BRBs加固震損PC框架結(jié)構(gòu)抗震性能試驗

　　摘要：為了研究防屈曲支撐加固震損破壞程度在中等以內(nèi)的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和支撐的滯回耗能，設(shè)計并完成了一榀1/2比例裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬靜力預(yù)損試驗;采用防屈曲支撐對震損結(jié)構(gòu)進行加固，并對加固后的結(jié)構(gòu)再次進行擬靜力試驗。觀察和記錄了加固前后試件的試驗現(xiàn)象和破壞特征，對結(jié)構(gòu)的承載能力、延性系數(shù)、耗能能力等進行了對比分析。試驗結(jié)果表明：加固后，結(jié)構(gòu)的承載力提高了51.3%、耗能增加1.68倍，延性系數(shù)恢復(fù)到結(jié)構(gòu)初始延性的88%，結(jié)構(gòu)承載能力和耗能能力得到顯著提升，延性系數(shù)得到較好恢復(fù);擬靜力加載下，防屈曲支撐加固的震損結(jié)構(gòu)破壞模式為支撐梁鉸破壞模式。震損的裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)仍具有改造價值，采用防屈曲支撐對震損裝配式混凝土框架結(jié)構(gòu)進行加固的方法是有效的。

　　關(guān)鍵詞：土木工程;震損PC框架結(jié)構(gòu);擬靜力試驗;破壞模式;防屈曲支撐

　　0引言

　　裝配式混凝土(PrecastConcrete，PC)結(jié)構(gòu)是指主要構(gòu)件通過工廠預(yù)制后，經(jīng)過現(xiàn)場拼裝而成的建筑結(jié)構(gòu)，具有施工速度快、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。PC結(jié)構(gòu)作為裝配式建筑最主要的結(jié)構(gòu)形式之一，正在得到全面推廣。在地震作用下，PC框架結(jié)構(gòu)難免會出現(xiàn)不同程度的損壞，為使震損PC框架結(jié)構(gòu)能夠盡快恢復(fù)使用、減少地震造成的經(jīng)濟損失，對震損PC框架結(jié)構(gòu)的加固方式進行研究是十分必要的。

　　混凝土論文：論土木工程建筑中混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)

　　防屈曲支撐(Buckling-RestrainedBraces，簡稱BRBs)作為一種性質(zhì)優(yōu)良的耗能減震構(gòu)件，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]�？蚣苤性鲈O(shè)防屈曲支撐，地震作用時，支撐較主體框架先進入屈服，耗散大量地震能，保護關(guān)鍵構(gòu)件不受地震的破壞[2-5];震后，通過更換受損的防屈曲支撐，使結(jié)構(gòu)得到修復(fù)。近年來，有不少關(guān)于BRBs加固框架結(jié)構(gòu)的抗震性能研究。

　　例如，歐陽煜等[6]利用ANSYS軟件對BRBs加固的鋼筋混凝土(ReinforcedConcrete，簡稱RC)框架結(jié)構(gòu)進行了反應(yīng)譜及地震波時程的抗震效果對比分析，發(fā)現(xiàn)在小震作用下,BRBs處于彈性狀態(tài),為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)剛度;在中震作用下,BRBs逐漸進入非線性狀態(tài),作為結(jié)構(gòu)第一道防線消耗地震能量。王靜峰等[7]采用BRBs對完好PC框架結(jié)構(gòu)進行加固，低周反復(fù)荷載試驗結(jié)果表明：BRBs可以有效地提高PC框架的延性及耗能能力，改善其失效模式。

　　喬金麗等[8]發(fā)現(xiàn)用BRBs加固的RC框架結(jié)構(gòu)滯回曲線更加飽滿，有更好的抗側(cè)移能力，能有效控制節(jié)點區(qū)域的裂縫發(fā)展。王婷等[9]提出了BRBs加固震損RC框架結(jié)構(gòu)的方法，發(fā)現(xiàn)BRBs能減小梁柱及節(jié)點處鋼筋的受力，防止在節(jié)點處發(fā)生剪切破壞�？芍�，關(guān)于BRBs加固框架結(jié)構(gòu)的研究，主要集中在既有完好結(jié)構(gòu)及新建結(jié)構(gòu)的研究[10-12]，并有少量關(guān)于BRBs加固震損RC框架結(jié)構(gòu)的研究。目前，缺乏BRBs加固震損PC框架的抗震性能及破壞模式研究。

　　基于此，本文提出了采用BRBs加固震損PC框架結(jié)構(gòu)的方法。設(shè)計并完成一榀單層單跨PC框架結(jié)構(gòu)的擬靜力預(yù)損試驗，經(jīng)BRBs加固后再次進行擬靜力試驗，研究加固前后PC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能、BRBs的耗能能力，論證BRBs加固震損破壞程度在中等以內(nèi)的PC框架結(jié)構(gòu)的可行性。

　　1擬靜力試驗概況

　　1.1試件設(shè)計

　　依據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1-2014)[13]設(shè)計并制作了一榀1/2比例的PC框架子結(jié)構(gòu)模型。層高=1.5m，跨度=3m，柱軸壓比為0.3，考慮到樓板對實際試件的加載會產(chǎn)生影響，框架中增設(shè)樓板，板厚60mm，寬度700mm，縱向受力鋼筋為直徑6mm的HPB300，鋼筋間距220mm。

　　框架梁截面尺寸為150mm×200mm，框架柱截面尺寸為200mm×200mm。防屈曲支撐設(shè)計采用一種基于性能的設(shè)計方法，該方法考慮了結(jié)構(gòu)的能量平衡與塑性設(shè)計，其預(yù)先確定了結(jié)構(gòu)目標(biāo)位移角，從而得到目標(biāo)位移角下結(jié)構(gòu)的設(shè)計基底剪力，最后計算出震損PC框架中防屈曲支撐所需橫截面積。防屈曲支撐采用人字形布置。

　　1.2試件制作及安裝

　　PC框架結(jié)構(gòu)的主要制作工序包括鋼筋制作、設(shè)置預(yù)埋件及連接板位置、支模板及混凝土澆筑、二次澆注、混凝土養(yǎng)護等步驟。根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ1-2014)設(shè)置了深為15mm、寬為50mm的鍵槽;在試件的疊合處、預(yù)制柱頂部設(shè)了粗糙面。 加固震損PC框架時，為了能夠初步恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體工作性能，采用C45細石混凝土替換破損混凝土;支撐與框架則采用焊接的連接形式，通過框架—預(yù)埋件—連接板—防屈曲支撐的焊接順序使框架和支撐完成組合。

　　1.3材料力學(xué)性能

　　同等環(huán)境下澆水養(yǎng)護28d的C30商品混凝土及C45細石混凝土的立方體試塊實測抗壓強度平均值分別為34.2MPa(預(yù)制)、34.1MPa(現(xiàn)澆)與48.0MPa(細石)。鋼筋的力學(xué)性能如表2所示。

　　1.4加載與量測方案

　　首先，進行PC結(jié)構(gòu)的擬靜力預(yù)損試驗;然后，采用BRBs對震損破壞程度在中等以內(nèi)的結(jié)構(gòu)進行加固;加固完成后，對結(jié)構(gòu)再次進行加載與量測方案相同的擬靜力試驗。加固前后的PC框架結(jié)構(gòu)分別編號為PC1與PC2。

　　1.4.1加載方案框架分為L、R兩塊區(qū)域，(靠近水平千斤頂?shù)囊粋?cè)為R區(qū)域，另一側(cè)為L區(qū)域，PC1框架和PC2框架區(qū)域劃分相同)。加載工況以MTS伺服系統(tǒng)的水平向千斤頂?shù)膫?cè)向值來進行描述，當(dāng)水平向千斤頂沿R→L方向推，側(cè)移值為正，沿L→R方向拉，側(cè)移值為負。

　　2擬靜力試驗現(xiàn)象

　　2.1PC1框架試驗現(xiàn)象描述

　　加載到+3mm時，R區(qū)域的框架柱底部出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度為0.02mm。繼續(xù)加載至±10mm，此時梁處的縱筋屈服，柱的鋼筋未屈服。加載工況為+15mm第二圈時，柱的部分開始屈服。加載至側(cè)移超過±30mm時，此時已經(jīng)達到大震塑性位移角限值，梁端的混凝土出現(xiàn)較大剝落現(xiàn)象。柱底角裂縫寬度加大，寬度約3.80mm，出現(xiàn)輕微混凝土剝落。加載至±45mm，此時框架梁、框架柱混凝土破壞較大。試驗停止加載時L區(qū)梁端的混凝土已經(jīng)整片掉落，R區(qū)柱角的也剝落了較大一圈，整體梁端塑性鉸區(qū)的破壞程度大于柱底角。

　　2.2PC2框架試驗現(xiàn)象描述

　　加載至+3mm時，支撐達到屈服狀態(tài);加載工況為+10mm，R區(qū)框架柱預(yù)埋件上端處的混凝土出現(xiàn)裂縫，寬度為0.20mm;加載至+15mm時，部分框架梁的鋼筋開始屈服，柱的鋼筋還未屈服;加載至-20mm，L區(qū)域柱邊緣表面出現(xiàn)混凝土掉落，柱背面形成多條交叉裂縫。R區(qū)梁底沿跨中新增裂縫，樓板面出現(xiàn)貫穿裂縫;加載至±25mm時，柱的鋼筋達到屈服;加載至+25mm第三圈時，防屈曲支撐BRB-R處突然發(fā)出砰的聲響，BRB-R被拉斷，支撐失效;加載至+30mm時，支撐BRB-L處發(fā)出砰的聲響。

　　隨后斷裂，所以到工況±30mm時，L、R區(qū)域的兩根支撐全部被拉斷，而連接板與焊縫依舊完好，此時柱端開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，隨著柱端剝落現(xiàn)象加劇，梁底部混凝土開始剝落;加載至+40mm出現(xiàn)柱預(yù)埋件處有較多的混凝土剝落，主要分布在預(yù)埋件交接處的正面和背面區(qū)域，而柱底角混凝土未出現(xiàn)較大破壞現(xiàn)象。加載至+45mm時，梁端的底部已經(jīng)發(fā)生了較大混凝土剝落;加載至±50mm，整體框架破壞嚴重，試件荷載已經(jīng)達到最大荷載值的85%以下，試驗停止。

　　3擬靜力試驗數(shù)據(jù)分析

　　3.1兩榀框架抗震性能分析

　　3.1.1滯回曲線

　　兩榀框架整體滯回曲線圖�？梢钥闯觯篜C2框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線初始斜率較PC1試件陡峭，說明增設(shè)BRBs能提高結(jié)構(gòu)的承載能力;加固后震損PC框架結(jié)構(gòu)的總耗能提升了1.68倍，承載力也大幅度提升;在支撐破壞之前，PC2框架的滯回曲線較PC1框架飽滿，未出現(xiàn)捏縮現(xiàn)象。在支撐工作階段內(nèi)，PC2框架滯回曲線對稱性良好，說明防屈曲支撐在受壓或者受拉下能夠有較好的受力性能。支撐破壞后，PC2框架的滯回曲線開始捏縮，并且水平承載力開始下降。

　　3.1.2骨架曲線兩榀框架的骨架曲線。

　　可以發(fā)現(xiàn)：PC1框架的承載力分別為336.35kN與-324.97kN，PC2框架的承載力分別為508.34kN與-410.18kN，加固后震損PC框架的承載力分別增長51.3%與26.2%。加載前期，試件的承載力與位移相差不大。加固后試件的骨架曲線斜率較高，有較高的抗側(cè)剛度。

　　隨著位移的增加，PC1框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線斜率逐漸降低，抗側(cè)剛度緩慢減小，承載力穩(wěn)定增加;而震損PC框架結(jié)構(gòu)經(jīng)BRBs加固后，骨架曲線斜率變化較快，抗側(cè)剛度降低也較快，承載力出現(xiàn)明顯增長。加載后期，PC1框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線趨于穩(wěn)定。而經(jīng)BRBs加固后的PC2試件隨著支撐的退出工作，試件承載力出現(xiàn)顯著的下降段。

　　3.1.2防屈曲支撐所提供的耗能

　　計算防屈曲支撐和PC2框架在每個加載工況下的第一圈滯回曲線所圍成的面積。以滯回曲線所圍成的面積表示各自的總耗能值。列出了防屈曲支撐和PC2框架二者的詳細耗能值和支撐耗能比例關(guān)系。對防屈曲支撐的作用主要分為以下階段討論：

　　(1)防屈曲支撐尚未屈服前，主要增強震損PC框架的抗側(cè)剛度與承載力。在支撐屈服階段(層間位移角1/500~1/200)：支撐的耗能量較主體PC框架來的多，在層間位移角1/300時，支撐的耗能比例達到最大值為68%。由于支撐開始屈服，耗能以支撐為主，其充當(dāng)主要耗能構(gòu)件。

　　(2)框架屈服階段(位移角1/150~1/100)：該階段PC框架部分梁、柱鋼筋開始屈服，整體耗能以主體PC框架為主，從中可得支撐耗能比例開始下降，此階段由主體框架成為主要耗能構(gòu)件，支撐充當(dāng)次要耗能構(gòu)件。

　　(3)支撐軸力最大階段(層間位移角1/75~1/50)：在該階段，防屈曲支撐軸力逐漸達到最大值，支撐耗能比例有所上升，在層間位移角1/50(工況30mm)時達到52%，表明后期支撐與框架同時充當(dāng)耗能構(gòu)件。

　　3.3破壞模式對比

　　混凝土結(jié)構(gòu)中，試件的破壞模式包括梁鉸模式、柱鉸模式以及梁柱鉸混合模式，根據(jù)試驗現(xiàn)象分析并對比震損PC框架加固前后的破壞模式。PC1框架的的破壞模式：框架梁筋屈服后，梁端及跨中梁開展多條裂縫。隨著加載的進行，梁端通過塑性鉸的轉(zhuǎn)動進一步耗能，而柱端塑性鉸區(qū)出現(xiàn)較晚。在豎向荷載的持續(xù)加載下，柱筋屈服后，柱腳裂縫沿柱中發(fā)育，混凝土開始產(chǎn)生破壞。

　　此時，結(jié)構(gòu)將柱端塑性鉸區(qū)作為基點繞著柱根部做剛體轉(zhuǎn)動，整體結(jié)構(gòu)依靠柱的轉(zhuǎn)動耗能增強。因此，PC1框架的破壞模式滿足典型的梁鉸模式。PC2框架的破壞順序為：支撐進入屈服→梁端出現(xiàn)塑性鉸→梁鉸轉(zhuǎn)動耗散能量→柱底端出現(xiàn)塑性鉸→柱鉸出現(xiàn)上升趨勢→支撐失效→梁鉸處混凝土破壞嚴重→柱鉸移動到預(yù)埋件上端→該處形成新柱鉸且混凝土破壞嚴重→整體框架破壞嚴重。因此，PC2框架的破壞模式遵循：BRBs-梁-柱的破壞順序。

　　4結(jié)論

　　本文完成了PC框架的預(yù)損試驗，接著采用BRBs對震損破壞程度在中等以內(nèi)的PC框架進行加固，并對加固后的PC框架再次進行擬靜力試驗，對比分析加固前后框架的抗震性能、破壞模式，研究了BRBs的滯回耗能，從而得到以下結(jié)論：

　　(1)對比滯回曲線，震損PC框架經(jīng)支撐加固后，承載力增長51.3%，總耗能提升1.68倍，表明支撐能顯著提高結(jié)構(gòu)的承載力與耗能能力;在位移延性上，加固后PC框架恢復(fù)到結(jié)構(gòu)初始延性的88%;在耗能比ψ值上，震損PC框架增長了16%�？梢�，震損PC框架經(jīng)BRBs加固后，抗震性能得到大幅度提升，加固效果明顯。

　　(2)在不同加載階段，經(jīng)過BRBs加固的震損PC框架的耗能能力得到了不同程度的提升。支撐的作用可概述為：當(dāng)位移角1/1500至1/200間，支撐充當(dāng)主要耗能構(gòu)件;當(dāng)位移角1/150至1/100間，PC框架作為主要耗能構(gòu)件，支撐起到輔助耗能作用;當(dāng)位移角1/75至1/50間，兩者共同耗能。

　　(3)對比震損PC框架加固前后的屈服順序與破壞模式：加固前，PC框架的屈服順序為框架梁-框架柱，破壞模式為典型的梁鉸模式，破壞模式合理;加固后，PC框架的屈服順序為支撐-框架梁-框架柱，破壞模式為支撐梁鉸模式。

　　參考文獻

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　　作者：陳偉宏1，陳艷2，洪秋榕1，崔雙雙2，顏學(xué)淵1

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