螺栓灌膠節(jié)點對螺栓鋼板加固鋼筋混凝土連梁抗震能力影響的試驗

程蓓　史聰　雷廷尉

摘要：為了提高小跨高比既有連梁的抗震性能，提出了一種新型的螺栓鋼板加固法和一種新型的鋼板屈曲控制裝置。按照1∶2比例制作3個鋼筋混凝土連梁試件，通過低周往復荷載試驗研究了螺栓灌膠連接節(jié)點對鋼板加固鋼筋混凝土連梁的影響。結(jié)果表明：未采用螺栓鋼板法加固的連梁呈現(xiàn)出脆性剪切破壞；采用螺栓鋼板法進行普通高強螺栓加固的連梁，其強度和延性并沒有提高；采用螺栓鋼板法進行螺栓灌膠連接節(jié)點加固的連梁，其強度、延性和耗能能力得到大幅度提高。

關(guān)鍵詞：加固；連梁；螺栓灌膠；抗震性能；變形能力

中圖分類號：TU392.5文獻標志碼：A

Abstract： To improve the seismic performance of reinforced concrete（RC） coupling beams with low shear span ratio， a new bolt steel plate reinforcement method and a new steel plate buckling controlled device were proposed.Three RC coupling beams with the ratio of 1∶2 were made and low cyclic loading test was done to study the effects of adhesive bolt connections on the seismic performance of RC coupling beams. The results show that the RC coupling beam without being strengthened by bolt steel plate reinforcement method presents brittle shear failure. When the RC coupling beam is strengthened by bolt steel plate reinforcement method with common highstrength bolt connections， the ductility and strength of the beam is not increased obviously.When the RC coupling beam is strengthened by bolt steel plate reinforcement method with adhesive bolt connections， the strength， deformability and energy dissipation can be increased greatly.

Key words： strengthening； coupling beam； bolt adhesived； seismic performance； deformability

0引言

鋼筋混凝土連梁是抗側(cè)力剪力墻或核心筒結(jié)構(gòu)中的一個重要構(gòu)件，一般在風荷載和地震荷載的作用下，連梁的內(nèi)力往往很大。為了使整個剪力墻體系達到良好的抗震性能，其連梁除了滿足強度和剛度要求外，還必須具有良好的延性以及變形能力[1]。在部分工程實際中，由于洞口尺寸有限，連梁剪跨比較小，小跨高比連梁屬于兩端被約束，反彎點在跨中的反對稱彎曲深梁，其剪切變形占總變形的主要部分。試驗研究表明，配有普通縱筋和箍筋的小跨高比連梁的破壞形態(tài)多為脆性剪切破壞[2]，若再用對框架梁的抗震設計方法去設計剪力墻連梁，不能使其延性和變形能力滿足規(guī)范要求[3]。通過研究1964年Alaska Earthquake地震記錄[4]以及中國的汶川地震[5]發(fā)現(xiàn)，已有建筑中的連梁在強烈地震作用下往往會出現(xiàn)脆性剪切破壞，這種剪切破壞對整個結(jié)構(gòu)的抗震性能是非常不利的，所以針對既有剪力墻連梁的加固是抗震設計中亟待解決的問題。

然而，對傳統(tǒng)提高配筋的鋼筋混凝土連梁的延性和變形能力的研究相對較少。目前對于普通梁的加固已經(jīng)有很多成熟的方法， 常見的有增大截面法、粘貼FRP[6]或鋼板法、用螺栓固定鋼板法等。由于受力機理的不同，這些適用于普通梁的加固方法并不適用于連梁。比如若將粘貼FRP或普通鋼板法應用于連梁，在側(cè)向反復荷載作用下，F(xiàn)RP或鋼板容易發(fā)生分層或剝離現(xiàn)象。

文獻[7]采用在連梁兩側(cè)用螺栓固定鋼板的加固方法，通過試驗證實了螺栓連接外側(cè)鋼板加固連梁的方式能夠大幅增加連梁的強度和變形能力，且延性性能不降低。文獻[8]為了解決文獻[7]中鋼板的屈曲問題，采用在連梁跨中螺栓固定的方式，但是試驗發(fā)現(xiàn)跨中分布的螺栓連接會對混凝土造成較大破壞，從而影響加固梁的強度及耗能。在文獻[9]～[11]提出的新型螺栓鋼板加固鋼筋混凝土連梁的方法中，采用了一種全新鋼板屈曲控制裝置，該加固方法旨在用跨中區(qū)域的鋼板的剪切屈曲變形來消耗連梁的能量，并且屈曲控制裝置在有效約束鋼板屈曲的同時不增加連梁的剛度?；谏鲜鑫墨I的研究，本文進一步研究螺栓灌膠連接節(jié)點對鋼板加固鋼筋混凝土連梁的影響。螺栓灌膠連接節(jié)點是在螺栓與混凝土孔洞的孔隙間灌注膠水，使螺栓、鋼板和混凝土連梁三者牢固結(jié)合，協(xié)同工作。試驗結(jié)果表明，采用螺栓灌膠連接節(jié)點的試件，其強度、變形能力和耗能能力與采用普通高強螺栓連接的試件有很大不同。

1試驗概況

1.1試件設計及加固方案

試驗所用的3個試件的尺寸與鋼筋骨架布置完全相同，而各自采用的加固方案不同。DCB8為原型對比連梁[如圖2（a）]，未進行螺栓鋼板加固。根據(jù)加載設備的尺寸，最終確定的連梁尺寸為：高450 mm，寬120 mm，凈跨度500 mm，跨高比為1.1。各試件鋼筋布置：連梁的抗剪箍筋為4根直徑為8 mm，間距為125 mm的箍筋。連梁的縱向受力鋼筋為4根12 mm的鋼筋。這種鋼筋布置使得連梁的剪切破壞先于彎曲破壞，從而體現(xiàn)了工程實際中連梁抗剪承載水平的不足。 連梁DCB9和DCB10分別在原有連梁側(cè)面用螺栓鋼板法進行加固[圖2（b），（c）]。鋼板長度為1 500 mm（兩側(cè)錨固長度與連梁跨度相同），高度為450 mm，厚度為4.5 mm，并通過在鋼板焊接X形加勁肋（即2根直徑為10 mm的鋼筋）來控制鋼板的面外屈曲?；炷敛捎蒙唐坊炷?，試驗當天測試混凝土強度為60 MPa左右。

螺栓鋼板加固方法中鋼板采用的是螺栓固定而不是粘貼固定，主要是基于以下原因：螺栓連接簡單，可靠，持久；在循環(huán)荷載作用下，粘貼鋼板易于從混凝土表面脫落，而用螺栓固定鋼板可以避免出現(xiàn)這個問題；與粘貼鋼板相比，螺栓連接能提供更高的承載力；進行加固時，現(xiàn)場不需要臨時支撐，也不需對混凝土表面做準備工作。

鋼板通過螺栓連接到連梁上，螺栓對整個加固體系的受力性能有重要影響。本文試驗采用2種不同形式的螺栓連接進行研究。一種是普通高強摩擦型螺栓（M20），一種是灌膠高強螺栓（M20）。在DCB9試件中，采用了普通高強螺栓連接，而在DCB10試件中，采用了灌膠高強螺栓，膠水采用喜利得RE500植筋膠，如圖3所示。通過比較可以看出2種不同形式的螺栓連接對構(gòu)件性能的影響。

從圖6（c）可以看出，隨著試件加載循環(huán)次數(shù)的增多，各循環(huán)所圍成的滯回圈形狀由“梭形”逐漸發(fā)展成“弓形”或者“反S形”。滯回圈的捏縮程度與試件耗能性能有著重要聯(lián)系，曲線的捏縮程度取決于受拉裂縫的開展寬度、受拉鋼筋的塑性應變伸長、鋼筋混凝土之間的粘結(jié)滑移以及構(gòu)件殘余變形積累等[12]。一般認為，“弓形”滯回曲線的耗能性能要大于“反S形”。對比DCB9和DCB10可以發(fā)現(xiàn)，DCB9的滯回曲線在后期已經(jīng)明顯呈現(xiàn)“反S形”，而DCB10的滯回曲線在后期依然呈現(xiàn)“弓形”，從這個方面也能看出采用螺栓灌膠節(jié)點的構(gòu)件耗能性能要優(yōu)于采用普通螺栓連接的構(gòu)件。

2.2強度、變形能力和延性

各試件的試驗結(jié)果見表1。從表1中可以看出，試件DCB9雖然采用了螺栓鋼板法加固，但是其強度和變形能力與DCB8相比沒有提高，反而有所降低。這是因為試件DCB9采用的螺栓節(jié)點內(nèi)并未灌膠，鋼板與連梁協(xié)同工作能力差。剛開始加載時，連梁的大部分剪力由混凝土直接承擔，鋼板參與程度不大，因此在加載初始階段混凝土連梁就發(fā)生了破壞。DCB10采用了螺栓灌膠連接節(jié)點，其強度、變形能力和延性都有很大提高。由此可以看出，螺栓節(jié)點內(nèi)是否灌膠對于螺栓鋼板法加固的鋼筋混凝土連梁的抗震性能有著重大影響。

2.3連梁裂縫發(fā)展形態(tài)

圖7給出了3個構(gòu)件在第2個循環(huán)加載階段（0.75Vu）的破壞形式。筆者發(fā)現(xiàn)，在相同荷載作用下（200 kN左右），DCB8上出現(xiàn)了對角線方向斜裂縫，且主裂縫很明顯，呈現(xiàn)典型的剪切破壞特征。試件DCB9雖然采用了螺栓鋼板法進行加固，但是在第2個循環(huán)加載階段也出現(xiàn)對角線方向斜裂縫，且主裂縫很明顯。DCB8和DCB9出現(xiàn)主裂縫的時間很接近，而試件DCB10在這個階段沒有產(chǎn)生明顯的主裂縫。說明DCB10在加載過程中出現(xiàn)主斜裂縫時間比DCB8和DCB9晚，這是由于DCB10采用了螺栓灌膠連接節(jié)點，使得鋼板和連梁在加載初始階段可以協(xié)同工作，從而延遲了斜裂縫的發(fā)生。

從圖7中可以看出，由于在鋼板上焊接了加勁肋和增加了鋼板屈曲控制裝置，鋼板沒有發(fā)生面外屈曲變形。

2.4耗能能力

通過比較3個試件加載全過程的耗能系數(shù)（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，3個試件的耗能系數(shù)在加載開始時的數(shù)值很小，這是因為開裂之前試件仍處于彈性狀態(tài)，耗能較少。DCB8和DCB9在加載初始階段耗能系數(shù)急劇增長，因為在這一階段試件都逐漸形成主裂縫，臨近破壞時裂縫發(fā)展得非常寬，在這個過程中試件產(chǎn)生了較大的塑性耗能。試件短時間吸收大量的能量而導致破壞，體現(xiàn)在DCB8和DCB9試件發(fā)生脆性破壞。試件DCB9雖然采用了螺栓鋼板法加固，但是其螺栓節(jié)點內(nèi)并未灌膠，所以在加載過程中螺栓會產(chǎn)生滑移，鋼板和連梁沒有形成整體工作，故DCB9的耗能能力未能得到明顯改善，并且隨著位移的增大，其耗能能力呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。對于DCB10，其耗能系數(shù)在延性系數(shù)大于1以后有所提高，說明試件在這一階段形成了主裂縫。在開裂之后的每一個位移循環(huán)中，耗能系數(shù)隨著位移的增大有增加的趨勢，說明DCB10在加載中后期有很好的耗能能力。

2.5鋼板的受力性能

鋼板中心的剪應力可以通過連接到鋼板表面的應變計所測數(shù)據(jù)得出，圖9為DCB9與DCB10跨中的剪應力。由圖9可知，鋼板的剪應力具有隨轉(zhuǎn)角增大而增大的趨勢，這表明鋼板還可以提供更多剪應力。對于DCB9來說，鋼板仍處于彈性階段，這是由于采用了普通的螺栓連接，鋼板與混凝土連梁協(xié)同工作性能不好，螺栓滑移較大。在加載前期剪力大部分由連梁承擔。DCB10采用螺栓灌膠節(jié)點連接后，鋼板仍然處于彈性階段，但是其變形能力和延性都遠好于DCB9。這是因為采用螺栓灌膠節(jié)點連接后，連梁與鋼板協(xié)同工作性能較好，固定在鋼板上的斜向加勁肋能有效抑制裂縫的開展。

2.6螺栓群的滑移

螺栓的滑移情況是由L6～L8檢測得到的，結(jié)果如圖10所示，圖10的縱坐標是螺栓群在縱向的轉(zhuǎn)角，它是由LVDT的讀數(shù)轉(zhuǎn)化而來的。縱向轉(zhuǎn)角越大，螺栓滑移越明顯。對比DCB9與DCB10可以明顯看出，采用普通螺栓連接，滑移較大，而采用螺栓灌膠節(jié)點的連接方式，螺栓群滑移較小。

3結(jié)語

（1）這種新型螺栓鋼板加固法可以提高既有連梁的強度、變形能力和耗能能力。

（2）鋼板屈曲控制裝置在這種加固方法中發(fā)揮了重要作用，可以有效地約束鋼板的屈曲，使鋼板更有效地發(fā)揮其強度和變形能力，從而提高連梁的抗震能力。

（3）采用螺栓灌膠節(jié)點加固法能有效減少螺栓群的滑移，從而提高了這種加固方式的穩(wěn)定性。

（4）螺栓灌膠連接節(jié)點對加固后的鋼筋混凝土連梁抗震性能有著重要影響。采用螺栓灌膠連接節(jié)點，鋼板與混凝土連梁的協(xié)同工作性能好，混凝土連梁不會很早地發(fā)生破壞，而且連梁在加載中后期階段，仍能保持較好的耗能能力，對提高現(xiàn)有連梁的抗震性能非常有效。

參考文獻：

References：

[1]PAULAY T.Coupling Beams of Reinforced Concrete Shear Walls[J].Journal of the Structural Division，1971，97（3）：843862.

[2]梁興文，李方圓，張濤，等.新配筋方案小跨高比連梁抗震性能試驗研究[J].工程力學，2009，26（12）：119126.

LIANG Xingwen，LI Fangyuan，ZHANG Tao，et al.Experimental Study on Seismic Behaviour of New Reinforcement Scheme Deep Coupling Beams[J].Engineering Mechanics，2009，26（12）：119126.

[3]JBJ 3—2002，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

JBJ 3—2002，Technical Specification for Concrete Structures of Tall Building[S].

[4]MITCHELL D，DEVALL R H，SAATCIOGLU M，et al.Damage to Concrete Structures Due to the 1994 Northridge Earthquake[J].Canadian Journal of Civil Engineering，1995，22（2）：361377.

[5]WANG Y Y.Lessons Learned from the “5.12” Wenchuan Earthquake：Evaluation of Earthquake Performance Objectives and the Importance of Seismic Conceptual Design Principles[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration，2008，7（3）：255262.

[6]黃麗華，李宇婧，張耀燁，等.不同種類FRP加固混凝土梁加固效果試驗研究[J].大連理工大學學報，2013，53（1）：102106.

HUANG Lihua，LI Yujing，ZHANG Yaoye，et al.Test Research on Strengthening Effects of Various FRP on RC Beams[J].Journal of Dalian University of Technology，2013，53（1）：102106.

[7]朱勇，周云，蘇啟亮.鋼筋混凝土連梁抗震加固的試驗研究[J].四川建筑科學研究，2009，35（3）：5964.

ZHU Yong，ZHOU Yun，SU Qiliang.Experimental Study of Strengthened RC Coupling Beams for Earthquake[J].Sichuan Building Science，2009，35（3）：5964.

[8]朱勇，蘇啟亮，周云.連梁抗震加固中梁跨內(nèi)有無螺栓連接的影響[J].工業(yè)建筑，2009，39（12）：4244，38.

ZHU Yong，SU Qiliang，ZHOU Yun.Effects on Seismic Strengthening of Coupling Beams with or Without Bolt Connections in Beam Span[J].Industrial Construction，2009，39（12）：4244，38.

[9]SU R K L，CHENG B.Platestrengthened Deep Reinforced Concrete Coupling Beams[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers — Structures and Buildings，2011，164（1）：2742.

[10]CHENG B，SU R K L.Retrofit of Deep Concrete Coupling Beams by Laterally Restrained Side Plates[J].Journal of Structural Engineering，2011，137（4）：503512.

[11]程蓓，李世偉，史聰，等.新型螺栓鋼板加固法提高既有鋼筋混凝土連梁抗震性能的試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2014，44（21）：8690，85.

CHENG Bei，LI Shiwei，SHI Cong，et al.Experimental Study on the Seismic Performance of Existing Reinforced Concrete Coupling Beams Strengthened by New Bolted Steel Plate[J].Building Structure，2014，44（21）：8690，85.

[12]皮天祥.鋼筋混凝土剪力墻小跨高比連梁抗震性能試驗和設計方法研究[D].重慶：重慶大學，2008.

PI Tianxiang.Experimental Study on Seismic Behavior and Design Method Study of Small Spantodepth Ratio Coupling Beams of Seismic RC Shear Walls[D].Chongqing：Chongqing University，2008.

[13]竇祖融，王怡，薛偉辰.低周反復荷載下裝配整體式混凝土框架邊節(jié)點的抗震性能[J].建筑科學與工程學報，2010，27（2）：6166.

DOU Zurong，WANG Yi，XUE Weichen.Seismic Performance of Precast Monolithic Concrete Frame Exterior Connections Under Low Cyclic Loading[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2010，27（2）：6166.

[14]許曉東，李泉.橋梁鋼結(jié)構(gòu)的螺栓連接設計及工程驗算[J].筑路機械與施工機械化，2013，30（9）：8791，95.

XU Xiaodong，LI Quan.Bolt Connection Design and Cheeking Computation in Steel Structure Bridge Engineering[J].Road Machinery & Construction Mechanization，2013，30（9）：8791，95.

[15]鮑文博，付亮華，陸海燕，等.鋼混框剪高層結(jié)構(gòu)地震能量分布及耗散研究[J].建筑科學與工程學報，2015，32（3）：3845.

BAO Wenbo，F(xiàn)U Lianghua，LU Haiyan，et al.Research on Seismic Energy Distribution and Dissipation of Reinforced Concrete Framewall Highrise Structure[J].Journal of Architecture and Civil Engineering，2015，32（3）：3845.