混凝土框架應(yīng)力加固研究
2015-07-29
一、前言
近年來，體外預(yù)應(yīng)力加固法在框架結(jié)構(gòu)的加固工程實(shí)踐中已經(jīng)得到了較多的應(yīng)用。體外預(yù)應(yīng)力加固的特點(diǎn)是傳力明確、布置靈活，可以根據(jù)豎向荷載的分布情況靈活的設(shè)置力筋布置形式，使其等效荷載能夠抵消大部分外荷載的作用，并充分發(fā)揮各種結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度。國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究表明，體外預(yù)應(yīng)力加固框架在豎向荷載下的結(jié)構(gòu)性能比較理想，但其在反復(fù)作用的水平荷載(主要是地震荷載)下的結(jié)構(gòu)性能還沒有得到充分的研究。工程實(shí)踐的發(fā)展使得對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行深入的研究變得十分必要和緊迫。因
此，本次試驗(yàn)的目的就是對(duì)框架結(jié)構(gòu)經(jīng)體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固后在豎向荷載和水平反復(fù)荷載的共同作用下的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析研究。
二、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)
選擇單層單跨鋼筋砼框架為基本試驗(yàn)對(duì)象。原型框架跨度7.5m，層高4.5m。開間6.6m，采用1860級(jí)15.24鋼絞線進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力加固，加固后屋面恒載為9.62。
對(duì)縮尺模型進(jìn)行試驗(yàn)，首先根據(jù)試驗(yàn)條件確定模型框架與原型框架的幾何比例為l/3，其他比例系數(shù)為位移比例系數(shù)l/3，彈性模量比例系數(shù)1，應(yīng)力和應(yīng)變比例系數(shù)l，集中荷載和集中力的比例系數(shù)1/9。按以上相似比例系數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)用的模型框架。
加固原結(jié)構(gòu)使用的力筋為4根1860級(jí)15.24鋼絞線，張拉控制有效應(yīng)力為 。按相似比例系數(shù)，應(yīng)使用截面積為15.6的鋼絞線。而實(shí)際工程上使用的最細(xì)的鋼絞線12.7的截面積為89.45。因此在模型中使用2根1860級(jí)12.7鋼絞線，由力筋總拉力的比例系數(shù)確定張拉控制有效應(yīng)力為400N/。模型中預(yù)應(yīng)力鋼絞線的張拉控制有效應(yīng)力雖然遠(yuǎn)小于原型中的應(yīng)力值，但在整個(gè)加載過程中，原型與模型中的預(yù)應(yīng)力鋼絞線都處于線性階段，可以不考慮應(yīng)力值的比例，只考慮預(yù)應(yīng)力鋼絞線總拉力的相似比例。預(yù)應(yīng)力鋼絞線使用的錨具為柳州海維姆出產(chǎn)的v—13錨具。預(yù)應(yīng)力鋼絞線的布置形式如表1。轉(zhuǎn)向塊為自加工的鋼制組合件。到柱軸線的距離為L(zhǎng)/3=933mm。
三、加載與數(shù)據(jù)采集
豎向荷載分兩級(jí)施加，第一級(jí)20kN，第二級(jí)30kN。張拉預(yù)應(yīng)力筋時(shí)保持豎向荷載不變，分兩級(jí)兩端張拉預(yù)應(yīng)力鋼絞線。施加水平荷載時(shí)保持豎向荷載不變，對(duì)兩邊伸出的梁端輪流施加水平力。
按抗震規(guī)范，考慮Ⅱ級(jí)場(chǎng)地遠(yuǎn)震，8度多遇地震作用下試驗(yàn)框架受到的水平地震力；在8度罕遇地震作用下，。因此，水平力的每一級(jí)循環(huán)包括右推、歸零、左推、歸零四個(gè)步驟，水平力的施加先按水平力控制，每級(jí)20kN；水平荷載作用下試驗(yàn)框架進(jìn)入屈服平臺(tái)后按水平位移控制,每級(jí)5mm，直至試件破壞。其加載力學(xué)簡(jiǎn)圖見圖l。
在試驗(yàn)中采取如下測(cè)量手段：使用設(shè)置在梁端兩邊的水平力傳感器測(cè)量水平力，采集的數(shù)據(jù)輸入電子繪圖儀繪制水平滯回曲線。使用設(shè)置在框架梁中間的位移傳感器測(cè)量水平位移，采集的數(shù)據(jù)輸入電子繪圖儀繪制水平滯回曲線。在框架中的鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線上粘貼電阻應(yīng)變片，采集得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)輸入電腦進(jìn)行處理。此外，在試驗(yàn)中隨時(shí)觀察并測(cè)量裂縫延伸的長(zhǎng)度和寬度。
四、試驗(yàn)過程及試件破壞形態(tài)
本次試驗(yàn)于2012年12月在某省建筑科學(xué)研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。
1、K1
試驗(yàn)開始時(shí)先對(duì)K1分級(jí)施加豎向荷載。豎向荷載加到30kN時(shí)，框架梁跨中附近梁底的裂縫基本出齊，裂縫平均間距為83mm；框架梁跨邊上部也出現(xiàn)少量裂縫；框架柱未出現(xiàn)裂縫。施加預(yù)應(yīng)力之后，上述裂縫全部閉合到肉眼觀察不到，也未出現(xiàn)新的肉眼可見的裂縫。
水平荷載加到第一級(jí)時(shí)，框架柱頂外側(cè)出現(xiàn)第一條水平裂縫。此后，隨著水平循環(huán)荷載的增加，在框架上不斷出現(xiàn)新的裂縫，已有裂縫在張開閉合過程中的最大寬度也不斷增大。在120kN等級(jí)水平荷載的加載中，發(fā)現(xiàn)滯回曲線出現(xiàn)很大彎曲，水平位移開始大幅增加。而框架承受的水平力增加到110kN附近就不能上升。從此時(shí)開始按位移控制，每一級(jí)控制循環(huán)兩輪，第一級(jí)控制水平位移為25mm，此后每級(jí)增加5mm。水平位移控制開始后，框架中的裂縫得到充分發(fā)展，在柱底首先出現(xiàn)了裂寬大于2mm的裂縫，此時(shí)的大部分裂縫在水平位移歸零時(shí)并不能完全閉合，少數(shù)裂縫在反向荷載下也不能完全閉合。當(dāng)水平位移加到35mm時(shí)，梁端緊靠梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)處上下裂縫已經(jīng)完全貫通，柱頂和節(jié)點(diǎn)區(qū)都出現(xiàn)大量交叉裂縫，柱底開始出現(xiàn)砼剝落現(xiàn)象。從滯回曲線來看．加固后結(jié)構(gòu)的水平承載并沒有下降，主滯回曲線出現(xiàn)一道很長(zhǎng)的基本水平的屈服臺(tái)階。當(dāng)水平位移達(dá)到65mm時(shí)，結(jié)構(gòu)的水平承載力下降到9lkN。由于試驗(yàn)設(shè)施的限制，對(duì)K1的試驗(yàn)結(jié)束，其最終破壞。
2、K2
試驗(yàn)框架K2的試驗(yàn)過程接近K1。豎向荷載加到30kN時(shí)，框架粱跨中附近梁底裂縫基本出齊，裂縫平均間距為84mm；框架梁跨邊上部和框架柱外側(cè)也出現(xiàn)少量裂縫。
在水平力作用下，K2的水平位移發(fā)展的比Kl快。在施加第五級(jí)水平力荷載(100kN)時(shí)，加固后結(jié)構(gòu)的主滯回曲線出現(xiàn)很大彎曲，水平位移迅速發(fā)展。正方向水平力達(dá)到95kN即不再增大，曲線出現(xiàn)短暫的水平屈服臺(tái)階。此時(shí)即改為水平位移控制，確定水平位移控制的第一級(jí)為30mm。水平位移控制開始時(shí)框架中的裂縫已發(fā)展的很充分，柱底砼開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。在水平位移達(dá)到45一以前，加固后結(jié)構(gòu)的水平承載力基本能維持在第一級(jí)水平位移控制時(shí)的值；當(dāng)水平位移達(dá)到50mm時(shí)，加固后結(jié)構(gòu)的水平承載力下降到90kN；在水平位移達(dá)到試驗(yàn)設(shè)施所允許的最大值55mm時(shí)，加固后結(jié)構(gòu)的水平承載力下降到87kN。
3、K3
對(duì)試驗(yàn)框架K3不施加預(yù)應(yīng)力以體現(xiàn)預(yù)應(yīng)力加固對(duì)于框架結(jié)構(gòu)性能的影響。對(duì)K3施加完豎向荷載后，保持豎向荷載不變直接施加水平荷載。在施加第五級(jí)水平荷載時(shí)，加固后結(jié)構(gòu)的水平承載力上升到90kN左右就不再上升，轉(zhuǎn)入水平位移控制，第一級(jí)控制水平位移取為25mm。在水平位移控制的初始階段，框架結(jié)構(gòu)中的裂縫迅速發(fā)展，柱底砼出現(xiàn)剝落現(xiàn)象?？蚣艿乃匠休d力在水平位移達(dá)到45mm以前沒有出現(xiàn)下降，一直在90kN附近波動(dòng)。此后結(jié)構(gòu)的水平承載力開始下降，水平位移為50mm時(shí)，最大水平承載力為89kN；水平位移為55mm時(shí)，最大水平承載力為86kN。
4、K4
豎向荷載達(dá)到30kN時(shí)，框架梁跨中附近梁底裂縫全部出齊，裂縫平均間距為79r一；框架柱外側(cè)未出現(xiàn)可見裂縫?？蚣芰嚎缰袚隙葹?．5mm施加預(yù)應(yīng)力以后，上部裂縫全部閉合?？蚣芰骸⒅闯霈F(xiàn)新的裂縫。框架梁跨中撓度變?yōu)?.2mm。
施加完預(yù)應(yīng)力以后立即對(duì)K4繼續(xù)分級(jí)施加豎向荷載直至破壞。當(dāng)豎向荷載達(dá)到50kN每點(diǎn)時(shí)，大部分施加預(yù)應(yīng)力時(shí)閉合的裂縫二度張開，框架梁跨中撓度達(dá)到3.0mm，此后框架粱的跨中基本不再出現(xiàn)新的裂縫。加載至140N，框架柱上部出現(xiàn)明顯的向外鼓出彎曲，框架梁跨中撓度變?yōu)?0.5mm。在施加下一級(jí)荷載時(shí)，加固后結(jié)構(gòu)的承載力達(dá)不到預(yù)期施加的150kN，試驗(yàn)框架破壞。
五、滯回曲線分析
由于加固預(yù)應(yīng)力的作用，試驗(yàn)框架K1抵抗水平荷載的能力要超過K3約20％，試驗(yàn)框架K2的抵抗水平荷載的能力也要超過K3達(dá)10％。與普通鋼筋砼框架的滯回曲線相類似的，試驗(yàn)框架Kl的滯回曲線的卸載段有較大的斜率；但在從剛剛開始反向加載到位移歸零的階段內(nèi)，滯回曲線的斜率變小(尤其在發(fā)生大位移時(shí)比較明顯)，這又接近于普通預(yù)應(yīng)力砼框架的性能?？傮w上預(yù)應(yīng)力加固框架的滯回曲線兼有鋼筋砼框架和預(yù)應(yīng)力砼框架的性質(zhì)，曲線呈兩頭寬、中間窄的特殊形狀。由于Kl的滯回曲線斜率大于K3，滯回曲線的卸載段就要比K3“豐滿”一些；而且由于K1的極限抗彎承載力較大，滯回曲線的最大高度大于K3，總的說來，K1在水平荷載作用下的耗能能力大于K3。K4的主要破壞原因是框架柱外側(cè)出現(xiàn)較多裂縫，框架柱曲率過大，在軸力與彎矩共同作用下失穩(wěn)破壞。這主要是因?yàn)樨Q向荷載在單層單跨的試驗(yàn)框架的框架柱上半部分產(chǎn)生了相當(dāng)大的彎矩。
而在真實(shí)框架結(jié)構(gòu)中，豎向荷載一般不會(huì)在框架柱上產(chǎn)生如此大的彎矩，體外預(yù)應(yīng)力加固又可以保證框架各截面的安全。因此。對(duì)于承擔(dān)豎向荷載為主的框架結(jié)構(gòu)而言，體外預(yù)應(yīng)力加固的結(jié)構(gòu)性能是十分良好的。
六、試驗(yàn)結(jié)果分析
通過試驗(yàn)對(duì)體外預(yù)應(yīng)力加固框架的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了深入的研究，井得出如下幾點(diǎn)結(jié)論。
?。?）在豎向荷載作用下，體外加固力筋可以很好的與被加固結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，其應(yīng)力隨著豎向外荷載的增大而不斷上升，大幅度的提高結(jié)構(gòu)抵抗豎向荷載的承載力，并使框架結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布趨向于平均化。
?。?）在水平荷載與豎向荷載的共同作用下。體外預(yù)應(yīng)力加固使框架應(yīng)力分布趨于平均化，混凝土受拉區(qū)面積減小，框架的整體強(qiáng)度與剛度上升，最大水平承載力超過未經(jīng)加固的框架結(jié)構(gòu)約20%。加固后結(jié)構(gòu)在達(dá)到最大水平承載力后進(jìn)入一較長(zhǎng)的屈服平臺(tái)。加固預(yù)應(yīng)力的作用提高了試驗(yàn)框架在水平荷載作用下的耗能能力。有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)得出的結(jié)論相一致：針對(duì)豎向荷載進(jìn)行的體外預(yù)應(yīng)力加固可以基本滿足各種強(qiáng)度的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)小震不壞，大震不倒的抗震要求。
（3）體外預(yù)應(yīng)力加固對(duì)于框架的加固作用主要體現(xiàn)在框架梁的強(qiáng)度提高上。設(shè)計(jì)加固時(shí)必須驗(yàn)算是否滿足強(qiáng)柱弱梁的抗震要求，如不滿足則須對(duì)框架柱采取措施進(jìn)行加固。
