對震后損傷框架結構剛度退化問題的研究

曹 聰 吳海英 曹海軍

隨著近年來世界各地頻發的地震災害,對于地震中受損建筑的破壞形態的研究和加固方法的研究以及對抗震措施的研究也越來越多,對震后損傷結構構件剛度退化的研究是其中之一。剛度退化是指在荷載長期作用下,受壓混凝土將發生徐變,即荷載不增加而變形卻隨時間增長;在配筋率不高的構件中,由于裂縫間受拉混凝土的應力松弛以及混凝土和鋼筋的徐變滑移,使受拉混凝土不斷退出工作,因而受拉鋼筋平均應變和平均應力亦將隨時間而增大;同時,由于裂縫不斷向上發展,使其內力臂減小,也將引起鋼筋應變和應力的某些增大;以上這些情況都會導致曲率增大、剛度降低。此外,由于受拉區和受壓區混凝土的收縮不一致,使梁發生翹曲,亦將導致曲率的增大和剛度的降低,就叫做剛度退化。剛度退化對建筑物的可靠性和安全性有很重要的影響,同時對于分析建筑物的受損情況和確定加固方法及加固量也有重要意義。現通過對一層一跨的平面框架體系進行低周往復加載水平力的試驗來討論剛度退化的情況。

1 試驗概述

鋼筋混凝土框架是建筑結構中的重要受力結構,框架柱是主要的受力構件,不僅承擔豎向荷載,而且承擔由地震作用引起的水平剪力。所以在剛度退化的分析中主要考慮柱的剛度退化。試件為一層一跨的平面框架體系,混凝土強度等級采用 C20商品混凝土,縱筋采用 HRB 335級螺紋鋼,箍筋采用 HPB 235級鋼,構件中柱截面尺寸為 (180×180×1700)mm,橫梁截面尺寸為(150×250×2400)mm,基礎梁尺寸為(300×300×3400)mm,試件結構形式如圖 1所示,試件各構件的配筋如圖 2,圖 3所示。注:圖 2梁與柱均為對稱配筋,且左右兩根柱子的配筋也完全對稱。

實測混凝土的固有力學性能指標如表 1所示,其應力—應變關系見圖 4。

表1 混凝土的力學性能指標

試驗中用到的鋼筋的力學性能指標見表 2。

表2 鋼筋的力學性能指標

為了模擬實際框架柱的受力狀態,對構件施加一定的軸向壓力,其軸壓比為0.3,試驗過程采用美國 MTS公司生產的電液伺服液壓系統進行數據采集,正式加載前進行預加載,正式加載時,屈服前采用力控制加載,屈服后采用位移控制加載,以試件屈服位移為極差進行加載。

2 主要試驗數據及分析

反復荷載作用下柱的滯回曲線如圖 5所示。圖6為反復加載時試件的骨架曲線。

鋼筋混凝土框架在試驗中量測的滯回曲線的形狀可以分析構件或結構的抗震滯回特性。鋼筋在屈服以前,構件上雖然已經出現了裂縫和混凝土的塑性應變,但總變形不大,加載曲線的斜率變化小,卸載后的殘余應變也小,正反向卸載各一次所構成的滯回環不明顯。構件的受拉鋼筋屈服以后,荷載繼續地往復作用,混凝土受拉裂縫不斷地開展和延伸,鋼筋的拉應變和混凝土的壓應變逐漸地積累增大,總變形持續地增大,而承載力變化不大。此時,試件的正反向加、卸載曲線呈現下列一些特點:

加載曲線——每一次加載過程中,曲線的斜率隨荷載的增大而減小,且減小的程度在加快;比較各次同向加載曲線,后次比前次的斜率逐漸減小,說明了反復荷載下構件的剛度退化。數次反復荷載以后,加載曲線上出現了拐點(見圖 5中的K,E兩點),形成了捏攏現象,而且捏攏現象逐次增大。

卸載曲線——剛開始卸載時曲線陡峭,恢復變形很小。荷載減小后曲線趨向平緩,恢復變形逐漸加快,即所謂的恢復變形滯后現象。曲線的斜率隨反復加卸載次數而減小,表明了結構卸載剛度的退化。全部卸載后,構件留有殘余變形(見圖 5中的 J,D兩點),其值隨反復加卸載次數不斷地積累增大。

3 試件的剛度退化情況及計算

我們知道在地震過程中,隨著地震能量的輸入,結構抗側力體系不斷開裂,剛度下降,結構變柔,結構的自振周期增大,其受力性能將發生變化:一方面是結構體系吸收的地震能量將隨之減少,使得結構安全系數增大;另一方面是結構的抗側能力亦將隨之減小。

4 結語

目前對于損傷結構構件的加固計算多是根據強度來確定加固量,但對加固構件的剛度計算方法的研究卻很少,本文僅在理論上對剛度的退化進行分析,要在實際工程中得到運用還需進一步的研究。

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