U形鋼套連接消能支撐的高速擬靜力試驗(yàn)

翁大根 楊 凱 呂西林 張 超 李守恒 肖 彤 欒文芬

(1.同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海200092;2.烏魯木齊建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，烏魯木齊830000;3.烏魯木齊市建設(shè)委員會設(shè)計(jì)處，烏木魯齊830000)

1 引言

在采用消能減震技術(shù)的框架結(jié)構(gòu)抗震加固工作中，裝有阻尼器的消能支撐與框架的連接節(jié)點(diǎn)起著傳遞阻尼力的重要作用，節(jié)點(diǎn)連接板件傳力的可靠性決定了加固工作的有效性。由于既有建筑往往還在正常使用著，安裝消能支撐常受到許多室內(nèi)外現(xiàn)存裝飾件的約束。如對于外柱因?yàn)橥鈮ρb飾不可破壞，從而導(dǎo)致梁柱節(jié)點(diǎn)的包裹變得不完備。盡管《建筑消能減震技術(shù)規(guī)程》(JGJ 297—2013)[1]、《建筑結(jié)構(gòu)消能減震(振) 設(shè)計(jì)》圖集(09SG 610—2)[2]中都提出了一些連接消能支撐的梁柱節(jié)點(diǎn)建議，如構(gòu)件外表面對貼鋼板，采用對穿螺栓連接等。但是實(shí)際工程中梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋加密，且在梁柱直角處還有加勁肋，這都使得連接鋼板的螺栓施工困難重重。據(jù)此筆者等在文獻(xiàn)[3]中提出了采用全包鋼套法連接消能支撐來加固框架節(jié)點(diǎn)，如圖1(a)、圖1(b)所示。這種全包鋼套的消能支撐連接方式是在鋼套與構(gòu)件空隙中，填充水泥類無收縮灌漿料或粘結(jié)劑使得鋼板與梁柱構(gòu)件基本保持整體，以保證阻尼器的有效出力傳遞到框架節(jié)點(diǎn)上。這對填充料本身的強(qiáng)度和粘結(jié)性能有一定的要求，同時(shí)需要保證在施工過程中填充料灌注的密實(shí)性。該方法的缺點(diǎn)是要對樓板開洞，遇有填充墻時(shí)還會破壞墻與柱的連接，操作面大;優(yōu)點(diǎn)是不會對原梁柱造成傷害，傳力可靠、均勻。

為了克服消能支撐連接件施工中的困難和保證連接可靠，筆者在新疆的校安工程中使用了一種所謂U形鋼套連接方案?？梢员苊鈽前宕竺娣e開洞和避開梁端負(fù)筋加密區(qū)穿越螺栓，如圖1(c)所示。為了檢驗(yàn)這種連接方式的可靠性，本文通過近似原型的試件高速擬靜力試驗(yàn)來驗(yàn)證。

圖1 消能支撐節(jié)點(diǎn)連接方式Fig.1 Joint connection style of energy dissipation brace

2 U形鋼套連接消能部件加固方法

外包U形鋼套的消能支撐連接方式主要是在既有框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的梁柱表面粘貼單片鋼板，其后將各單片鋼板焊接成型，鋼套與框架節(jié)點(diǎn)通過對穿螺栓和植筋螺栓連接成一個(gè)整體，如圖1(c)所示。節(jié)點(diǎn)區(qū)梁頂面的縱向鋼筋雖然較密，但腰部鋼筋卻較稀疏，U形鋼套連接方式有效地利用了這一特點(diǎn)。且值得一提的是，本文提出的方法無須貫穿樓板且無須破壞外墻與柱的連接，這給實(shí)際施工帶來了極大的便利。本文建議的U形鋼套法連接方式，需先根據(jù)計(jì)算選定傳力構(gòu)件螺栓的尺寸、個(gè)數(shù)及位置，之后再在對應(yīng)的框架節(jié)點(diǎn)上開螺栓孔，而后粘貼鋼板并焊接成型，再在螺栓孔內(nèi)注入結(jié)構(gòu)膠，最后對穿、植入螺栓。在螺栓孔中注入結(jié)構(gòu)膠，不僅能填補(bǔ)孔與螺栓間的間隙，同時(shí)也能將阻尼力較為均勻地傳遞到框架梁柱上。

此外，值得注意的是，由于U形鋼套連接方式需對梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)鉆出能穿越螺栓的孔洞，為了避免對節(jié)點(diǎn)區(qū)的破壞，在開孔前需運(yùn)用鋼筋探測儀測試鋼筋的位置，設(shè)計(jì)和開孔需避開結(jié)構(gòu)中的鋼筋。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

U形鋼套法這一連接形式采用螺栓連接件將外包鋼固定在混凝土構(gòu)件上。這就牽涉到如何確定螺栓的個(gè)數(shù)、尺寸、間距以及外包鋼套的大小才能保證附加粘滯阻尼器的有效出力。

對U形鋼套以及螺栓部分的設(shè)計(jì)[4]可考慮阻尼器出力過程中，U形鋼套兩側(cè)的螺栓同時(shí)受剪彎作用而柱鋼套的正面螺栓有抗拔作用。當(dāng)植筋螺栓的植入深度滿足植筋膠的要求時(shí)，可根據(jù)以下公式[5]

估算單個(gè)植筋螺栓被拔出的破壞荷載，其中，τmax為植筋膠的最大抗剪應(yīng)力，d為植入螺栓的直徑，l為螺栓的植入深度。對U形鋼套側(cè)面螺栓的設(shè)計(jì)，可以參考剪力螺栓群的計(jì)算方法[4]，即螺栓群(共n個(gè)螺栓)在通過其形心的剪力V和軸力N作用下，每個(gè)螺栓受力相同，每個(gè)螺栓受力為

螺栓群在彎矩作用下，每個(gè)螺栓實(shí)際受剪。計(jì)算時(shí)假定連接構(gòu)件是絕對剛性的，螺栓則是彈性的，所以螺栓都繞螺栓群的形心旋轉(zhuǎn)，其受力大小與到螺栓群形心的距離成正比，方向與螺栓到形心的連線垂直(圖2)。

設(shè)螺栓1，2，…，n到螺栓群形心O點(diǎn)的距離為r1，r2，…，rn，各螺栓承受的力分別為，，…，。根據(jù)平衡條件得式(3):

圖2 剪力螺栓群受力分析Fig.2 Force analysis of shear bolt group

螺栓受力大小與其到形心的距離成正比，即式(4):

將式(4)代入式(3)得:

從圖中可以看出，NM1離形心最遠(yuǎn)，其受力最大，將它分解成NM1x和NM1y。

在彎矩和剪力共同作用下，螺栓1的受力為

而受剪螺栓存在兩種破壞形式:一種是螺桿剪切破壞;一種是鋼板孔壁擠壓破壞。故一個(gè)剪切螺栓的承載力按下列兩式計(jì)算:受剪承載力:

承壓承載力:

取二者中的最小值，即

當(dāng)螺栓的受力滿足公式

則表明設(shè)計(jì)螺栓滿足抗剪彎要求。

在設(shè)計(jì)螺栓間距時(shí)，按文獻(xiàn)[4]中螺栓最大和最小容許間距的要求有:

(1)螺栓與螺栓間的最大容許間距不宜大于12d或18t兩者之中的較小值，最小容許間距不宜小于3d。

(2)螺栓至鋼板邊緣的距離不宜小于2d。

兼顧螺栓的承載力計(jì)算和間距要求可確定U形鋼套的尺寸。同時(shí)，鋼板的厚度則可根據(jù)鋼板可能受到的孔壁擠壓破壞來設(shè)計(jì)。

4 試驗(yàn)U形鋼套連接件的設(shè)計(jì)

nv——每個(gè)螺栓的剪切面數(shù)，單剪nv

=1.0 ，雙剪 nv=2.0;

d——螺桿直徑;

∑t—— 在同一受力方向的承壓構(gòu)件的較小總厚度;

為了方便試件的澆筑，本次試驗(yàn)采用近似于原型的平面框架試件，即忽略實(shí)際工程中樓板的影響。相應(yīng)的試件如圖3所示，其中J－1試件為附加斜撐形消能支撐試件，J－2試件為附加人字形消能支撐試件。然而與試驗(yàn)相比，現(xiàn)實(shí)工程中樓板是必然存在的。若采用和試驗(yàn)完全一致的U形鋼套，則需要對某些樓板進(jìn)行打穿。且當(dāng)框架柱的尺寸較大時(shí)，在柱上鉆對穿螺栓孔也會給施工帶來很大的難度。為了避免對樓板進(jìn)行開洞和對大尺寸柱鉆對穿螺栓孔的復(fù)雜性，筆者提出了如圖4所示的等效做法，這些做法在新疆校安工程中得以運(yùn)用。

圖3 構(gòu)件制作Fig.3 Fabrication of testing specimens

圖4 帶樓板的U型鋼套詳圖Fig.4 Details of U-shaped steel jacket with floor

對本次試驗(yàn)U形鋼套的設(shè)計(jì)以J－1試件為例。鑒于本次阻尼器出力需達(dá)到600 kN，初步設(shè)定U形鋼套的板材采用16 mm厚Q235級鋼制作，螺栓均采用直徑為20 mm的8.8級高強(qiáng)螺栓，梁、柱側(cè)面對穿螺栓個(gè)數(shù)均為4個(gè)。根據(jù)植筋膠的性能要求，柱正面螺栓植筋深度為180 mm，柱正面植筋螺栓共兩個(gè)。根據(jù)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震原則、梁和柱內(nèi)鋼筋的分布位置以及螺栓的最大、最小容許間距要求，初步擬定J－1試件U形鋼套連接件的基本形狀及尺寸，如圖5所示。

圖5 U型鋼套側(cè)面圖Fig.5 The profile of U-shaped plates

在實(shí)際工程中，為了避免阻尼器實(shí)際行程的損失，與阻尼器直接相連的節(jié)點(diǎn)板一般都具有較大的剛度，力學(xué)上可近似處理為剛體。節(jié)點(diǎn)板一般通過焊接技術(shù)連接到梁、柱的U形鋼套上的，這就使得梁鋼套、柱鋼套和節(jié)點(diǎn)板三者組成一個(gè)剛度很大的整體。故在設(shè)計(jì)側(cè)面受剪螺栓時(shí)，可將梁和柱側(cè)面的抗剪螺栓當(dāng)作一個(gè)整體的螺栓群來分析。具體的力學(xué)模型如圖6所示。取U形鋼套一側(cè)螺栓群進(jìn)行分析。設(shè)斜向阻尼器總出力大小為2F，分解到U形鋼套側(cè)面的力為F2，彎矩為M，作用點(diǎn)為8個(gè)側(cè)面對穿螺栓的形心點(diǎn)O。根據(jù)上述螺栓受剪彎作用的理論及圖6力的分解情況可知b位置螺栓受力最大。

圖6 U型鋼套整體受力模型Fig.6 The force model of U-shaped plates

根據(jù)力的平衡關(guān)系及式(6)、式(7)可知b處螺栓受力為

若設(shè)計(jì)的螺栓滿足Nb≤的要求，則試算成功，否則需調(diào)整螺栓個(gè)數(shù)及間距。

5 試件模型準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證本文所述外包U形鋼套連接消能部件加固既有框架結(jié)構(gòu)的可靠性，本文對框架試件J-1、J-2進(jìn)行了高速擬靜力試驗(yàn)。J-1試件的支撐采用圓鋼管，鋼管的截面為外徑190 mm，內(nèi)徑160 mm的圓環(huán)。J-2試件的支撐采用截面為250×250×9×14的工字鋼。試驗(yàn)中阻尼器采用上海材料所生產(chǎn)的缸式黏滯阻尼器，其設(shè)計(jì)參數(shù)Cv=270 kN/(mm/s)α，α =0.15，具體的產(chǎn)品性能參見圖7所示。試驗(yàn)內(nèi)容包括外包U鋼套附加消能支撐的加固作業(yè)及加固后兩次擬靜力加載試驗(yàn)。如圖8所示為兩個(gè)構(gòu)件的尺寸參數(shù)和配筋信息，混凝土等級為C35。試驗(yàn)中采用正弦波加載，通過位移控制，具體的加載制度如表1所列。

如圖9為采用U形鋼套法連接阻尼器加固門式框架試件的裝置示意圖。阻尼器支撐部件兩端均采用鉸接。為了模擬使用過程中柱的軸壓比，在門式框架的柱頂分別安裝了兩個(gè)最大出力為300 kN的液壓千斤頂來施加豎向荷載。對試件的水平加載由固定在反力墻上的伺服作動(dòng)器來完成。本次試驗(yàn)所采用的伺服作動(dòng)器為同濟(jì)大學(xué)嘉定校區(qū)新引進(jìn)的作動(dòng)器，其最大動(dòng)荷載可達(dá)1 000 kN，最大速度可達(dá)200 mm/s，最大位移為300 mm。

6 試件結(jié)果分析

圖10、圖11分別為構(gòu)件J-1、J-2的加載滯回曲線及阻尼器耗能滯回曲線。相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果如圖15、圖16所示。試驗(yàn)過程中，由于J-2試件中測量阻尼器出力的應(yīng)變片失效，故僅測得J-2試件阻尼器的位移，無法測出阻尼器的出力。圖13給出了J-2試件加載到65 mm時(shí)試驗(yàn)得到

圖7 黏滯阻尼器性能曲線Fig.7 Performance curve of the viscous damper

圖8 框架試件的模型信息Fig.8 Details of test specimens

表1 基于位移的試驗(yàn)加載制度Table 1 Displacement-based loading schemes

圖9 試驗(yàn)裝置圖Fig.9 Testing setup

從圖12及圖14中可以看出阻尼器的最大出力均超過530 kN。而在整個(gè)試驗(yàn)過程中U形鋼套、螺栓及節(jié)點(diǎn)核心區(qū)未見破壞，這就說明了這種U形鋼套連接形式用于連接阻尼器支撐的節(jié)點(diǎn)加固是現(xiàn)實(shí)可行的。

J-1試件最終梁端位移加載到70 mm，構(gòu)件實(shí)際的層間位移角為1/45。如圖15所示，構(gòu)件最終沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞情況，但裂縫分布廣泛。在J-2試件試驗(yàn)過程中，當(dāng)梁端加載位移達(dá)16 mm

的阻尼器位移圖。為了彌補(bǔ)試驗(yàn)過程中部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失并排除試驗(yàn)中可能存在的不確定因素，本文采用通用有限元軟件ABAQUS針對兩個(gè)試件進(jìn)行了數(shù)值模擬工作。其中，梁柱混凝土及鋼套采用實(shí)體單元模擬，鋼筋采用桁架單元模擬而黏滯阻尼器部分則采用ABAQUS自帶的SPRING/DASHPOT單元來模擬?；炷敛牧喜捎肁BAQUS自帶的塑性損傷本構(gòu)而鋼材采用了雙線性隨動(dòng)硬化本構(gòu)。

圖12對比了J-1試件阻尼器試驗(yàn)得出的滯回曲線與數(shù)值模擬得出的滯回曲線。圖14為數(shù)值模擬得到的J-2試件阻尼器滯回曲線。時(shí)，梁上沿U形鋼套外側(cè)開始出現(xiàn)受剪斜裂縫;當(dāng)梁端加載位移達(dá)到36 mm時(shí)，此斜向裂縫基本發(fā)展成斜向通縫。梁端加載位移增大到50 mm時(shí)，U形鋼套外側(cè)梁底混凝土開始壓碎掉落;最后加載至65 mm，U形鋼套外側(cè)梁底混凝土破壞嚴(yán)重，鋼筋壓屈明顯，而U形鋼套部分仍完好無損，此時(shí)構(gòu)件實(shí)際的層間位移角已達(dá)1/48，試驗(yàn)結(jié)束。最終的破壞情況如圖16所示。通過對比圖15、圖16可見，在梁U形鋼套外側(cè)的裂縫明顯比U形鋼套里的裂縫要寬，且未包U形鋼套的節(jié)點(diǎn)區(qū)比包U形鋼套的節(jié)點(diǎn)區(qū)裂縫開展豐富，究其原因主要是:附加U形鋼套對節(jié)點(diǎn)區(qū)具有明顯的加腋作用，這使得節(jié)點(diǎn)區(qū)剛度顯著增大形成剛域，剛域處變形較小，塑性鉸被轉(zhuǎn)移到梁鋼套外。

圖10 J-1試件及阻尼器的滯回曲線Fig.10 Hysteresis curve of J-1and its damper

圖11 J-2試件及阻尼器的滯回曲線

圖12 J-1試件阻尼器滯回對比Fig.12 Hysteresis curve comparison of J-1’s damper

圖13 J-2試件阻尼器位移曲線Fig.13 Displacement curve of J-2’s damper

圖14 J-2試件阻尼器模擬滯回曲線Fig.14 Modeling hysteresis curve of J-2’s damper

從圖12中不難發(fā)現(xiàn)，阻尼器的實(shí)際位移要小于數(shù)值模擬得出的位移。這主要是因?yàn)樽枘崞髋c鋼支撐之間采用螺栓連接、阻尼器與U形鋼套之間采用銷栓連接，而這種連接方式在反復(fù)受力下會產(chǎn)生較大的間隙，所以“吃掉了”阻尼器一部分位移。試驗(yàn)結(jié)束后，可以發(fā)現(xiàn)鋼支撐與阻尼器間原先擰緊的螺栓已有明顯松動(dòng)。因此在實(shí)際工程中應(yīng)推廣采用焊接技術(shù)連接阻尼器與鋼支撐。同時(shí)，從構(gòu)件整體的滯回曲線和阻尼器的滯回曲線

對比中可以看到，無論是阻尼器的實(shí)際位移還是模擬位移均遠(yuǎn)小于構(gòu)件的實(shí)際位移。究其原因是鋼支撐的剛度不足，“消耗”了很大一部分位移。鑒于鋼支撐剛度的不足會對阻尼器的耗能能力造成很大的影響，故對阻尼器支撐剛度的設(shè)計(jì)在整個(gè)消能減震設(shè)計(jì)中顯得格外重要。

圖15 J-1試件破壞情況Fig.15 Damage of J-1

圖16 J-2試件破壞情況Fig.16 Damage of J-2

7 結(jié)論

本文針對既有框架結(jié)構(gòu)提出了一種采用U形鋼套法連接阻尼器支撐的加固方法，介紹了該方法的施工流程，同時(shí)探討了U形鋼套設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算和確定方法，最后根據(jù)兩個(gè)門式框架試件進(jìn)行了高速擬靜力試驗(yàn)，得出如下結(jié)果:

(1)U形鋼套連接阻尼器支撐加固框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，螺栓的尺寸、個(gè)數(shù)及間距可考慮剪力螺栓群效果。而梁、柱外包鋼板長度通常依據(jù)螺栓部分的設(shè)計(jì)要求及強(qiáng)柱弱梁的原則來確定，鋼板的厚度則需根據(jù)螺栓設(shè)計(jì)中可能受到的孔壁擠壓破壞來設(shè)計(jì)。

(2)采用U形鋼套連接阻尼器支撐時(shí)，附加的U形鋼套會對框架節(jié)點(diǎn)區(qū)有明顯的加腋作用，這使得節(jié)點(diǎn)區(qū)剛度顯著增大形成剛域，剛域處變形較小，塑性鉸被轉(zhuǎn)移到鋼套外。

(3)鑒于采用螺栓連接阻尼器與鋼支撐時(shí)，螺栓的間隙會“吃掉”很大一部分的位移，因此在實(shí)際工程中應(yīng)建議采用更加可靠的焊接連接方式。

(4)對于整個(gè)試件而言，無須將梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)加固得過強(qiáng)，因?yàn)楫?dāng)U形鋼套剛度過大時(shí)，試件的整體抗震能力主要由鋼板覆蓋范圍之外的梁柱截面來控制。同時(shí)，針對框架節(jié)點(diǎn)區(qū)的尺寸應(yīng)選擇適宜噸位的阻尼器以防止過高的出力造成框架自身的破壞。

(5)通過本文所述的兩個(gè)擬靜力試件試驗(yàn)分析可知，兩個(gè)試件最終的層間位移角均超過了1/50，滿足罕遇地震下國家規(guī)范對框架結(jié)構(gòu)的要求。這就證明了采用U形鋼套法連接阻尼器支撐加固既有框架結(jié)構(gòu)的有效性和可行性。

致謝 本文研究工作獲得烏魯木齊市建設(shè)委員會、烏魯木齊建筑學(xué)會和烏魯木齊建筑設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合資助的《消能減震新技術(shù)在烏魯木齊中小學(xué)建筑結(jié)構(gòu)加固工程中的應(yīng)用研究》項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

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