震損型鋼混凝土柱加固后的恢復(fù)力模型研究

彭 勝,許成祥

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢，430065)

當(dāng)樓房、橋梁、港口、飛機(jī)場等大型建筑遭遇地震、颶風(fēng)、爆炸等極端荷載時，極易產(chǎn)生不可逆的災(zāi)害性損傷破壞，從而導(dǎo)致大量人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1]。而內(nèi)置型鋼或鋼骨的鋼-混組合結(jié)構(gòu)抗傾覆倒塌能力較強(qiáng)，發(fā)生災(zāi)害性整體倒塌的可能性較小，災(zāi)后可采取有效手段對該類結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)加固，使之具有再次防御大震、余震等災(zāi)變的能力[2]。目前，圍繞震損加固型鋼混凝土框架體系的研究主要包括現(xiàn)場模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及抗剪承載力理論分析[3-11]，而專門針對震損型鋼混凝土柱加固后的恢復(fù)力模型研究并不多見，如果直接采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)力模型進(jìn)行相關(guān)分析，所得結(jié)果往往離散性較強(qiáng)、規(guī)律模糊，無法直接指導(dǎo)工程實(shí)踐，有鑒于此，本文設(shè)計(jì)并制作了型鋼混凝土框架柱試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^對所制模型進(jìn)行地震損傷模擬、外包鋼套(enveloped steel jacket，ESJ)或炭纖維增強(qiáng)聚合物(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)加固以及加固后的擬靜力試驗(yàn)，分析探討了震損柱經(jīng)不同方法加固后的地震損傷演化規(guī)律并構(gòu)建了其恢復(fù)力模型，以期為實(shí)際工程中該類結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)分析提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能

圖1 柱截面幾何尺寸及配鋼設(shè)計(jì)(單位：mm)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)所得不同試件荷載(P)-位移(Δ)骨架曲線的比較結(jié)果如圖2所示。由圖2(a)～圖2(c)可見，在無損傷或中度震損的條件下，柱試件經(jīng)ESJ加固后較CFRP加固柱試件的極限承載力更大，當(dāng)震損程度為重度時，二者極限承載力相差不大。由圖2(d)～圖2(e)可見，與初始態(tài)試件RC相比，重度損傷條件下經(jīng)CFRP布或ESJ加固后的柱試件極限承載力明顯增大，表明這兩種加固方法均能讓震損柱具有再次抵御地震的能力。

(a)試件CRC-0和試件SRC-0

(b) 試件CRC-1和試件SRC-1

(c) 試件CRC-2和試件SRC-2

(d) 試件RC和試件SRC-2

(e) 試件RC和試件CRC-2

2 荷載-位移恢復(fù)力模型

2.1 恢復(fù)力模型的建立

目前，被工程界公認(rèn)的典型恢復(fù)力模型主要有Ramberg-Osgood 、Clough退化雙線性、Takeda三折線剛度退化等模型[14-16]，不過，文獻(xiàn)[17]指出，實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性與相應(yīng)模型之間存在一定差異，前者的復(fù)雜性限制了模擬的精確程度，僅能通過模型模擬其主要傾向，在此，本文根據(jù)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果，參照文獻(xiàn)[18]采用試驗(yàn)擬合法建立柱試件恢復(fù)力模型。首先對試驗(yàn)所得柱試件骨架曲線進(jìn)行無量綱化處理，即以P/Pmax為縱坐標(biāo)、Δ/Δmax為橫坐標(biāo)，其中，Pmax為柱試件最大承載力，Δmax是與Pmax相對應(yīng)的位移，將二者加以上標(biāo)“+”或“-”則分別表示正向或反向相應(yīng)值，再基于剛度退化三折線模型，對骨架曲線進(jìn)行回歸分析，所得骨架曲線模型如圖3所示，模型中各線段的線性方程與斜率見表3。在圖3中，線段OD和線段OC的斜率(K)分別表示柱試件在正反向荷載作用下發(fā)生屈服前的相對彈性剛度，由相應(yīng)的卸載剛度回歸而得；線段DE和線段CB的斜率分別是在正反荷載作用下由柱試件屈服后直至發(fā)展到最大荷載時的卸載剛度回歸而得；線段EF和線段BA的斜率分別是柱試件在正反荷載作用下達(dá)到極限承載力后由強(qiáng)度退化階段的卸載剛度回歸得到的。該曲線特征點(diǎn)分別為B、C、D、E，相應(yīng)物理意義分別為反向加載極限點(diǎn)、反向加載屈服點(diǎn)、正向加載屈服點(diǎn)、正向加載極限點(diǎn)，屈服點(diǎn)和極限點(diǎn)坐標(biāo)分別為(Py，Δy)和(Pmax，Δmax)。

圖3 三折線型骨架曲線模型

表3 回歸得到的三折線骨架曲線模型

2.2 剛度退化規(guī)律

由圖2所示的柱試件P-Δ骨架曲線可知，在反復(fù)水平荷載作用下，柱試件加載剛度與卸載剛度均存在不同程度的退化，在此，基于圖4所示的剛度退化規(guī)律曲線來分析它們的退化規(guī)律。圖4中，K1為正向卸載剛度，K2為反向加載剛度，K3為反向卸載剛度，K4為正向加載剛度。首先根據(jù)圖2所示的柱試件P-Δ骨架曲線并結(jié)合表3中的計(jì)算方程來求解K1、K2、K3和K4在循環(huán)條件下的數(shù)值，再由這些離散的數(shù)值點(diǎn)擬合出相應(yīng)剛度的退化規(guī)律曲線。具體分析如下：

(1)K1的退化規(guī)律

圖4 剛度退化規(guī)律

圖5 K1退化規(guī)律曲線

(1)

(2)K2的退化規(guī)律

圖6 K2退化規(guī)律曲線

(2)

(3)K3的退化規(guī)律

圖7 K3退化規(guī)律曲線

(3)

(4)K4的退化規(guī)律

圖8 K4退化規(guī)律曲線

(4)

2.3 恢復(fù)力模型與試驗(yàn)結(jié)果的比較

將利用恢復(fù)力模型模擬所得柱試件骨架曲線與通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)所得柱試件骨架曲線進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。由圖9可以看出，利用恢復(fù)力模型模擬所得柱試樣骨架曲線與試驗(yàn)所得柱試件骨架曲線吻合度較高，較好地反映了各構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下的荷載-位移關(guān)系以及骨架曲線的變化規(guī)律，由此，該模型的正確性得到驗(yàn)證，表明本文所建恢復(fù)力模型可用于型鋼混凝土柱的彈塑性反應(yīng)分析。

(a) 試件RC (b) 試件CRC-0

(c) 試件CRC-1 (d) 試件CRC-2

(e) 試件SRC-0 (f) 試件SRC-1

(g) 試件SRC-2

3 結(jié)語

為了研究震損加固型鋼混凝土柱的地震損傷演化規(guī)律，本文對7根型鋼混凝土框架柱試件進(jìn)行地震損傷模擬、外包鋼套及炭纖維增強(qiáng)聚合物加固以及加固后的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種加固方法均能使震損柱具有再次抵御地震的能力。同時，借助試驗(yàn)擬合法構(gòu)建了適用于震損加固柱的三折線型恢復(fù)力模型，分析了其剛度退化的規(guī)律，并通過與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該模型的正確性，對該類構(gòu)件的彈塑性反應(yīng)分析具有一定的參考價值。