水平地震力作用下預制鋼筋混凝土框架可靠性分析

李 江 燕

（鄭州理工職業學院建筑工程學院，河南 鄭州 451150）

0 引言

地震會給人們的生命財產安全帶來極大的威脅。因此，在地震帶的建筑中，結構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、污染小等優點獲得了廣泛的應用，但其建造質量受到預制構件的影響較大，其中影響其抗震性能的構件為預制鋼筋混凝土框架。水平地震力是一種存在于地震災害中的作用力，會對建筑結構產生極大的破壞作用。在水平地震力作用下，預制鋼筋混凝土框架結構的可靠性受到多重因素的影響，如結構特點、地震荷載、建筑物的地基狀況等。為提升其抗震性能，本文對其框架結構進行分析，闡述框架結構的震害機理，以期從源頭上減輕震害對建筑造成的威脅。

在實際建筑施工過程中，根據建筑結構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構的穩定性[1]。在抗震設計規范中，應基于“小震不壞、中震能修、大震不倒”的原則完成建筑結構設計。在地震等大型災害來臨時，框架結構可能因為構件損傷而出現形變的情況，導致其難以繼續使用[2]。應對其在水平地震力作用下的可靠性進行精準分析，以實現震后建筑結構正常狀態的快速恢復。掌握水平地震力作用下裝配式鋼筋混凝土可靠性分析結果，有利于提高建筑結構的安全性[3]。基于此，本文開展水平地震力作用下預制鋼筋混凝土框架可靠性分析。

1 試驗材料性能分析

本次試驗選用的框架結構體積較大，可使用同一批次的C20 強度鋼筋混凝土進行澆筑。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，以實驗室自來水拌制。混凝土澆筑時預留出2 個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物見圖1。

圖1 混凝土試件實物圖

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

1）準備原試件：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。

2）制作模板：根據加固方案和試件的尺寸，制作適當大小的木工模板，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，使其填充整個模板，并使用器具將混凝土充實、振實，確保混凝土與原試件之間緊密貼合，無明顯的空隙和孔洞[4]。

5）養護加固：在混凝土澆筑結束后，進行加固部分的養護。具體養護時間需要根據混凝土強度、養護方式和環境條件等因素進行定期檢查，確保混凝土的強度、密實性和穩定性[5]。

6）拆除模板：在加固混凝土養護完畢且達到最終強度后，從模板中取出混凝土加固部分，并將木工模板拆卸下來。

由于試件并非標準框架結構，在本次試驗中將抗壓強度×系數（0.95），以保證試驗的真實性。2 個試件的配合比見表1。

表1 混凝土配合比設置

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準鋼筋混凝土伸拉試樣。

在鋼材表面貼上應變片，測量出鋼材的彈性模量，并利用拉力測試儀器，分析鋼材試樣材料的力學性能[6]，鋼材的力學參數見表2。

表2 框架中應用鋼材的力學參數

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度、抗拉強度、彈性模量、延伸率等指標均在框架結構所需的要求范圍內，可保證框架結構的穩定性。為了符合裝配式結構的需求，本文使用膠黏劑對各個框架構件進行黏結，其步驟為：首先，清潔構件表面，去除油脂、灰塵、污垢等物質，以確保膠黏劑在兩個表面之間完全傳遞并形成均勻的黏合。其次，根據框架構件所用材料的不同，選擇適當的膠黏劑種類，例如聚氨酯、雙組分環氧樹脂等高強度膠黏劑，且需均勻涂抹膠黏劑。定位裝配結構構件，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，對黏結質量進行檢測。膠黏劑具有足夠的黏結強度，能夠抵抗各個構件的黏結老化問題[7]。根據鋼筋混凝土框架結構的抗震需求，本文將膠黏劑的抗拉強度設定為42.06 MPa，不揮發物的含量占99.3%，以保證框架結構的基本性能。

2 試驗方法

本文對試件在水平地震力作用下的可靠性分析是在實驗室進行的，采用液壓伺服動作器進行水平加載，并且將該裝置固定在實驗室內的鋼筋混凝土框架試件上，液壓伺服動作器的最大出力約620 kN，最大位移為±200 mm。試驗中利用框架梁結構與桿結構來傳遞裝置施加的水平力[8]。側向約束鋼管用來約束框架結構的平面形變，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，對約束框架結構的側向約束剛度進行分析。本次試驗選取框架水平位移、滯回性能、能量耗散、剛度退化等指標完成其可靠性分析[9]。為防止試驗過程中數據丟失，本文在裝置端頭放置了傳感裝置，以掌握試驗數據。在框架結構中，分別將8 個縱筋應變片貼在框架結構的柱上端與下端，框架梁的左、右兩端各布置4 個應變片。通過DH3816 靜態應變儀器，手動采集框架的應變數據，并將其與每個加載數據同步采集，保證采集數據的精準度。布置好相關儀器后，對框架結構在水平地震力作用下的荷載-位移情況進行分析，見圖2。

圖2 水平地震力作用下框架結構荷載-位移曲線

由圖2 可知，在SJ-1 與SJ-2 中施加水平力，當水平力達到350 kN 時，均未發生明顯變化。SJ-1 的水平位移在0～50 mm 之間變化，水平力在500 kN范圍內變化；SJ-2 的水平位移在0～90 mm 范圍內變化，水平力在0～400 kN 范圍內變化。試驗中，當施加的水平力達到400 kN 后，SJ-2 出現了梁頂界面微小開裂的現象。當施加的水平力＞450 kN 時，出現界面隨向上/下位移角在梁頂或梁張開的現象[10]。當水平力＞500 kN 時，灌漿槽的邊緣出現了小裂縫，裂縫寬度＜0.1 mm 時，此時界面隨向上/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，僅出現了梁頂界面微小開裂的現象。在相同條件下，對框架結構的荷載-位移骨架情況進行分析，見圖3。

圖3 水平地震力作用下框架結構荷載－位移骨架曲線

由圖3 可知，SJ-1 在鋼筋全部拉斷的情況下，界面持續轉動，受到壓力的混凝土框架區域減小，框架結構的延伸微小，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生變化，此時荷載略有下降。當位移至0時，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，框架結構的荷載出現上升，界面持續轉動，受壓區域高度增加，其裂縫也開始增加，裂縫寬度會隨著界面的張開或閉合而變化。當位移至0 時，裂縫仍可看見。SJ-1 在水平位移中，水平力相對較低，框架的水平壓力隨之減小；在正向的水平位移中，水平力相對較高，能夠將對框架結構施加的水平壓力轉變為推動力，以此來避免框架出現裂紋、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，不可避免地出現了側向裂紋，影響其繼續使用。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，出現了屈服位移、屈服荷載變化差距增加的現象。SJ-2 受到鋼筋的約束作用較弱，可能對試件的抗震性能產生一定程度的影響。框架結構的構件在水平荷載下的耗能情況是抗震性能分析的直觀體現，SJ-1 與SJ-2在循環多次的荷載作用下，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，并隨著循環圈數增加而增加。SJ-2 在15 次循環往復時水平荷載累積耗能達到了60 kN/mm，該試件的控制位移較低，更容易在震害中出現滯回現象，從而影響試件對框架側向約束能力。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扭轉變形較大，試件的角鋼邊緣混凝土保護層出現了起皮現象，并在灌漿墊層出現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。可根據核心耗能段的極限應變來判斷試件的極限應變，公式如下：

式（1）中：δc，t為試件的極限應變；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度，mm。計算出δc，t值之后，根據該值的變化情況，對試件剛度退化現象進行分析，見圖5。

圖5 兩試件剛度退化曲線（%）

由圖5 可知，SJ-2 因扭轉變形顯著而導致骨架曲線與SJ-1 存在明顯差異，由此導致SJ-2 出現初始配重增加的現象，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已經十分明顯。SJ-1 的位移角為-3.0%時，等效黏滯阻尼系數在5%左右；在位移角為0 時，等效黏滯阻尼系數趨近于0；在位移角為+3.0%時，等效黏滯阻尼系數在5%左右。由此可見，試件在位移角的-3.0%～+3.0%的范圍內變化時，等效黏滯阻尼系數變化不大，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，等效黏滯阻尼系數在18%左右；在位移角為0 時，等效黏滯阻尼系數在5%左右；在位移角為+3.0%時，等效黏滯阻尼系數在10%左右。由此可見，試件在位移角-3.0%～+3.0%內變化時，等效黏滯阻尼系數變化較大，表明試件存在較大的損傷，抗震性能不佳。

3 試驗結果

本文結合SJ-1 與SJ-2 的前后總累積耗能，反映2 個試件在水平地震力作用下的整體抗震性能。在其達到屈服點、峰值點、極限點等特征點之后，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，框架結構在同級位移下循環2 次消耗的能量基本相同，各個特征點對應的單圈滯回耗能達到的能量耗散越快，越不容易抵抗震害。SJ-1 的屈服點、峰值點、極限點的滯回耗能相對較低，框架結構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，加固后的框架結構，其抗震性能更佳，建筑結構的穩定性隨之增加。框架結構的等效黏滯阻尼系數變化指標見表4。

表4 不同位移下框架等效黏滯阻尼系數變化分析

由表4 可知，在框架結構水平位移為20 mm時，SJ-1 的等效黏滯阻尼系數低于SJ-2；在框架結構水平位移為60 mm 時，SJ-2 的等效黏滯阻尼系數低于SJ-1。由此證明，在相同水平位移下，等效黏滯阻尼系數越低，鋼筋強度等級對框架抗震影響越小，需要依靠后續框架結構的加固，才能保證結構的抗震效果。

4 結語

近年來，建筑結構面對地震災害時表現出的缺乏延展性與耗能的問題，容易導致建筑結構受到災害影響出現嚴重破壞。考慮到框架結構未進行豎向荷載抵抗設計，框架結構的滯回耗能相應增加，導致框架結構的抗剪能力降低，整體抗震性能不足。裝配式結構能夠相應更換減震構件，將各個構件現場澆筑，并裝配在一起，框架結構的安全性得以保證，從而滿足建筑結構的抗震需求。本文針對裝配式建筑的鋼筋混凝土框架結構，分析其在水平地震力作用下的可靠性，以試驗的方式，分析結構耗能、阻尼系數等指標，結果表明，加固后的框架結構，抗震性能更佳，建筑結構的穩定性隨之增加，對于建筑穩定建設具有重要作用。