水平地震力作用下預(yù)制鋼筋混凝土框架可靠性分析

李 江 燕

（鄭州理工職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451150）

0 引言

地震會(huì)給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此，在地震帶的建筑中，結(jié)構(gòu)的抗震能力和可靠性顯得尤為重要。裝配式建筑因其建造成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用，但其建造質(zhì)量受到預(yù)制構(gòu)件的影響較大，其中影響其抗震性能的構(gòu)件為預(yù)制鋼筋混凝土框架。水平地震力是一種存在于地震災(zāi)害中的作用力，會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞作用。在水平地震力作用下，預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的可靠性受到多重因素的影響，如結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地震荷載、建筑物的地基狀況等。為提升其抗震性能，本文對(duì)其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，闡述框架結(jié)構(gòu)的震害機(jī)理，以期從源頭上減輕震害對(duì)建筑造成的威脅。

在實(shí)際建筑施工過程中，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)變化及其用途制定出減小混凝土梁形變的方案，可在最大限度上保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。在抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，應(yīng)基于“小震不壞、中震能修、大震不倒”的原則完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在地震等大型災(zāi)害來臨時(shí)，框架結(jié)構(gòu)可能因?yàn)闃?gòu)件損傷而出現(xiàn)形變的情況，導(dǎo)致其難以繼續(xù)使用[2]。應(yīng)對(duì)其在水平地震力作用下的可靠性進(jìn)行精準(zhǔn)分析，以實(shí)現(xiàn)震后建筑結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)的快速恢復(fù)。掌握水平地震力作用下裝配式鋼筋混凝土可靠性分析結(jié)果，有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性[3]?；诖耍疚拈_展水平地震力作用下預(yù)制鋼筋混凝土框架可靠性分析。

1 試驗(yàn)材料性能分析

本次試驗(yàn)選用的框架結(jié)構(gòu)體積較大，可使用同一批次的C20 強(qiáng)度鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑。選用的水泥材料是普通的硅酸鹽材料，選用的石子粒徑為5 mm～16 mm，以實(shí)驗(yàn)室自來水拌制?；炷翝仓r(shí)預(yù)留出2 個(gè)150 mm×150 mm×150 mm 的試件，并將其分別編為SJ-1 與SJ-2，澆筑完畢后的試件實(shí)物見圖1。

圖1 混凝土試件實(shí)物圖

SJ-1 采用28 d 立方體混凝土強(qiáng)度加固，SJ-2不加固，加固步驟如下。

1）準(zhǔn)備原試件：將需要加固的原試件表面清理干凈，去除灰塵、松散物等雜質(zhì)。

2）制作模板：根據(jù)加固方案和試件的尺寸，制作適當(dāng)大小的木工模板，確保其能夠完全包裹住試件，并留出足夠的空間來澆筑混凝土。

3）固定模板：將制作好的木工模板固定在原試件的外部，確保其與原試件緊密接觸、無明顯縫隙。

4）加固混凝土澆筑：將準(zhǔn)備好的28 d 立方體混凝土攪拌均勻并澆筑到模板中，使其填充整個(gè)模板，并使用器具將混凝土充實(shí)、振實(shí)，確?；炷僚c原試件之間緊密貼合，無明顯的空隙和孔洞[4]。

5）養(yǎng)護(hù)加固：在混凝土澆筑結(jié)束后，進(jìn)行加固部分的養(yǎng)護(hù)。具體養(yǎng)護(hù)時(shí)間需要根據(jù)混凝土強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)方式和環(huán)境條件等因素進(jìn)行定期檢查，確保混凝土的強(qiáng)度、密實(shí)性和穩(wěn)定性[5]。

6）拆除模板：在加固混凝土養(yǎng)護(hù)完畢且達(dá)到最終強(qiáng)度后，從模板中取出混凝土加固部分，并將木工模板拆卸下來。

由于試件并非標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu)，在本次試驗(yàn)中將抗壓強(qiáng)度×系數(shù)（0.95），以保證試驗(yàn)的真實(shí)性。2 個(gè)試件的配合比見表1。

表1 混凝土配合比設(shè)置

按照表1 的混凝土配合比，通過利用縱筋、箍筋、角鋼、箍板等材料，經(jīng)過切割鋼筋、彎曲鋼筋、組裝模板、組裝鋼筋、安裝錨具、澆筑混凝土等步驟制作出標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土伸拉試樣。

在鋼材表面貼上應(yīng)變片，測(cè)量出鋼材的彈性模量，并利用拉力測(cè)試儀器，分析鋼材試樣材料的力學(xué)性能[6]，鋼材的力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 框架中應(yīng)用鋼材的力學(xué)參數(shù)

由表2 可知，縱筋、Φ3 mm 箍筋、Φ4 mm 箍筋、角鋼、箍板、鋼套箍、約束鋼管等鋼材試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等指標(biāo)均在框架結(jié)構(gòu)所需的要求范圍內(nèi)，可保證框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了符合裝配式結(jié)構(gòu)的需求，本文使用膠黏劑對(duì)各個(gè)框架構(gòu)件進(jìn)行黏結(jié)，其步驟為：首先，清潔構(gòu)件表面，去除油脂、灰塵、污垢等物質(zhì)，以確保膠黏劑在兩個(gè)表面之間完全傳遞并形成均勻的黏合。其次，根據(jù)框架構(gòu)件所用材料的不同，選擇適當(dāng)?shù)哪z黏劑種類，例如聚氨酯、雙組分環(huán)氧樹脂等高強(qiáng)度膠黏劑，且需均勻涂抹膠黏劑。定位裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)件，并使用夾具或其他裝置將其固定在一起，直到膠黏劑干燥。最后，待膠黏劑靜置24 h 后，對(duì)黏結(jié)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。膠黏劑具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度，能夠抵抗各個(gè)構(gòu)件的黏結(jié)老化問題[7]。根據(jù)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震需求，本文將膠黏劑的抗拉強(qiáng)度設(shè)定為42.06 MPa，不揮發(fā)物的含量占99.3%，以保證框架結(jié)構(gòu)的基本性能。

2 試驗(yàn)方法

本文對(duì)試件在水平地震力作用下的可靠性分析是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，采用液壓伺服動(dòng)作器進(jìn)行水平加載，并且將該裝置固定在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的鋼筋混凝土框架試件上，液壓伺服動(dòng)作器的最大出力約620 kN，最大位移為±200 mm。試驗(yàn)中利用框架梁結(jié)構(gòu)與桿結(jié)構(gòu)來傳遞裝置施加的水平力[8]。側(cè)向約束鋼管用來約束框架結(jié)構(gòu)的平面形變，4 根角鋼組成的約束鋼框架固定在立柱底端，并與SJ-1 或SJ-2 相連。選用直徑為18 mm 的螺桿與角鋼相連接，連接的部位作為SJ-1 或SJ-2 的中心，對(duì)約束框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束剛度進(jìn)行分析。本次試驗(yàn)選取框架水平位移、滯回性能、能量耗散、剛度退化等指標(biāo)完成其可靠性分析[9]。為防止試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)丟失，本文在裝置端頭放置了傳感裝置，以掌握試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在框架結(jié)構(gòu)中，分別將8 個(gè)縱筋應(yīng)變片貼在框架結(jié)構(gòu)的柱上端與下端，框架梁的左、右兩端各布置4 個(gè)應(yīng)變片。通過DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀器，手動(dòng)采集框架的應(yīng)變數(shù)據(jù)，并將其與每個(gè)加載數(shù)據(jù)同步采集，保證采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。布置好相關(guān)儀器后，對(duì)框架結(jié)構(gòu)在水平地震力作用下的荷載-位移情況進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 水平地震力作用下框架結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

由圖2 可知，在SJ-1 與SJ-2 中施加水平力，當(dāng)水平力達(dá)到350 kN 時(shí)，均未發(fā)生明顯變化。SJ-1 的水平位移在0～50 mm 之間變化，水平力在500 kN范圍內(nèi)變化；SJ-2 的水平位移在0～90 mm 范圍內(nèi)變化，水平力在0～400 kN 范圍內(nèi)變化。試驗(yàn)中，當(dāng)施加的水平力達(dá)到400 kN 后，SJ-2 出現(xiàn)了梁頂界面微小開裂的現(xiàn)象。當(dāng)施加的水平力＞450 kN 時(shí)，出現(xiàn)界面隨向上/下位移角在梁頂或梁張開的現(xiàn)象[10]。當(dāng)水平力＞500 kN 時(shí)，灌漿槽的邊緣出現(xiàn)了小裂縫，裂縫寬度＜0.1 mm 時(shí)，此時(shí)界面隨向上/下位移角在梁頂或梁張開，受到的壓力增加。與SJ-2 不同，SJ-1在加載水平力＞400 kN 時(shí)，僅出現(xiàn)了梁頂界面微小開裂的現(xiàn)象。在相同條件下，對(duì)框架結(jié)構(gòu)的荷載-位移骨架情況進(jìn)行分析，見圖3。

圖3 水平地震力作用下框架結(jié)構(gòu)荷載－位移骨架曲線

由圖3 可知，SJ-1 在鋼筋全部拉斷的情況下，界面持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，受到壓力的混凝土框架區(qū)域減小，框架結(jié)構(gòu)的延伸微小，裂縫寬度基本保持不變，最大寬度保持在0.22 mm 左右，并不隨著界面的張開或閉合而發(fā)生變化，此時(shí)荷載略有下降。當(dāng)位移至0時(shí)，裂縫不可見。SJ-2 在鋼筋全部拉斷的條件下，僅依靠鋼絞線的作用，框架結(jié)構(gòu)的荷載出現(xiàn)上升，界面持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，受壓區(qū)域高度增加，其裂縫也開始增加，裂縫寬度會(huì)隨著界面的張開或閉合而變化。當(dāng)位移至0 時(shí)，裂縫仍可看見。SJ-1 在水平位移中，水平力相對(duì)較低，框架的水平壓力隨之減?。辉谡虻乃轿灰浦?，水平力相對(duì)較高，能夠?qū)?duì)框架結(jié)構(gòu)施加的水平壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿?dòng)力，以此來避免框架出現(xiàn)裂紋、坍塌等危害。SJ-2 在反向水平位移的水平力較高，正向水平力較低，不可避免地出現(xiàn)了側(cè)向裂紋，影響其繼續(xù)使用。SJ-1 與SJ-2 在骨架曲線中的屈服位移相差較小，表明試件的初始剛度基本相同，在水平位移與水平力的影響下，出現(xiàn)了屈服位移、屈服荷載變化差距增加的現(xiàn)象。SJ-2 受到鋼筋的約束作用較弱，可能對(duì)試件的抗震性能產(chǎn)生一定程度的影響?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件在水平荷載下的耗能情況是抗震性能分析的直觀體現(xiàn)，SJ-1 與SJ-2在循環(huán)多次的荷載作用下，累積的單圈滯回耗能情況見圖4。

圖4 兩試件累積耗能曲線

由圖4 可知，SJ-1 的累積耗能始終高于SJ-2，并隨著循環(huán)圈數(shù)增加而增加。SJ-2 在15 次循環(huán)往復(fù)時(shí)水平荷載累積耗能達(dá)到了60 kN/mm，該試件的控制位移較低，更容易在震害中出現(xiàn)滯回現(xiàn)象，從而影響試件對(duì)框架側(cè)向約束能力。在SJ-1 中，梁端裂縫的分布范圍較小，且其最大的裂縫寬度＜0.1 mm。隨著位移角度的增加，梁端裂縫的寬度變化不明顯，并且在完全卸載后裂縫變得不可見。而SJ-2扭轉(zhuǎn)變形較大，試件的角鋼邊緣混凝土保護(hù)層出現(xiàn)了起皮現(xiàn)象，并在灌漿墊層出現(xiàn)70 mm 的水平裂縫，試件頂端與底端均存在不同程度的損傷，抗震性能不佳?？筛鶕?jù)核心耗能段的極限應(yīng)變來判斷試件的極限應(yīng)變，公式如下：

式（1）中：δc，t為試件的極限應(yīng)變；εmc，mt為受壓極限與受拉極限的軸向形變；Lk為支撐核心耗能段的長(zhǎng)度，mm。計(jì)算出δc，t值之后，根據(jù)該值的變化情況，對(duì)試件剛度退化現(xiàn)象進(jìn)行分析，見圖5。

圖5 兩試件剛度退化曲線（%）

由圖5 可知，SJ-2 因扭轉(zhuǎn)變形顯著而導(dǎo)致骨架曲線與SJ-1 存在明顯差異，由此導(dǎo)致SJ-2 出現(xiàn)初始配重增加的現(xiàn)象，骨架曲線的偏差約5%，不利于試件的延性。受到初始扭矩的影響，試件退化剛度的差異在初始時(shí)已經(jīng)十分明顯。SJ-1 的位移角為-3.0%時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右；在位移角為0 時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)趨近于0；在位移角為+3.0%時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右。由此可見，試件在位移角的-3.0%～+3.0%的范圍內(nèi)變化時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)變化不大，表明試件具有良好的輕損傷特性。而SJ-2 的位移角為-3.0%時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)在18%左右；在位移角為0 時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右；在位移角為+3.0%時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)在10%左右。由此可見，試件在位移角-3.0%～+3.0%內(nèi)變化時(shí)，等效黏滯阻尼系數(shù)變化較大，表明試件存在較大的損傷，抗震性能不佳。

3 試驗(yàn)結(jié)果

本文結(jié)合SJ-1 與SJ-2 的前后總累積耗能，反映2 個(gè)試件在水平地震力作用下的整體抗震性能。在其達(dá)到屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)等特征點(diǎn)之后，抗震耗能的滯回耗能越小，抗震性能越佳，兩框架試件的抗震耗能指標(biāo)見表3。

表3 在水平地震力下試件框架抗震耗能分析

由表3 可知，一般情況下，框架結(jié)構(gòu)在同級(jí)位移下循環(huán)2 次消耗的能量基本相同，各個(gè)特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單圈滯回耗能達(dá)到的能量耗散越快，越不容易抵抗震害。SJ-1 的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)的滯回耗能相對(duì)較低，框架結(jié)構(gòu)的極限位移則顯著減小，屈服荷載則有一定程度的提高，故該試件的單圈滯回耗能明顯大于SJ-2。因此，加固后的框架結(jié)構(gòu)，其抗震性能更佳，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨之增加?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼系數(shù)變化指標(biāo)見表4。

表4 不同位移下框架等效黏滯阻尼系數(shù)變化分析

由表4 可知，在框架結(jié)構(gòu)水平位移為20 mm時(shí)，SJ-1 的等效黏滯阻尼系數(shù)低于SJ-2；在框架結(jié)構(gòu)水平位移為60 mm 時(shí)，SJ-2 的等效黏滯阻尼系數(shù)低于SJ-1。由此證明，在相同水平位移下，等效黏滯阻尼系數(shù)越低，鋼筋強(qiáng)度等級(jí)對(duì)框架抗震影響越小，需要依靠后續(xù)框架結(jié)構(gòu)的加固，才能保證結(jié)構(gòu)的抗震效果。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來，建筑結(jié)構(gòu)面對(duì)地震災(zāi)害時(shí)表現(xiàn)出的缺乏延展性與耗能的問題，容易導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)受到災(zāi)害影響出現(xiàn)嚴(yán)重破壞?？紤]到框架結(jié)構(gòu)未進(jìn)行豎向荷載抵抗設(shè)計(jì)，框架結(jié)構(gòu)的滯回耗能相應(yīng)增加，導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)的抗剪能力降低，整體抗震性能不足。裝配式結(jié)構(gòu)能夠相應(yīng)更換減震構(gòu)件，將各個(gè)構(gòu)件現(xiàn)場(chǎng)澆筑，并裝配在一起，框架結(jié)構(gòu)的安全性得以保證，從而滿足建筑結(jié)構(gòu)的抗震需求。本文針對(duì)裝配式建筑的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，分析其在水平地震力作用下的可靠性，以試驗(yàn)的方式，分析結(jié)構(gòu)耗能、阻尼系數(shù)等指標(biāo)，結(jié)果表明，加固后的框架結(jié)構(gòu)，抗震性能更佳，建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨之增加，對(duì)于建筑穩(wěn)定建設(shè)具有重要作用。