新型體外預應(yīng)力加固混凝土框架柱抗震性能研究

宋 彧,李少雄

(蘭州理工大學土木工程學院,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)用和試驗研究顯著增多[1]。眾多學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)、預應(yīng)力鋼帶橫向加固技術(shù)、CFRP橫向約束技術(shù)、預應(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,但后澆自密實混凝土強度提高會導致柱延性降低[8]。

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

1 試驗設(shè)計

1.1 預應(yīng)力裝置

加固裝置布置和內(nèi)力傳導如圖1所示。豎向承力角鋼利用化學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,即完成體外預應(yīng)力施加,從而實現(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Fig.1 Reinforcement and internal force conduction

表1 鋼材性能

混凝土強度為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命令綁定進行約束。鋼筋、角鋼通過Embedded region命令整體嵌入混凝土中進行約束。柱基礎(chǔ)與地面完全固結(jié)。

2.3 加載機制與邊界條件

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

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)域為20 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。

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)進入屈服階段,曲線斜率下落明顯,同時滯回環(huán)面積增大。水平加載后期,試件進入塑性,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。曲線進入彈塑性后,預應(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應(yīng)力使得梁受力狀態(tài)更加復雜,預應(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,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試件屈服和最大荷載提升效果一樣,復合加固方案在曲線塑性破壞下降段表現(xiàn)較好。

預應(yīng)力水平對試件屈服和最大荷載影響不大,前期施加預應(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,加固試件能耗達到最高。豎向預應(yīng)力水平對加固試件能耗影響不大,且預應(yīng)力水平提高后試件能耗進一步降低。軸壓比為0.2時,單獨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合加固方式。

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

3.5 延性

由試件的骨架曲線可計算其延性系數(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)相較未加固時僅提高5%。隨著預應(yīng)力水平提高,加固試件延性也顯著提高。豎向預應(yīng)力水平為12 MPa時,加固試件延性系數(shù)達到最大值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。軸壓比達到最大值0.8時,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)在往復動力加載中的不利影響要小于梁柱端豎向預應(yīng)力卸荷加固法。

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

(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。