內(nèi)填Y形偏心鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

趙寶成，王軍良，于安林，顧 強(qiáng)

（蘇州科技學(xué)院江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇 蘇州 215011）

一些在役的RC框架結(jié)構(gòu)，由于建造時(shí)間早，其水平承載力或抗側(cè)剛度明顯存在不足，一旦遭受強(qiáng)烈地震，必然導(dǎo)致大量人員傷亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失．為提高這些RC框架的抗震性能及抗地震倒塌能力，需對(duì)其進(jìn)行抗震加固．考慮到Y(jié)形偏心支撐耗能能力較好，耗能段獨(dú)立于框架之外，內(nèi)填于RC框架后，可通過(guò)耗能段耗能，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能．Ghobarah、Elfath[1]對(duì)內(nèi)填鋼支撐的三層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能研究．RC框架分別內(nèi)填中心支撐和Y形偏心鋼支撐，分析表明同樣地震水平作用下內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的RC框架破壞部位主要集中在耗能梁段，整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞較小，相比之下內(nèi)填鋼中心支撐RC框架破壞程度較大．Sola、Luis[2]研究了Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能，并對(duì)其與該地區(qū)采用剪力墻加固RC框架的受力性能加以對(duì)比．Mazzolani[3]分別應(yīng)用 Y 形鋼支撐、防屈曲支撐以及鋼板剪力墻對(duì)實(shí)際的RC框架進(jìn)行加固，試驗(yàn)結(jié)果表明Y形鋼支撐加固RC框架是最經(jīng)濟(jì)有效的方法．

楊禹丞[4]試驗(yàn)研究了循環(huán)荷載作用下的2榀單層單跨1/3縮尺RC框架內(nèi)填Y形鋼支撐結(jié)構(gòu)和1榀RC框架的滯回性能．結(jié)果表明，RC框架結(jié)構(gòu)內(nèi)填Y形鋼支撐后，其抗側(cè)剛度比純框架的抗側(cè)剛度提高較多．趙寶成等[5]進(jìn)行了耗能段與 RC框架梁采用不同連接節(jié)點(diǎn)形式的2榀1/3縮尺Y形鋼支撐RC框架的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)．結(jié)果表明：U形外包鋼的加固方法可靠性高．薛黎明[6]進(jìn)行了2榀單層單跨1/3縮尺內(nèi)填Y形鋼支撐RC框架結(jié)構(gòu)的擬動(dòng)力試驗(yàn)研究．結(jié)果表明，外包鋼長(zhǎng)度對(duì)結(jié)構(gòu)耗能能力有影響，耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)處需仔細(xì)研究確定，確保耗能段先發(fā)生剪切破壞．趙寶成等[7]進(jìn)行了3榀2層單跨1/2縮尺Y形鋼支撐加固RC框架試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)．結(jié)果表明，Y形鋼支撐承擔(dān)了結(jié)構(gòu)的大部分水平荷載，試驗(yàn)中耗能段與混凝土梁的連接采用外包鋼的連接節(jié)點(diǎn)沒(méi)有發(fā)生破壞，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理．邵寅[8]，盛邵山[9]分別試驗(yàn)研究了耗能段與樓板連接或不連接的情況下，連接節(jié)點(diǎn)的滯回性能．

由以往的試驗(yàn)研究可知，RC框架內(nèi)填Y形偏心鋼支撐后抗側(cè)剛度高、耗能能力好，Y形鋼支撐與RC框架僅三點(diǎn)相連，施工方便，目前對(duì)其設(shè)計(jì)方法研究較少，因而提出內(nèi)填Y形偏心鋼支撐加固RC框架的設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)依據(jù)非常必要．已建的RC框架梁截面尺寸已經(jīng)確定，耗能段與框架梁之間連接節(jié)點(diǎn)的承載力是制約內(nèi)填Y形偏心鋼支撐大小的決定因素，本文提出基于耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)承載能力的 Y形偏心支撐加固RC框架的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施．

1 耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1.1 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

文獻(xiàn)[4-5]中框架梁分別采用底部加鋼板和外包 U型鋼的形式對(duì)框架梁進(jìn)行加固，試驗(yàn)結(jié)果表明，框架梁采用底部加鋼板進(jìn)行加固，耗能段還沒(méi)有發(fā)揮作用，混凝土梁與底板相交的部位已發(fā)生破壞(圖1)，連接節(jié)點(diǎn)破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耗能不充分．U型外包鋼加固混凝土梁時(shí)(圖2)，連接節(jié)點(diǎn)沒(méi)有破壞，耗能段充分進(jìn)入塑性耗能，最終耗能段與支撐連接節(jié)點(diǎn)發(fā)生破壞(圖3)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效．采用圖2形式的外包鋼由于下部鋼板較長(zhǎng)，兩端部對(duì)混凝土梁擠壓比較嚴(yán)重，為了減少底部鋼板對(duì)混凝土梁的擠壓，可采取減少下部鋼板的長(zhǎng)度，側(cè)面鋼板采用梯形截面的辦法來(lái)解決(圖4)．文獻(xiàn)[8-9]比較了側(cè)面為梯形的 U型外包鋼分別與樓板連接和不連接兩種構(gòu)造方式對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，U型外包鋼與樓板連接時(shí)，對(duì)混凝土梁破壞小，節(jié)點(diǎn)的抗震性能好．

圖1 混凝土脫落Fig.1 Concrete breaking off

圖2 外包鋼節(jié)點(diǎn)Fig.2 Steel-encased concrete node

根據(jù)文獻(xiàn)[4-9]試驗(yàn)結(jié)果，本文提出圖5兩種加固節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造方式，外包鋼采用對(duì)穿螺栓分別與梁和樓板連接，梁、樓板與外包鋼之間會(huì)存在縫隙，為了使外包鋼板與混凝土之間貼合緊密，在縫隙之間灌注環(huán)氧樹(shù)脂．第1種構(gòu)造方式底板與側(cè)板采用高強(qiáng)螺栓，現(xiàn)場(chǎng)施工方便，第2種連接方式底板與側(cè)板之間采用焊接連接，節(jié)省材料，節(jié)點(diǎn)剛度大．

圖3 耗能段斷裂Fig.3 Failure of link beam

圖4 梯形外包鋼節(jié)點(diǎn)Fig.4 Trapezoidal steel-encased concrete node

圖5 加固節(jié)點(diǎn)構(gòu)造Fig.5 Construction of the reinforce node

1.2 連接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算

已建 RC框架結(jié)構(gòu)框架梁具有相應(yīng)的截面尺寸，根據(jù)現(xiàn)有框架梁的截面尺寸和混凝土標(biāo)號(hào)，確定外包鋼大小、螺栓的布置及混凝土的局壓承載能力，加固的連接節(jié)點(diǎn)承載能力與現(xiàn)有梁截面尺寸相關(guān)，加固節(jié)點(diǎn)的承載能力成為設(shè)計(jì)內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的制約因素．采用內(nèi)填 Y形偏心鋼支撐加固RC框架時(shí)，首先需要確定耗能段與混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)的承載力，根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)承載力的大小設(shè)計(jì)內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的截面尺寸．

RC框架內(nèi)填Y形鋼支撐，耗能段主要承受剪力，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假定每個(gè)螺栓只承受水平方向的剪力，考慮到彎矩和各個(gè)螺栓分配的力不均勻的影響，對(duì)計(jì)算得到的剪力乘以0.85的折減系數(shù)．加固節(jié)點(diǎn)承受剪力的能力由螺栓和混凝土局壓最小值確定，螺栓群的抗剪承載能力由(1)計(jì)算，螺栓對(duì)混凝土梁的局壓承載力[10]由(4)計(jì)算，加固節(jié)點(diǎn)的承載能力由(5)計(jì)算．

式中：nb、 nf分別為與混凝土梁和樓板相連的螺栓個(gè)數(shù)；分別為與混凝土梁和樓板相連1個(gè)螺栓的抗剪承載力；為螺栓受剪面數(shù)目，分別取2和1；d螺栓直徑；螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值．

式中：βc為混凝土強(qiáng)度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強(qiáng)度不超過(guò)C50混凝土?xí)r，βc取1.0，當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C80時(shí)，βc取0.8，其間按線性?xún)?nèi)插法確定；βl混凝土局部受壓時(shí)強(qiáng)度提高系數(shù)，取 1.0；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Aln為混凝土梁上螺栓孔壁受壓面積，為混凝土梁的寬度，bf為樓板厚度．

底板與側(cè)板之間的螺栓或焊接連接按文獻(xiàn)[11]給出的公式進(jìn)行計(jì)算．

2 內(nèi)填Y形鋼支撐設(shè)計(jì)

2.1 耗能段截面選取

2.1.1 耗能段腹板尺寸的確定

耗能段承擔(dān)的剪力根據(jù)耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)的承載能力進(jìn)行確定．為保證地震作用下耗能段與梁的連接節(jié)點(diǎn)不發(fā)生破壞，設(shè)計(jì)耗能段截面時(shí)，對(duì)耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力V進(jìn)行折減，參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，建議 8度設(shè)防烈度及以下時(shí)，折減系數(shù)取0.7，9度時(shí)取0.65．折減后的抗剪承載能力即為耗能段所承擔(dān)塑性剪力設(shè)計(jì)值 Vp，假定耗能段的剪力由耗能段的腹板承擔(dān)，按文獻(xiàn)[12]規(guī)定的耗能段腹板高厚比限值，確定腹板的厚度和寬度．

2.1.2 耗能段長(zhǎng)度的確定

耗能段分為剪切屈服型和彎曲屈服型，剪切屈服型耗能段耗能性能優(yōu)于彎曲屈服型，在水平荷載的作用下，剪切屈服型耗能段形成剪切塑性鉸．由于鋼支撐組成的三角形桁架的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于柱的側(cè)向剛度，則RC框架內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的塑性機(jī)構(gòu)如圖6所示．圖中θ代表框架的層間側(cè)移角，e為耗能段的長(zhǎng)度．耗能段的轉(zhuǎn)動(dòng)能力用參數(shù)γ(耗能段的轉(zhuǎn)角)表示，由圖中幾何關(guān)系可得：

上式中h為結(jié)構(gòu)的層高．設(shè)耗能段的極限轉(zhuǎn)動(dòng)能力為γp，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究成果，γp可取為0.1rad．式(6)中參數(shù) γ可由γp代替，θ由θp代替，θp為《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間側(cè)移角限值，式(6)采用式(7)表達(dá)，其中el為所需耗能段的最小長(zhǎng)度．

圖6 RC框架內(nèi)填Y形支撐的塑性機(jī)構(gòu)Fig.6 RC frames filled with Y-steel bracing plastic mechanism

2.1.3 耗能段翼緣尺寸的確定

剪切屈服型耗能段的長(zhǎng)度根據(jù)公式(8)確定，式中 Mp為耗能段的塑性抗彎承載力，Vp為耗能段的塑性抗剪承載力．

當(dāng)耗能段的長(zhǎng)度以及腹板的尺寸確定以后，通過(guò)式(8)得到耗能段承擔(dān)的塑性彎矩，根據(jù)塑性彎矩可以確定耗能段翼緣的尺寸．

2.1.4 耗能段與支撐連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造

文獻(xiàn)[4-7]試驗(yàn)結(jié)果表明，耗能段采用端板與支撐連接時(shí)，耗能段與端板之間應(yīng)力集中，容易發(fā)生撕裂破壞(圖 7a)，結(jié)構(gòu)耗能能力有限，文獻(xiàn)[7]YBRCF-3試件采用“一體式”節(jié)點(diǎn)形式，避免了應(yīng)力集中處焊縫容易脆性破壞的弊端(圖7b)，轉(zhuǎn)移了焊縫位置，較為合理可靠．試驗(yàn)中試件主要通過(guò)Y形偏心鋼支撐的耗能段耗散能量，試件耗能能力好．

為了便于耗能段安裝及震后耗能梁段的修復(fù)與更換，本文提出兩種連接構(gòu)造形式，耗能段及支撐連接部位仍然采用“一體式”連接形式，耗能梁段與支撐之間的翼緣采用對(duì)接焊縫，腹板采用拼接板和螺栓(圖8a)；耗能梁段與支撐之間翼緣和腹板的連接全部采用拼接板和高強(qiáng)螺栓(圖8b)．支撐在受力過(guò)程中應(yīng)保證不發(fā)生強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)，連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用等強(qiáng)設(shè)計(jì)，即斷開(kāi)截面處翼緣和腹板相應(yīng)的拼接材料和連接件所能傳遞的力不應(yīng)低于翼緣和腹板所能傳遞的最大內(nèi)力．

圖7 耗能段與支撐連接Fig.7 Link and brace connection

圖8 連接構(gòu)造Fig.8 Connection construction

2.2 鋼支撐截面選取

Y形鋼支撐在受力的過(guò)程中始終保持彈性，在水平荷載作用下，鋼支撐的受力簡(jiǎn)圖如圖 9所示，由耗能段承擔(dān)的塑性剪力 Vp可以計(jì)算得到鋼支撐的軸力，為了確保Y形鋼支撐在耗能段進(jìn)入塑性耗能后不發(fā)生屈曲，鋼支撐的軸力設(shè)計(jì)值不應(yīng)小于耗能段達(dá)到極限承載力時(shí)鋼支撐的軸力．支撐在地震作用下不進(jìn)入塑性，每一個(gè)鋼支撐的設(shè)計(jì)軸力可按式(9)計(jì)算，按支撐構(gòu)件設(shè)計(jì)截面[12]．

圖9 支撐受力簡(jiǎn)圖Fig.9 Force diagram of brace

式中：α為支撐與水平面的夾角，η為內(nèi)力增大系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，在 8度設(shè)防烈度及以下時(shí)不應(yīng)小于1.4，9度時(shí)不應(yīng)小于1.5．

初選Y形鋼支撐的截面后，對(duì)內(nèi)填Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，根據(jù)計(jì)算內(nèi)力校核鋼支撐及耗能段的截面及連接節(jié)點(diǎn)的承載能力．

3 支撐與框架連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

3.1 連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

為了避免植筋造成框架梁柱截面的削弱，鋼支撐與框架梁柱的連接節(jié)點(diǎn)采用圖 10兩種形式，文獻(xiàn)[7]采用圖10a的連接方式，混凝土梁由鋼板外包，由對(duì)拉螺栓連接鋼柱的外包鋼板，節(jié)點(diǎn)連接性能較好，混凝土框架節(jié)點(diǎn)域破壞較?。疄榱嗽黾舆B接的剛度，本文同時(shí)提出圖10b的連接方式，柱采用鋼板整體包裹，并在鋼板與梁柱之間的縫隙灌填環(huán)氧樹(shù)脂嵌實(shí)．

圖10 支撐與梁柱連接節(jié)點(diǎn)Fig.10 Brace-beam and column nodes

3.2 連接節(jié)點(diǎn)計(jì)算

連接節(jié)點(diǎn)主要承受鋼支撐傳來(lái)的力，把鋼支撐傳來(lái)的軸力分解為豎直方向和水平方向，分別由(10)式和(11)式計(jì)算．根據(jù)連接節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，假定豎直方向的力全部由與梁相連的螺栓承擔(dān)，水平方向的力全部由與框架柱相連的螺栓承擔(dān)．一個(gè)螺栓承擔(dān)的拉力由式(12)計(jì)算，由總的承載力即可計(jì)算所需要螺栓的數(shù)量．支撐與節(jié)點(diǎn)板之間的焊縫連接按文獻(xiàn)[11]的方法計(jì)算．

4 Y形偏心鋼支撐布置

采用設(shè)計(jì)軟件計(jì)算原RC框架層間側(cè)移比和抗側(cè)剛度，根據(jù)剛度不足對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)．將已確定的Y形鋼支撐內(nèi)填RC框架內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面布置時(shí)，Y形鋼支撐要規(guī)則、對(duì)稱(chēng)，使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心一致，在同一樓層，各榀內(nèi)填Y形鋼支撐的變形相同，各榀Y形鋼支撐承擔(dān)的水平荷載一致，方便設(shè)計(jì)和施工．

圖11 Y形鋼支撐布置形式Fig.11 Brace-beam and column nodes

Y形鋼支撐在1榀框架內(nèi)的豎向布置應(yīng)注意剛度均勻連續(xù)，避免剛度突變或內(nèi)填Y形鋼支撐不連續(xù)．豎向布置中可采用圖11兩種布置方式，圖11b布置方式加固的節(jié)點(diǎn)較少，對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷少，施工便捷．應(yīng)用本文提出的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了內(nèi)填Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型[13]，并進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單實(shí)用．

5 結(jié)語(yǔ)

在已有試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，提出了基于耗能段與框架梁連接節(jié)點(diǎn)承載能力的內(nèi)填Y形偏心鋼支撐加固現(xiàn)有RC框架的設(shè)計(jì)方法．

(1) 給出了耗能段與框架梁之間的合理連接構(gòu)造及連接節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化計(jì)算公式．

(2) 分析了內(nèi)填Y形鋼支撐RC框架的塑性機(jī)構(gòu)，確定了耗能段截面尺寸的選取方法，提出了耗能段與支撐之間的連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式．

(3) 確定了鋼支撐截面選取方法及鋼支撐的內(nèi)力放大系數(shù)．

(4) 提出了支撐與框架梁柱之間的連接構(gòu)造及連接點(diǎn)的承載力計(jì)算方法．

(5) 給出了內(nèi)填Y形鋼支撐平面布置原則及豎向布置方式．本文提出的設(shè)計(jì)方法為Y形偏心鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考．

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