復位性能參數在加固計算分析中的應用

陳 廉 汪訓流

0 引言

復位性能以控制結構或構件的殘余變形為目標,是研究受力(如地震、風載、爆炸等)后或受損(如材料老化、環境變遷等)后結構或構件可修復性的性能指標。實際震害表明,結構震后殘余變形過大,會因無法修復到正常使用狀態而被最終拆除。如1995年日本阪神大地震中,因殘余位移角超限,約100個橋柱被拆除重建[1]。而房屋建筑中鋼筋混凝土框架結構底層柱底塑性鉸的出現難以避免[2],過大的塑性變形也會使結構無法修復而被拆除。

我國建筑結構受老齡化、使用功能改變、抗震設防提高及災變作用等多因素影響,正大量步入待加固改造行列,成為結構專業意義上的“老建筑”。將復位性能的研究延伸到加固改造領域,是全面評估既有“老建筑”抗震性能、有效避免重復加固與維修,節約資金資源,實現綠色環保目標的一條可行途徑。本文以因使用功能改變導致承載力不足的一混凝土框架為例,結合加固領域廣泛應用的粘鋼加固方法,對結構復位性能參數在加固計算分析中的初步應用進行一些簡單探討。

1 復位性能與參數

1.1 基本概念

荷載作用卸載后,結構或構件具有使自身從荷載作用時的最大變形狀態向荷載作用前的初始狀態回復的能力,將結構或構件的這種向初始狀態回復的能力稱為“復位能力”,并稱這種性能為結構或構件的“復位性能”[4]。

結構或構件的復位能力與其變形能力既有聯系又有區別。變形能力是指在維持一定承載能力的情況下結構或構件所能承受的最大變形,是目前基于位移抗震設計方法的研究重點。而復位能力則以結構或構件的殘余變形為目標,同時考察相應的最大變形,所以復位能力的研究是對基于位移抗震設計方法研究的發展和補充。

1.2 主要參數

其中,Dr為結構或構件在荷載作用后的殘余變形;Dm為結構或構件在荷載作用(同一荷載循環)時的最大變形。

復位能力系數γ反映了結構或構件復位能力的大小,γ越大則復位能力越大,一般0≤γ≤1。通常 γ＞0,除非結構倒塌破壞;而當 γ=1時 Dr=0,表明結構或構件具有完全復位能力,如彈性受力狀態時的結構或構件。

結構或構件存在多種力—變形曲線,如彎矩—曲率曲線、彎矩—轉角曲線、荷載—撓度曲線、層間剪力—層間側移曲線、基底剪力—頂點側移曲線等。對應不同類型的力—變形曲線,復位能力系數 γ可為構件的曲率型復位能力系數γφ、轉角型復位能力系數γθ、撓度型復位能力系數 γf或結構的層間側移型復位能力系數γδ、頂點側移型復位能力系數 γΔ等,即:

為反映復位能力大小,定義復位能力系數γ[4]:

其中,相應符號是將式(1)中的變形D分別取構件的曲率φ、轉角θ、撓度 f、結構的層間側移δ和頂點側移Δ。

2 加固計算與分析

2.1 加固算例

文獻[6]算例為某8度區一棟3層鋼筋混凝土框架辦公樓因需要改作密集柜書庫,二、三層樓面使用活荷載由2.0 k N/m2提高到12.0 kN/m2,經計算需對部分梁柱進行加固處理。采取五種加固用鋼量對該框架進行粘鋼加固,如表1所示,鋼板均沿構件通長布置,并與構件同寬。其中,第一種加固用鋼量按鋼筋等強加固原則并結合相關規范要求得到,可稱為“基本加固用鋼量”。

表1 加固量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用頂層位移加載對五種不同加固用鋼量下框架的受力性能進行數值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認為是對中震作用狀態下結構受力特性的近似模擬。框架的梁柱尺寸、配筋、材料強度等級及加載方式見文獻[6],計算結果見圖1。

2.2 計算結果分析

圖1為克服滯回曲線對結構復位性能表征的不足,引入復位能力系數來表達不同加固用鋼量下結構的復位性能比較。考慮論文篇幅因素,圖中只給出了最大荷載循環時基于式(2)頂點側移Δ下的復位能力系數γΔ的比較。由圖1可知,隨著加固用鋼量的增大,γΔ先增大后減小,當用鋼量為“基本加固用鋼量”2倍左右時 γΔ達最大值。

復位能力系數增大的主要原因可以解釋為,處于彈性受力狀態的鋼材成分因用鋼量的增大而增多,從而促進了荷載作用結束后結構的彈性恢復。而復位能力系數具有的極值型非單調且非線性遞增特性表明,結構或構件的復位能力不僅受材料構成中的彈性成分影響,還與其他非線性或塑性成分(如混凝土的受拉開裂、受壓軟化等)相關,也說明了復位能力系數可以綜合反映結構或構件內在的彈性恢復特性。具體到本文算例,因結構構件內部的截面應力重分布和塑性內力重分布,加固用鋼量的增加并不能夠帶來結構復位能力系數的持續增長。因此,對于加固改造領域,應綜合考慮結構的復位性能和滯回性能(如耗能能力),尋求最優加固量,以最大限度保障結構受力或受損后的使用功能。

3 結語

1)滯回曲線及與之相關的已有力學和變形參數尚不能有效反映結構或構件的復位能力,需要引入新的計量參數來進行復位性能的研究;

2)復位能力系數可以綜合反映材料構成中彈性成分、非線性成分及塑性成分等不同因素對結構或構件復位能力的影響,是研究復位性能的基本參數;

3)復位能力系數并不隨加固用鋼量的增加呈單調遞增趨勢而卻存在極值,表明即使就復位單項性能而言,結構或構件也存在一個最佳加固量;

4)加固改造領域計算分析中,應綜合考慮結構或構件的復位性能和滯回及其他傳統意義上的性能指標,尋求最優加固量,以實現資金資源的節約;

5)復位能力系數的影響因素分析及指標定級如中震指標、大震指標等,應是今后在該領域進行研究的方向。

[1] Zatar W,Mutsuyoshi H.Residual Displacements of Concrete Bridge Piers Subjected to Near Field Earthquakes[J].ACI Structural Journal,2002,99(6):740-749.

[2] Paulay T,Priestley M JN.Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings[J].John Wiley and Sons Inc,1992(3):98-106.

[3] Priestley M J N.Myths and fallacy in earthquake engineeringconflicts between design and reality[J].Concrete International,1997(11):54-63.

[4] 汪訓流.配置高強鋼絞線無粘結筋混凝土柱復位性能的研究[D].北京:清華大學博士學位論文,2007.

[5] 汪訓流,陸新征,葉列平.往復荷載下鋼筋混凝土柱受力性能的數值模擬[J].工程力學,2007,24(12):76-81.

[6] Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysison Seismic Performance of RC Frame under Different Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(7):158-161.