復(fù)位性能參數(shù)在加固計算分析中的應(yīng)用

陳 廉 汪訓(xùn)流

0 引言

復(fù)位性能以控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的殘余變形為目標(biāo),是研究受力(如地震、風(fēng)載、爆炸等)后或受損(如材料老化、環(huán)境變遷等)后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可修復(fù)性的性能指標(biāo)。實際震害表明,結(jié)構(gòu)震后殘余變形過大,會因無法修復(fù)到正常使用狀態(tài)而被最終拆除。如1995年日本阪神大地震中,因殘余位移角超限,約100個橋柱被拆除重建[1]。而房屋建筑中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底層柱底塑性鉸的出現(xiàn)難以避免[2],過大的塑性變形也會使結(jié)構(gòu)無法修復(fù)而被拆除。

我國建筑結(jié)構(gòu)受老齡化、使用功能改變、抗震設(shè)防提高及災(zāi)變作用等多因素影響,正大量步入待加固改造行列,成為結(jié)構(gòu)專業(yè)意義上的“老建筑”。將復(fù)位性能的研究延伸到加固改造領(lǐng)域,是全面評估既有“老建筑”抗震性能、有效避免重復(fù)加固與維修,節(jié)約資金資源,實現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)的一條可行途徑。本文以因使用功能改變導(dǎo)致承載力不足的一混凝土框架為例,結(jié)合加固領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的粘鋼加固方法,對結(jié)構(gòu)復(fù)位性能參數(shù)在加固計算分析中的初步應(yīng)用進行一些簡單探討。

1 復(fù)位性能與參數(shù)

1.1 基本概念

荷載作用卸載后,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有使自身從荷載作用時的最大變形狀態(tài)向荷載作用前的初始狀態(tài)回復(fù)的能力,將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的這種向初始狀態(tài)回復(fù)的能力稱為“復(fù)位能力”,并稱這種性能為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的“復(fù)位性能”[4]。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力與其變形能力既有聯(lián)系又有區(qū)別。變形能力是指在維持一定承載能力的情況下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所能承受的最大變形,是目前基于位移抗震設(shè)計方法的研究重點。而復(fù)位能力則以結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的殘余變形為目標(biāo),同時考察相應(yīng)的最大變形,所以復(fù)位能力的研究是對基于位移抗震設(shè)計方法研究的發(fā)展和補充。

1.2 主要參數(shù)

其中,Dr為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用后的殘余變形;Dm為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用(同一荷載循環(huán))時的最大變形。

復(fù)位能力系數(shù)γ反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件復(fù)位能力的大小,γ越大則復(fù)位能力越大,一般0≤γ≤1。通常 γ＞0,除非結(jié)構(gòu)倒塌破壞;而當(dāng) γ=1時 Dr=0,表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有完全復(fù)位能力,如彈性受力狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件存在多種力—變形曲線,如彎矩—曲率曲線、彎矩—轉(zhuǎn)角曲線、荷載—撓度曲線、層間剪力—層間側(cè)移曲線、基底剪力—頂點側(cè)移曲線等。對應(yīng)不同類型的力—變形曲線,復(fù)位能力系數(shù) γ可為構(gòu)件的曲率型復(fù)位能力系數(shù)γφ、轉(zhuǎn)角型復(fù)位能力系數(shù)γθ、撓度型復(fù)位能力系數(shù) γf或結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移型復(fù)位能力系數(shù)γδ、頂點側(cè)移型復(fù)位能力系數(shù) γΔ等,即:

為反映復(fù)位能力大小,定義復(fù)位能力系數(shù)γ[4]:

其中,相應(yīng)符號是將式(1)中的變形D分別取構(gòu)件的曲率φ、轉(zhuǎn)角θ、撓度 f、結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移δ和頂點側(cè)移Δ。

2 加固計算與分析

2.1 加固算例

文獻[6]算例為某8度區(qū)一棟3層鋼筋混凝土框架辦公樓因需要改作密集柜書庫,二、三層樓面使用活荷載由2.0 k N/m2提高到12.0 kN/m2,經(jīng)計算需對部分梁柱進行加固處理。采取五種加固用鋼量對該框架進行粘鋼加固,如表1所示,鋼板均沿構(gòu)件通長布置,并與構(gòu)件同寬。其中,第一種加固用鋼量按鋼筋等強加固原則并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求得到,可稱為“基本加固用鋼量”。

表1 加固量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用頂層位移加載對五種不同加固用鋼量下框架的受力性能進行數(shù)值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認為是對中震作用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力特性的近似模擬?？蚣艿牧褐叽纭⑴浣?、材料強度等級及加載方式見文獻[6],計算結(jié)果見圖1。

2.2 計算結(jié)果分析

圖1為克服滯回曲線對結(jié)構(gòu)復(fù)位性能表征的不足,引入復(fù)位能力系數(shù)來表達不同加固用鋼量下結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能比較?？紤]論文篇幅因素,圖中只給出了最大荷載循環(huán)時基于式(2)頂點側(cè)移Δ下的復(fù)位能力系數(shù)γΔ的比較。由圖1可知,隨著加固用鋼量的增大,γΔ先增大后減小,當(dāng)用鋼量為“基本加固用鋼量”2倍左右時 γΔ達最大值。

復(fù)位能力系數(shù)增大的主要原因可以解釋為,處于彈性受力狀態(tài)的鋼材成分因用鋼量的增大而增多,從而促進了荷載作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)。而復(fù)位能力系數(shù)具有的極值型非單調(diào)且非線性遞增特性表明,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力不僅受材料構(gòu)成中的彈性成分影響,還與其他非線性或塑性成分(如混凝土的受拉開裂、受壓軟化等)相關(guān),也說明了復(fù)位能力系數(shù)可以綜合反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)在的彈性恢復(fù)特性。具體到本文算例,因結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部的截面應(yīng)力重分布和塑性內(nèi)力重分布,加固用鋼量的增加并不能夠帶來結(jié)構(gòu)復(fù)位能力系數(shù)的持續(xù)增長。因此,對于加固改造領(lǐng)域,應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能和滯回性能(如耗能能力),尋求最優(yōu)加固量,以最大限度保障結(jié)構(gòu)受力或受損后的使用功能。

3 結(jié)語

1)滯回曲線及與之相關(guān)的已有力學(xué)和變形參數(shù)尚不能有效反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力,需要引入新的計量參數(shù)來進行復(fù)位性能的研究;

2)復(fù)位能力系數(shù)可以綜合反映材料構(gòu)成中彈性成分、非線性成分及塑性成分等不同因素對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件復(fù)位能力的影響,是研究復(fù)位性能的基本參數(shù);

3)復(fù)位能力系數(shù)并不隨加固用鋼量的增加呈單調(diào)遞增趨勢而卻存在極值,表明即使就復(fù)位單項性能而言,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件也存在一個最佳加固量;

4)加固改造領(lǐng)域計算分析中,應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位性能和滯回及其他傳統(tǒng)意義上的性能指標(biāo),尋求最優(yōu)加固量,以實現(xiàn)資金資源的節(jié)約;

5)復(fù)位能力系數(shù)的影響因素分析及指標(biāo)定級如中震指標(biāo)、大震指標(biāo)等,應(yīng)是今后在該領(lǐng)域進行研究的方向。

[1] Zatar W,Mutsuyoshi H.Residual Displacements of Concrete Bridge Piers Subjected to Near Field Earthquakes[J].ACI Structural Journal,2002,99(6):740-749.

[2] Paulay T,Priestley M JN.Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings[J].John Wiley and Sons Inc,1992(3):98-106.

[3] Priestley M J N.Myths and fallacy in earthquake engineeringconflicts between design and reality[J].Concrete International,1997(11):54-63.

[4] 汪訓(xùn)流.配置高強鋼絞線無粘結(jié)筋混凝土柱復(fù)位性能的研究[D].北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

[5] 汪訓(xùn)流,陸新征,葉列平.往復(fù)荷載下鋼筋混凝土柱受力性能的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué),2007,24(12):76-81.

[6] Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysison Seismic Performance of RC Frame under Different Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(7):158-161.