單側面加固鋼筋混凝土框架梁抗震性能研究

劉春陽，付　靜

（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.中國核電工程有限公司，北京100840）

單側面加固鋼筋混凝土框架梁抗震性能研究

劉春陽1，付靜2

（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南250101；2.中國核電工程有限公司，北京100840）

采用單側面不對稱方式增加補強截面對鋼筋混凝土框架梁進行抗震加固，可提高既有鋼筋混凝土框架梁的抗震性能。文章設計了4個單側面加固梁試件，即1個原梁和新梁整體現澆試件，1個植筋方式連接試件和2個螺栓緊固方式連接且新梁采用有粘結預應力試件，并進行了低周反復加載試驗，采用了預應力加固梁先預后緊和先緊后預兩種連接方式研究了新增截面中預應力筋張拉及與原梁拼接先后順序的不同對試件抗震性能的影響，在試驗的基礎上，對比分析了加固梁的破壞特征、滯回曲線特性、承載力、延性和強度退化特征。結果表明：加固梁均為彎曲破壞具有良好的抗震性能且新增截面施加預應力后殘余變形約降低40%左右，植筋方式得到的加固梁試件整體變形能力優于螺栓緊固連接試件，二者延性系數最大相差31%。

側面加固；框架梁；連接方式；擬靜力試驗；抗震性能

0　引言

鋼筋混凝土造建筑物在工程建設中有著廣泛的應用。地震的發生造成了建筑物的損傷，降低了結構安全工作的可靠性。應當采用適當的抗震加固方法對其進行加固補強，這是提高其抗震性能的有效方法。黃建鋒等通過擬靜力試驗對比研究了已震損及未損框架采用增大截面法加固后的抗震性能，采用增大截面法進行合理和可靠的加固，可較大程度的提高結構的承載力、延性以及耗能能力，該方法是一種有效的抗震加固方法，可以滿足規范三水準抗震設防要求［1］。盧亦焱等結合對鋼管混凝土力學性能和自密實混凝土高流動性特性研究的基礎上，提出了外套鋼管自密實混凝土加固鋼筋混凝土柱的新型復合加固方法，并通過試驗對11個加固鋼筋混凝土圓形截面短柱試件和9個加固鋼筋混凝土中長圓柱試件的軸壓性能進行了研究。試驗結果表明，復合加固試件的強度和變形能力均優于未加固鋼筋混凝土試件，且隨著含鋼率和自密實混凝土強度的提高，加固試件強度亦隨之提高［2-3］。盧亦焱等通過偏壓試驗對4根外套鋼管自密實混凝土加固RC方形截面柱的破壞形態和強度進行了研究，并在試驗研究基礎上采用ABAQUS有限元分析軟件對偏壓試驗全過程進行了數值模擬［4］。盧亦焱等提出CFRP—圓鋼管自密實混凝土加固鋼筋混凝土柱的加固方法，通過試驗研究了利用該方法加固后的RC方形截面短柱的軸壓性能［5］。

纖維增強復合材料（FRP）具有輕質、高強等優點，在結構加固中得到廣泛應用。Balsamo和Duong等通過試驗對采用FRP進行加固后的RC框架抗震性能進行了研究。結果表明，框架加固后的承載力、延性明顯提高，具有良好的抗震性能［6-8］。周長東等通過軸壓試驗研究了25個采用環向預應力纖維布加固混凝土圓形截面短柱的軸壓性能。結果表明，環向預應力纖維布加固試件的軸壓承載力和延性均顯著提高［9］.林于東等采用U型鋼板箍對普通鋼筋混凝土梁和部分預應力混凝土梁進行了加固，并研究了加固梁試件的抗剪性能，采用U型鋼板箍進行加固的梁試件斜截面受剪承載力得到提高［10］。以上研究主要是在構件截面四周采用圍套方法增加截面尺寸和配筋以及粘貼纖維布和鋼板的方式來改善和提高加固結構的強度和變形性能。陶忠等采用隔震技術對某8層混凝土現澆框架進行加固，并進行了有限元分析，采用隔震技術后，該建筑抗震性能滿足現行規范要求［11］。潘鵬等通過在某6層框架結構地城柱頂設置橡膠支座，將該建筑底層改造為隔震層，有效的提高了該建筑的抗震性能［12］。有關學者通過在結構外側增設框架的方法來提高結構抗震性能。新增設框架與既有結構間通過樓板進行連接，一方面新增設結構可與既有結構共同工作抵抗地震作用，另一方面也可減少加固施工過程對建筑物內部空間的過多影響［13-16］。

文章通過植筋或高強度螺栓緊固拼接等方式將新增梁截面施工于既有框架梁的某一側面，對其進行抗震加固。為了研究單側面加固梁的抗震性能，文章進行了4個試件的抗震性能試驗研究。

1　加載破壞試驗

1.1試件設計

試驗共設計4個試件，試件編號及設計參數見表1。試件均由框架梁（后文簡稱原梁）和新增加固截面（后文簡稱新梁）組成。原梁、新梁箍筋均采用直徑6 mm的HPB300級鋼筋，間距為80 mm。試件截面尺寸及配筋情況如圖1所示。

試件B-1原梁和新梁鋼筋籠同時綁扎且混凝土一次性完成澆筑，用以和其他試件對比。試件BS -1首先制作原梁部分并于原梁側面設置連接用錨固鋼筋，直徑為12 mm的鋼筋伸入原梁內的長度為80 mm，在1倍梁高范圍內以100 mm間距對稱布置三排，梁長剩余區段內以100 mm間距折線形布置，新梁鋼筋籠綁扎就位后再澆筑混凝土完成制作。試件BPS-1、BPS-2制作時新梁、原梁分別制作并通過高強螺栓進行拼接，螺栓孔道施工時預留并貫穿整個加固梁截面，螺栓沿梁長布置方式同試件BS-1錨固鋼筋，新梁采用有粘結預應力混凝土，于新梁截面形心處布置1根直徑為15.2 mm鋼絞線并，達到張拉控制應力（0.75 fptk）后立即于波紋管孔道中進行灌漿，新梁與底座之間的縫隙采用環氧砂漿灌縫?；炷?、鋼筋及砂漿的力學性能實測值見表2和3，其中，先預后緊為先張拉預應力筋后螺栓預緊連接，先緊后預為先螺栓預緊連接后張拉預應力筋。

圖1　試件截面尺寸及配筋圖/mm

表1　試件設計參數

表2　鋼筋材料力學性能

表3　混凝土、砂漿力學性能

1.2試驗加載方式

試件屈服前采用力控制加載，每級荷載循環一次，屈服后采用位移控制，每級位移循環3次。當荷載下降到峰值荷載的75%時停止加載。用IMP數據采集系統采集水平加載力和加載點處位移，并用其繪制滯回曲線，而試件的裂縫由人工測繪完成。試驗加載裝置示意圖，如圖2所示。

圖2　加載裝置圖

2　試件破壞特征

各試件原梁、新梁最終破壞狀態，如圖3、4所示。各試件破壞特征具有以下特征：

（1）試件B-1加載初期出現水平細小裂縫，加載后期在梁端一倍梁高范圍內出現數條寬度較大的水平裂縫和一條主斜裂縫，梁端混凝土破壞并局部脫落，最終呈彎曲為主的破壞形態。

（2）試件BS-1裂縫數量相對較少，加載時首先出現幾條接近水平的細小裂縫，進而發展成為斜裂縫；加載后期，新梁側面出現貫通的水平裂縫，寬度較大并能見內部鋼筋，梁端混凝土壓碎脫落，主筋外露，破壞程度比試件B-1嚴重，最終呈彎曲為主的破壞形態。

（3）試件BPS-1、BPS-2加載初期亦出現細小的水平裂縫，側面高強螺栓周圍出現斜裂縫但裂縫發展緩慢沒有形成主裂縫；加載后期，原梁側面裂縫數量明顯多于新梁，且其端部混凝土壓碎剝落并伴有鋼筋斷裂現象發生，新梁端部灌縫環氧砂漿被壓扁，側面也有混凝土掉落，最終呈彎曲為主的破壞形態。

整個加載過程，原梁與新梁結合面連接可靠，未出現滑移分離的現象，新、舊部分能夠協調變形共同工作。

圖3　各試件原梁破壞狀態圖

圖4　各試件新梁破壞狀態圖

3　試驗結果與分析

3.1滯回曲線分析

圖5為各試件荷載（P）—位移（Δ）滯回曲線。試件B-1加載位移達到20 mm時達到試驗記錄的峰值荷載。在其后的加載過程中，承載力下降趨勢平緩滯回環呈紡錘型。試件BS-1加載位移達到45 mm時達到試驗記錄的峰值荷載。試件BPS-1加載位移達到28 mm時達到試驗記錄的峰值荷載。試件BPS-2加載位移達到34 mm時達到試驗記錄的峰值荷載。試件BPS-2正、反向加載滯回環形狀有較大差異，主要是由于原梁、新梁首先采用高強螺栓拼裝連接而后施加預應力，在加固梁截面產生較大偏心作用，加載后期原梁一側角部鋼筋斷裂所致。與試件B-1相比，其余試件實測峰值荷載接近，峰值點過后承載力下降趨勢明顯但滯回環整體仍呈紡錘型；試件BPS-1和試件BPS-2殘余變形小，約降低40%左右，變形恢復能力增強?？傮w來看，各試件以彎曲破壞形式為主，滯回環均比較飽滿，中部捏攏輕，抗震耗能能力強。

3.2承載力分析

表4為各試件屈服荷載、峰值荷載實測值。水平加載時，推力對應的位移和荷載為正，拉力對應的位移和荷載為負。其中，Pu、Py分別為試件峰值荷載和屈服荷載，Pu/Py稱為強屈比。

由表4可見，正向加載時各試件峰值荷載比較接近且試件BS-1的峰值荷載略高于其他三個試件；反向加載時各試件峰值荷載值略高于正向加載時的峰值荷載，這是由于反向加載時受壓區混凝土破壞程度較輕。試件BS-1、BPS-1、BPS-2的強屈比高于試件B-1，表明試件從屈服到極限過程較長，有良好的承載力安全儲備，有利于抗震。

3.3延性分析

表5為各試件位移及延性系數實測值。其中，Δy為Py對應的屈服位移；Δu為極限位移，取荷載下降至峰值荷載的75%時所對應的位移，延性系數μ=Δu/Δy。

圖5　各試件荷載—位移關系滯回曲線圖

表4　各試件屈服荷載、峰值荷載實測值

由表5可見，正向加載時，試件B-1延性系數與植筋錨固試件BS-1接近；反向加載時，試件B-1延性系數比植筋錨固試件BS-1低21%，表明側面植筋加固方式的試件整體性強，新梁與原梁共同工作能力強。各加固試件正向加載時延性系數接近，反向加載時植筋錨固試件BS-1延性系數高出預應力加固試件BPS-1、BPS-2分別為5%和 31%，這主要是由于新梁截面中預應力的施加對梁整體截面產生側向彎矩，加載過程中隨著梁端部混凝土的破壞程度的加劇，加載方向的彎矩和該側向彎矩共同工作的條件下，使得原梁截面角部鋼筋發生斷裂，從而導致試件延性降低。同為預應力加固試件，先緊后預試件BPS-2的延性系數最小，這主要是由于該試件新梁截面中施加的預應力會在整個梁截面中分配，提高了整個梁截面的預壓應力水平，使得試件延性系數降低。試驗結果表明，加固梁具有較好的彈塑性變形能力。

3.4強度退化分析

強度退化常采用強度退化系數來表征。圖6為各試件強度退化系數與梁端加載位移角關系曲線。圖中強度退化系數為某次加載循環記錄的峰值荷載與試件峰值荷載的比值。由圖6可見，各試件強度退化規律較為一致，初期上升，中期平緩，后期下降。相同位移角的情況下，先預后緊與先緊后預加固梁的強度退化較快。這主要是由于加載后期預應力梁根部全部裂開，僅存預應力筋與底座連接并發揮承載功能，且預壓力在截面產生的偏心作用加劇了原梁側的破壞程度從而使得試件的承載能力快速降低。

表5　位移及延性系數試驗值

圖6　強度退化曲線圖

4　結論

通過上述研究分析，得到以下結論：

（1）單側面加固梁以彎曲破壞形態為主抗震性能優良。新增加固截面施加預應力后可提高截面壓應力水平降低結構的殘余變形，總體來看預應力加固梁的殘余變形約降低40%左右，變形恢復能力強。但由于預應力產生的偏心作用導致加載后期原梁一側縱筋斷裂，加固梁強度退化趨勢加劇。

（2）植筋、先緊后預、先預后緊連接方式得到的加固梁峰值承載力與整體現澆加固梁峰值承載力接近，加固效果明顯。植筋方式加固梁的變形能力優于先預后緊、先緊后預方式加固梁，延性系數分別高出5%和31%。

（3）原梁與新梁界面沒有發生明顯的滑移脫離共同工作效果良好，植筋錨固、先預后緊、先緊后預的加固方式均可應用于實際加固工程中。

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Seismic performance study on reinforced concrete frame beam strengthened by single side beam section

Liu Chunyang1，Fu Jing2

（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

The existing reinforced concrete frame beam could be retrofitted by adding new RC section only on one lateral side.The low cycle reversed loading experiment is launched on four specimens to study the seismic performance of the retrofitted beam.One specimen is that the original beam and the new beam is overall cast-in-situ，one specimen is that the new beam is connected to the original beam by the anchorage steel bars，two specimens are that the new beam is connected to the original beam by the high strength bolts and the new beam is also prestressed.Two connection type is further considered for the prestressed specimen to study the influence rule of different order of bolt-tightening and the process of prestressed loading to the seismic performance.Based on the test，the failure mode，characteristic of the hysteretic curves，bearing capacity，ductility，strength degradation is studied.Test results show that the failure mode of all specimen is flexural failure and the retrofitted beam has good seismic performance，the residual deformation is reduced by degree of 40%for the existence of prestress，the deformation capacity of planting bar sepcimen is superior to the high strength bolts connection specimen and the deference of ductility between them is 31%.Experiment results would provide good references for practical retrofit engineering.

single side retrofit；frame beam；connection style；quasi-static test；seismic behavior

TU375

A

1673-7644（2016）04-0336-06

2016-06-02

山東省自然科學基金項目（ZR2015EQ017）；住房與城鄉建設部科技項目計劃項目（2014-K2-027）；山東省住房和城鄉建設廳科技項目計劃項目（KY023）；山東省高等學校青年骨干教師國內訪問學者資助項目（20141208）

劉春陽（1980-），男，講師，博士，主要從事工程抗震加固等方面的研究.E-mail：liucy2011@sdjzu.edu.cn