圖如圖8所示。

由圖8可以看出，普通節(jié)點(diǎn)模型與柱端加固節(jié)點(diǎn)模型相比，混凝土裂縫相對(duì)減少，上柱底部碳纖維布粘貼處減少趨勢(shì)尤為明顯;左側(cè)梁端裂縫長(zhǎng)度沿梁增加，左側(cè)板底和右側(cè)板頂裂縫范圍增大。由圖8(b)還可以看出，在上柱底部和碳纖維布上部與混凝土交界處出現(xiàn)微裂縫，交界處開裂程度明顯大于相鄰截面。

4 結(jié)論

(1)鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)處，現(xiàn)澆樓板內(nèi)鋼筋對(duì)提高框架梁抗彎承載力的作用比較明顯，可能改變“強(qiáng)柱弱梁”設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著柱頂位移增加，板內(nèi)鋼筋應(yīng)力逐漸增大，距梁肋越近增大越顯著;

(2)采用碳纖維加固后的框架節(jié)點(diǎn)延性顯著提高。加固后柱端鋼筋應(yīng)力相應(yīng)減小，梁端應(yīng)力大幅提高，強(qiáng)制性使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，實(shí)現(xiàn)了梁鉸機(jī)制;

(3)隨著混凝土應(yīng)變的增加，碳纖維布的應(yīng)力相應(yīng)增大。在柱縱筋受拉屈服后，碳纖維布的應(yīng)力增長(zhǎng)速度加快，可見碳纖維布可以有效地參與混凝土共同受力，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力重分布，用碳纖維進(jìn)行節(jié)點(diǎn)加固是一種有效的加固方式。

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