PEC方法加固既有鋼框架中柱抗震性能試驗(yàn)研究*

李補(bǔ)拴， 白 楊， 趙根田， 萬(wàn) 馨， 王 姍

(1 內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010；2 內(nèi)蒙古第三電力建設(shè)工程有限責(zé)任公司， 包頭 014010)

0 引言

在既有鋼結(jié)構(gòu)加固方面，現(xiàn)行方法主要有減輕上部荷載、增加傳力途徑、加大原構(gòu)件截面尺寸等[1]。上述加固方法施工復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致使用功能改變、使用空間減小，且焊接作業(yè)會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。PEC(partially encased concrete )加固方法是在H型鋼截面翼緣間焊接少量橫向系桿并澆筑混凝土，使型鋼、混凝土形成整體并協(xié)同工作，與純鋼構(gòu)件相比，腹板失穩(wěn)被抑制，翼緣失穩(wěn)模態(tài)改變，截面形式如圖1所示。

圖1 PEC加固截面形式

現(xiàn)階段，鑒于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，很多企業(yè)都在擴(kuò)能改建，采用PEC方法進(jìn)行構(gòu)件加固處理后，不僅可顯著提高構(gòu)件承載力，基本不占用原結(jié)構(gòu)使用空間，而且可以有效減少原構(gòu)件在火災(zāi)情況下的受火面積，構(gòu)件抗火性能也可以得到一定程度提升。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PEC柱靜力和抗震性能研究取得了一定的成果。Chicoine等[2]以截面尺寸與橫向系桿間距為變量，對(duì)PEC短柱受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)橫向系桿間距為截面寬度的50%時(shí)，在達(dá)到極限荷載前，柱翼緣未出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，可有效發(fā)揮材料的性能。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)配置橫向系桿且寬厚比較小的PEC柱進(jìn)行了不同軸壓比下的低周往復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明：在配置橫向系桿的PEC柱上，額外增加縱筋會(huì)略微提高試件的承載力，但增幅不明顯。方有珍等[5]以混凝土強(qiáng)度等級(jí)和拉結(jié)筋間距為變量，對(duì)3個(gè)PEC柱足尺試件進(jìn)行了恒定軸壓下的滯回性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：試驗(yàn)試件具有較好的變形能力和耗散地震能的雙重功效。馬吉等[6]完成了3個(gè)PEC柱-削弱梁、短鋼板對(duì)穿螺栓連接組合件的模型試驗(yàn)，結(jié)果表明：節(jié)點(diǎn)域部位設(shè)置預(yù)拉對(duì)穿螺栓，在低周往復(fù)加載試驗(yàn)過(guò)程中可以使試件具有良好的自復(fù)位效果，試件仍表現(xiàn)出較好的轉(zhuǎn)動(dòng)與耗能能力，節(jié)點(diǎn)最終破壞特征為鋼梁削弱截面屈服破壞?；阡摻Y(jié)構(gòu)現(xiàn)有加固方法的不足及PEC柱靜力和抗震性能研究現(xiàn)狀，筆者結(jié)合課題組已有研究成果[7-9]，提出采用PEC方式對(duì)既有鋼框架柱進(jìn)行加固，完成了1個(gè)PEC柱-型鋼梁中柱節(jié)點(diǎn)及1個(gè)鋼框架中柱節(jié)點(diǎn)對(duì)比試件的低周往復(fù)加載試驗(yàn)，研究了采用PEC方法加固對(duì)框架中柱抗震性能的影響，旨在為既有鋼框架柱采用PEC方法加固改造計(jì)算方法的建立提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

以水平地震作用下鋼框架中柱節(jié)點(diǎn)為原型，按1∶2比例制作縮尺模型。梁、柱選用Q235B熱軋H型鋼。試件JD1為純鋼試件，端板與型鋼梁采用對(duì)接焊縫連接，端板與柱采用10.9級(jí)M20摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。試件JD2在柱腹板兩側(cè)焊接φ8@50/100連接系桿，并澆筑混凝土，梁柱連接方法與試件JD1相同。試件尺寸如圖2所示，基本參數(shù)見(jiàn)表1。梁、柱翼緣與腹板及端板各取3個(gè)材性試樣，鋼材材性實(shí)測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表2?；炷令A(yù)留3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試塊，標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為37.8N/mm2。

圖2 試件尺寸

表1

鋼材材性實(shí)測(cè)指標(biāo) 表2

1.2 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)加載裝置如圖3所示。首先采用液壓千斤頂在柱頂施加豎向荷載至設(shè)計(jì)值，并保持恒定，然后再采用電液伺服作動(dòng)器在柱頂施加水平往復(fù)荷載模擬地震作用，規(guī)定推向加載為正，拉向?yàn)樨?fù)。彈性階段采用荷載控制，每級(jí)荷載循環(huán)1次；當(dāng)梁翼緣出現(xiàn)屈服后以屈服位移的0.25倍作為級(jí)差進(jìn)行控制加載，每級(jí)循環(huán)3次。達(dá)到下列條件之一結(jié)束試驗(yàn)：1)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)混凝土破壞嚴(yán)重或梁翼緣腹板出現(xiàn)嚴(yán)重屈曲；2)試件整體側(cè)移較大；3)試件承載力下降到峰值荷載的85%以下。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

測(cè)試儀表和應(yīng)變片布置如圖4所示。圖4中位移計(jì)1，2測(cè)量柱頂位移，百分表1，2布置于梁柱之間，測(cè)試整個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域轉(zhuǎn)動(dòng)變形。

圖4 測(cè)試儀表與應(yīng)變片布置

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程及破壞特征

本次試驗(yàn)2個(gè)試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為兩種：試件JD1為節(jié)點(diǎn)區(qū)端板和柱翼緣向外鼓曲破壞；試件JD2為梁端彎曲破壞，節(jié)點(diǎn)基本完好。各試件試驗(yàn)現(xiàn)象描述如下：1)試件JD1(鋼框架)柱頂位移加載至3.0Δy時(shí)，梁翼緣根部表面浮銹開(kāi)始起皮、脫落，加載至5.75Δy時(shí)，節(jié)點(diǎn)區(qū)端板和柱翼緣變形明顯，向外鼓曲成括號(hào)狀，如圖5(a)所示；加載至6.0Δy時(shí)，試件整體側(cè)移較大，如圖5(b)所示，承載力下降到峰值荷載的91.1%，試驗(yàn)結(jié)束。2)試件JD2柱頂位移加載至1.75Δy時(shí)，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)域混凝土出現(xiàn)交叉裂縫，如圖5(c)所示；加載至2.25Δy時(shí)，梁上翼緣出現(xiàn)屈曲，加載至4.25Δy時(shí)，梁上下翼緣屈曲現(xiàn)象明顯，且腹板鼓曲，加載至5.0Δy時(shí)，梁翼緣及腹板屈曲嚴(yán)重，如圖5(d)所示，整個(gè)加載過(guò)程中節(jié)點(diǎn)區(qū)域混凝土裂縫寬度及長(zhǎng)度變化不明顯，承載力下降至峰值荷載的84.9%，試驗(yàn)結(jié)束。

圖5 試件破壞形態(tài)

2.2 試件破壞形態(tài)對(duì)比分析

試件JD1發(fā)生節(jié)點(diǎn)區(qū)端板和柱翼緣鼓曲破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為“弱柱強(qiáng)梁、弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)構(gòu)件”。試件JD2表現(xiàn)為梁翼緣、腹板出現(xiàn)嚴(yán)重屈曲，節(jié)點(diǎn)區(qū)域除混凝土表面出現(xiàn)微小交叉裂縫外，整體基本完好，破壞形態(tài)表現(xiàn)為“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”。對(duì)比試件JD1及試件JD2破壞形態(tài)可知，采用PEC方法加固后，試件最終破壞形態(tài)可滿足“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)基本要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試件滯回曲線及骨架曲線

試件JD1，JD2的柱頂荷載-位移滯回曲線如圖6所示，骨架曲線見(jiàn)圖7。由圖6可以看出：采用PEC方法加固前后，試件JD1及試件JD2的滯回曲線形態(tài)基本一致，總體都呈極為豐滿的紡錘形，具有典型的鋼結(jié)構(gòu)框架節(jié)點(diǎn)受力特征，并具備很好的變形能力及耗能性能。加載初期，荷載與位移呈線性關(guān)系，卸載過(guò)程中殘余變形很小，剛度退化不明顯，能耗極?。浑S載荷增加，滯回曲線逐漸向位移軸傾斜，殘余變形增加，剛度退化明顯，滯回環(huán)包圍面積隨之增大，耗能顯著增加。由圖7可以看出：試件JD1和試件JD2達(dá)到峰值荷載后均有較長(zhǎng)的水平屈服平臺(tái)，變形性能良好；對(duì)比圖7中試件JD1，JD2骨架曲線可知，采用PEC方法加固后，試件的初始剛度及承載力得到顯著提高。

圖6 試件荷載P-位移Δ滯回曲線

圖7 試件荷載P-位移Δ骨架曲線

3.2 梁端彎矩M-轉(zhuǎn)角θ曲線

根據(jù)位移計(jì)1，2測(cè)得各階段柱頂位移Δ，計(jì)算獲得對(duì)應(yīng)于不同階段的層間位移角；以布置于梁柱之間的百分表1，2及梁端輪輻式拉壓力傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，分析得到梁端節(jié)點(diǎn)塑性鉸區(qū)彎矩M及梁柱的相對(duì)轉(zhuǎn)角θ，試件受力示意圖見(jiàn)圖8。

圖8 試件受力示意圖

梁端塑性鉸區(qū)彎矩M-轉(zhuǎn)角θ滯回曲線如圖9所示，試件JD1，JD2在屈服荷載、峰值荷載及破壞荷載時(shí)對(duì)應(yīng)梁端塑性鉸區(qū)彎矩和對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角如表3所示。

由圖5可知，試件JD1為節(jié)點(diǎn)域端板和柱翼緣鼓曲引起的節(jié)點(diǎn)破壞，而試件JD2為梁翼緣、腹板出現(xiàn)屈曲導(dǎo)致的梁彎曲破壞；比較圖9及表3可知：

圖9 梁端塑性鉸區(qū)彎矩M-轉(zhuǎn)角θ滯回曲線

梁端塑性鉸區(qū)彎矩與轉(zhuǎn)角 表3

1)試件JD1、試件JD2在屈服時(shí)梁端轉(zhuǎn)角值基本一致，表明在彈性階段，采用PEC方法加固對(duì)試件的轉(zhuǎn)動(dòng)能力影響不大。2)隨著載荷增加，試件JD1的轉(zhuǎn)角增量大于試件JD2，原因?yàn)樵嚰﨡D1在加載過(guò)程中梁端板和柱翼緣不斷鼓曲造成節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞，接近鉸節(jié)點(diǎn)特性，梁對(duì)柱的約束逐漸減小。3)進(jìn)入塑性階段后，梁端屈服，塑性鉸充分轉(zhuǎn)動(dòng)，試件JD2轉(zhuǎn)角值得到了較大提升。4)采用PEC方法加固，對(duì)試件受彎承載力影響較小，但可提高梁端的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

3.3 承載力及位移

試件各特征點(diǎn)的承載力及對(duì)應(yīng)位移列于表4，其中Pcr為開(kāi)裂荷載，Py為屈服荷載，Pm為峰值荷載，Pu為破壞荷載，破壞荷載取峰值荷載的85%，Δcr，Δy，Δm，Δu分別為對(duì)應(yīng)于Pcr，Py，Pm，Pu的位移值。由表4可知：采用PEC方法加固后，試件承載力得到顯著提升，屈服荷載、峰值荷載分別提升約47.9%，31.1%。

試件承載力及位移 表4

3.4 延性及耗能能力

按照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—1996)[10]提供的公式對(duì)能量耗散系數(shù)E進(jìn)行計(jì)算，并由E計(jì)算得到等效黏滯阻尼系數(shù)he，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖10所示。

圖10 等效黏滯阻尼系數(shù)計(jì)算簡(jiǎn)圖

(1)

(2)

本試驗(yàn)框架節(jié)點(diǎn)的位移延性系數(shù)μ、等效黏滯阻尼系數(shù)he分別如表5，6所示。由表5，6得到以下結(jié)論：1)試件JD2破壞時(shí)，層間位移角為1/28，遠(yuǎn)超多高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50[11]，說(shuō)明采用PEC方法加固后，結(jié)構(gòu)具有更好的抗倒塌能力。2)對(duì)比試件JD1、試件JD2試驗(yàn)結(jié)果可知，試件延性能力存在一定程度降低，降低約30.8%。一般認(rèn)為框架節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)達(dá)到3.0以上即可滿足抗震要求，可見(jiàn)采用PEC方法加固后，試件仍具有良好的延性。3)試件JD2在屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)分別是試件JD1的87%，91%，98%，表明采用PEC方法加固對(duì)試件的耗能能力影響不大。

層間位移角及延性系數(shù) 表5

等效黏滯阻尼系數(shù) 表6

3.5 節(jié)點(diǎn)域相關(guān)構(gòu)件應(yīng)變分析

為研究既有鋼框架中柱節(jié)點(diǎn)采用PEC方法加固前后不同部位的應(yīng)變特點(diǎn)及受力機(jī)理，在柱腹板、梁翼緣及端板布置了應(yīng)變片，試件JD1、試件JD2的應(yīng)變片在各級(jí)循環(huán)加載過(guò)程中對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值如表7所示，應(yīng)變曲線如圖11所示。

圖11 應(yīng)變曲線

(1)由圖11(a)及表7可知，試件JD1在加載過(guò)程中，屈服始于節(jié)點(diǎn)核心區(qū)柱腹板，應(yīng)變值為1 552×10-6，隨著加載位移的增加，柱腹板及端板應(yīng)變測(cè)量值先后超出量程范圍，表明柱腹板及端板均產(chǎn)生嚴(yán)重變形，不能有效傳遞彎矩，梁翼緣應(yīng)變測(cè)量值增量趨于平緩。

各級(jí)循環(huán)加載過(guò)程中對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值ε/(×10-6) 表7

(2)由圖11(b)及表7可知，試件JD2采用PEC方法對(duì)柱進(jìn)行加固后，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪力由柱腹板及混凝土共同承擔(dān)，減小了柱腹板承擔(dān)的剪力，試件屈服始于梁翼緣，應(yīng)變值為1 479×10-6。隨著位移的增加，梁端逐漸形成塑性鉸區(qū)，減小了對(duì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的約束，試件趨于機(jī)動(dòng)體系，腹板及端板應(yīng)變值呈下降趨勢(shì)。

(3)由圖11(c)及表7可知，試件JD2在核心區(qū)混凝土開(kāi)裂之前，柱腹板處應(yīng)變較小，隨荷載不斷增加，柱腹板應(yīng)變逐漸增大，在構(gòu)件屈服時(shí)，試件JD2柱腹板應(yīng)變值為1 056×10-6，較試件JD1屈服時(shí)柱腹板應(yīng)變值1 479×10-6相比明顯減小，可見(jiàn)節(jié)點(diǎn)域混凝土通過(guò)斜壓帶傳力模式分擔(dān)了部分剪力。當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，相比于鋼框架結(jié)構(gòu)而言，采用PEC方法加固后，柱腹板整體屈服并達(dá)到強(qiáng)化階段，梁端逐漸形成塑性鉸區(qū)，應(yīng)變曲線平緩下降，說(shuō)明柱腹板和混凝土的存在，使節(jié)點(diǎn)在加載后期仍舊表現(xiàn)出良好的抗剪和變形能力。

4 結(jié)論

(1)采用PEC方法加固后，框架中柱節(jié)點(diǎn)滯回曲線呈紡錘形，具有鋼框架中柱節(jié)點(diǎn)的力學(xué)特性；試件的初始剛度、承載力分別增加約40%，31.1%，且試件仍具有較好的延性性能。

(2)PEC加固試件在屈服荷載、峰值荷載和破壞荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的等效黏滯阻尼系數(shù)是鋼框架試件的87%，91%，98%，說(shuō)明采用PEC方法加固對(duì)試件的耗能能力影響不大。

(3)采用PEC方法加固后，對(duì)試件梁端受彎承載力影響較小，對(duì)試件塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力影響較大；試件JD2梁端塑性鉸轉(zhuǎn)角為0.032 0rad，與鋼筋混凝土框架相比，梁端具有很好的轉(zhuǎn)動(dòng)能力。

(4)試件JD2在構(gòu)件屈服時(shí)，節(jié)點(diǎn)域混凝土通過(guò)斜壓帶傳力模式分擔(dān)了部分剪力。當(dāng)達(dá)到破壞荷載時(shí)，相比于鋼框架結(jié)構(gòu)而言，采用PEC方法加固后，柱腹板整體屈服并達(dá)到強(qiáng)化階段，梁端逐漸形成塑性鉸區(qū)，應(yīng)變曲線平緩下降，說(shuō)明柱腹板和混凝土的存在，使節(jié)點(diǎn)在加載后期仍舊表現(xiàn)出良好的抗剪和變形能力。

(5)既有鋼框架中柱節(jié)點(diǎn)采用PEC方法加固后的破壞形態(tài)由節(jié)點(diǎn)區(qū)連接端板和柱翼緣鼓曲破壞變?yōu)榱簭澢茐?，?shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。