加固用鋼量對框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

陳 廉 汪訓(xùn)流

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)老齡化的發(fā)展、原有建筑使用功能的改變、抗震設(shè)防要求的提高以及災(zāi)變作用的影響等諸多因素,促使大量既有建筑不斷產(chǎn)生各種安全隱患。據(jù)統(tǒng)計,我國現(xiàn)存的各種建筑物總面積在100億m2以上,有一半以上投入使用已超過20年,需加固維修的建筑物約為25億m2,其中絕大多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)[1]。有資料表明,建筑物加固改造比新建可節(jié)約投資約40%、縮短工期約50%、比收回投資的速度快 3倍～4倍[2]。因此,建筑結(jié)構(gòu)加固改造已成為我國建筑業(yè)一個新的發(fā)展熱點,與之相應(yīng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及方案的研發(fā)和應(yīng)用也已成為結(jié)構(gòu)工程的重點領(lǐng)域之一。粘鋼加固是混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的一種典型加固方法,其對結(jié)構(gòu)的自重影響不大,可應(yīng)用于梁、柱、板的承載力加固。為方便材料采購、便于加固施工以及基于對加固計算不確定性的考量,實際工程中粘鋼加固設(shè)計時往往會統(tǒng)一鋼板規(guī)格并加大鋼板用量,從而導(dǎo)致鋼板用量的無謂增加,即實際用量遠(yuǎn)大于計算用量。針對這種現(xiàn)象,本文以一混凝土框架為例,對加固用鋼量變化給予結(jié)構(gòu)抗震性能的影響作了一些初步探討。

1 粘鋼加固方法

粘鋼加固法,是指用專用粘結(jié)劑(粘鋼膠)把鋼板粘貼在混凝土構(gòu)件的表面,形成一種“混凝土—膠—鋼”三相復(fù)合體系,從而使鋼板與混凝土協(xié)同工作的一種加固方法,可用于混凝土構(gòu)件的抗彎和抗剪加固。主要特點是施工速度快、不影響結(jié)構(gòu)外形,但鋼板自重及剛度較大、施工較困難。基本施工工藝流程為:基層打磨→鉆孔→植膨脹螺栓/化學(xué)錨栓→涂刷底膠(界面劑)→涂刷粘鋼膠→粘貼鋼板→固定膨脹螺栓/化學(xué)錨栓→噴涂防護涂料。

2 算例分析

本文采用已開發(fā)的三維桿系結(jié)構(gòu)纖維模型程序NAM-PC/RC[3,4],對文獻(xiàn)[6]算例的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在五種不同加固用鋼量下的抗震性能進行計算分析。

2.1 程序NAM-PC/RC

程序NAM-PC/RC是基于MSC.MARC開發(fā)的纖維模型程序,以空間梁單元建模,單元截面特性由纖維模型確定,已應(yīng)用于復(fù)雜受力狀態(tài)下鋼筋混凝土(RC)及預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)桿系結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性計算分析[3,4],取得了良好的計算精度。

2.2 數(shù)值計算與結(jié)果

文獻(xiàn)[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做密集柜書庫,二、三層樓面使用活荷載由2.0 kN/m2提高到12.0 kN/m2,經(jīng)計算需對部分梁柱進行加固處理。梁柱尺寸及配筋、材料強度等級見文獻(xiàn)[6]。采取五種加固用鋼板用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,第一種加固用鋼板用量按鋼筋等強加固原則并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求得到。

表1 加固用鋼量列表 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滯回性能進行了數(shù)值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認(rèn)為是對中震作用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力性能的近似模擬。圖1～圖4為不同加固用鋼量下結(jié)構(gòu)基于頂層加載點的計算結(jié)果。其中,圖1為滯回曲線的比較,圖2為相對承載力的比較,圖3為相對剛度的比較,圖4為相對累計滯回耗能的比較。

先考察加固后結(jié)構(gòu)的承載力和加載剛度。由圖2可知,結(jié)構(gòu)的承載力隨加固用鋼量的增大而增大,但增長幅度逐步減小,主要原因在于隨著用鋼量的增大結(jié)構(gòu)被加固構(gòu)件逐步進入超筋狀態(tài),超筋狀態(tài)下混凝土構(gòu)件的最終承載力取決于壓區(qū)混凝土的強度、用量以及變形性能而非取決于拉區(qū)的用鋼量。由圖3可知,結(jié)構(gòu)的加載剛度隨加固用鋼量的增大而基本呈線性增長,表明加固用鋼量對于結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)與其用量基本成正比。

就耗能能力而言,圖4比較了不同加固用鋼量下的累計滯回耗能能力,由圖4可知,耗能能力并不隨用鋼量呈增長關(guān)系卻呈現(xiàn)出某種程度的遞減趨勢,表明進入超筋狀態(tài)后的鋼筋混凝土構(gòu)件的耗能能力將受諸多因素的影響而并不主要依賴于用鋼量。圖中后續(xù)接近平直的曲線表明,中震作用狀態(tài)下超筋結(jié)構(gòu)的耗能能力主要取決于壓區(qū)混凝土的材料及變形性能,當(dāng)混凝土材料不變時,耗能能力將趨于一定值。

綜合比較圖3,圖4可知,加固用鋼量的增加帶來了結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度的增大卻導(dǎo)致了其耗能能力的降低,而地震中地震作用的分布往往與剛度相關(guān)。這一關(guān)系表明,增加的加固用鋼量使得被加固構(gòu)件吸引了更多的地震能量卻不能完全依靠自身進行耗散而要借助相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷或毀壞來加以消耗,從而大大增加了地震破壞的不確定性和復(fù)雜性。

3 結(jié)語

通過對不同加固用鋼量下框架滯回性能的數(shù)值模擬可見,加固用鋼量的大小對結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生較大影響。其中,承載力、加載剛度隨著用鋼量的增大而增大,且加載剛度基本隨加固用鋼量成線性增長;而隨著超筋狀態(tài)的不斷推進,被加固結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力卻隨著用鋼量的增大而減小并很快趨于定值。地震中,剛度增加所帶來的更多地震能量則因被加固構(gòu)件自身耗能能力的降低而不得不依靠相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷甚至毀壞來加以消耗,這導(dǎo)致了地震破壞的不確定性和復(fù)雜性,不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。特別是現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)加固設(shè)計中,尚無有效方法和手段對加固后結(jié)構(gòu)進行全面合理的抗震驗算,這就更加導(dǎo)致了剛度無謂增加所帶來的結(jié)構(gòu)安全隱患的隱蔽性。因此,結(jié)構(gòu)加固設(shè)計中應(yīng)嚴(yán)格控制加固用鋼量,盡量避免用鋼量的無謂增加。

[1]張益多,劉榮桂.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用綜述[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,24(6):91-94.

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[3]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),2007.

[4]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.

[5]武建立.框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震反應(yīng)分析[J].山西建筑,2008,34(28):94-95.

[6]Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysis on Seismic Performance ofRC FrameunderDifferent Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(35):158-161.