加層改造結(jié)構(gòu)節(jié)點部位受力性能試驗研究

任煥嬌 曹福生 趙夢飛 李昊 李仙俄 梁皖鄂

（1.北方民族大學(xué)土木工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

在城市的快速發(fā)展中，越來越多的老舊建筑物已不能很好地滿足人們工作和生活的需要。拆除重建不僅周期長、造價高，所產(chǎn)生的建筑垃圾對生態(tài)環(huán)境也存在著較大的污染，對周邊建筑物和交通的影響也是不可避免的。城市更新行動是國家“十四五”規(guī)劃中重要的工程項目，在此行動中強調(diào)了堅持綠色低碳發(fā)展。加層改造不僅能夠?qū)崿F(xiàn)城市的更新，促進城市的發(fā)展，還能全面貫徹綠色發(fā)展方針。

目前已有國內(nèi)外學(xué)者對加層改造結(jié)構(gòu)進行了研究與探索[1]，但是以往的研究主要聚焦于加層改造后整體結(jié)構(gòu)的靜力與動力性能分析，多以承重構(gòu)件的豎向承載力為設(shè)計依據(jù)，少有對加層節(jié)點部位的受力性能展開專門的研究。在工程改造過程中，由于缺少必要的理論支持與技術(shù)支撐[2]，加層改造工程事故頻發(fā)。

基于此，本文重點分析加層改造結(jié)構(gòu)節(jié)點部位的受力性能，揭示節(jié)點部位在水平和豎向荷載共同作用下的破壞機理，為我國在此類工程安全建造方面提供理論依據(jù)和技術(shù)參考[3]。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

本試驗?zāi)Ｐ桶凑?∶3 縮尺設(shè)計制作，混凝土柱截面尺寸為200mm×200mm，柱高為300mm，兩端通過梁延伸固定，以便開展節(jié)點變化情況的探究，內(nèi)部植入4根半徑為5mm 的錨栓，通過植筋膠與兩端固定。上部焊接H 型鋼柱，高度為700mm，截面尺寸為100mm×80mm×12mm×14mm，混凝土強度等級采用C30，H 型鋼柱采用Q235B鋼，梁的縱向鋼筋均采用直徑為12mm的HRB400 型，柱的豎向鋼筋均采用直徑為14mm 的HRB400型，梁柱箍筋均采用HPB300，具體模型設(shè)計及尺寸見圖1。

圖1 試件配筋圖

1.2 試件制作

通過閱讀相關(guān)的文獻參考[4]，學(xué)習(xí)植筋技術(shù)的關(guān)鍵所在，采用圓管包裹鋼筋后進行整體澆筑，待養(yǎng)護完畢后去除圓管，清理內(nèi)壁打磨光滑后進行植筋，待植筋部分穩(wěn)定后，利用C50 無收縮混凝土進行找平將植筋錨桿開絲與上部H 型鋼底座相連，擰緊螺栓使連接處無空隙，保證試驗準(zhǔn)確性。

1.3 加載方案

試件的制作與養(yǎng)護均在北方民族大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗室進行，加載裝置采用MTS液壓作動器，分別對豎向加載軸壓比為0.3的柱端荷載，水平方向通過MTS液壓作動器在柱端通過夾具連接，通過施加水平往復(fù)位移的方式模擬地震作用，位移加載方式見圖2 所示。試驗整個過程均在作動器正常工作范圍內(nèi)，加載位移以作動器壓力為正，拉力為負，每次增長位移為5mm，待達到鋼筋屈服或混凝土結(jié)構(gòu)明顯破壞時，停止加載。

圖2 試驗加載制度

1.4 試驗內(nèi)容

主要測試對象為梁柱節(jié)點，包括混凝土的柱頂位移（通過位移計測量）、植筋部分的鋼筋應(yīng)變，以及核心區(qū)域鋼筋與箍筋部分的應(yīng)變。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象

在往復(fù)荷載作用下，試件上裂縫的變化情況見表1，裂縫開展變化情況見圖3。在整個加載過程中，上部H 型鋼變形較小，連接部位的螺栓未出現(xiàn)分離現(xiàn)象，H型鋼焊接部位未出現(xiàn)開焊現(xiàn)象，夾具及固定端約束狀態(tài)良好。

表1 試件裂縫變化情況

圖3 不同加載步驟裂縫開展變化圖

2.2 柱端位移分析

通過圖4 分析可知，隨著水平往復(fù)位移的加載，柱兩端的位移變化情況開始時幾乎成對稱變化，受力狀態(tài)良好；隨著水平往復(fù)位移的加大，柱端位移向柱右端開始傾斜，其傾斜變化情況較為明顯，傾斜階段恰好為柱右端混凝土產(chǎn)生破壞階段，此時可判定為結(jié)構(gòu)遭受破壞，結(jié)構(gòu)不宜再繼續(xù)承受荷載，停止加載。

圖4 柱端位移變化圖

2.3 植筋部分的鋼筋應(yīng)變

對于加層改造結(jié)構(gòu)而言，植筋部分的鋼筋受力情況尤為重要，植筋部分的施工工藝、錨固程度均會影響上部加層結(jié)構(gòu)。由圖5分析可知，隨著水平往復(fù)位移的加載，植筋鋼筋受力變化情況較為敏感，加載至25～30mm時，植筋鋼筋的應(yīng)變產(chǎn)生突變，與出現(xiàn)混凝土局部破壞退出工作相吻合。植筋技術(shù)作為最為傳統(tǒng)的加層節(jié)點處理方法，其可靠程度可通過植筋應(yīng)變圖得以驗證，植筋鋼筋是節(jié)點上部抵抗結(jié)構(gòu)水平荷載的主要構(gòu)件，是連接上下部分的關(guān)鍵部位，植筋鋼筋在往復(fù)荷載作用下，正向移動應(yīng)變均大于逆向移動應(yīng)變，水平往復(fù)位移加載越大，相差效果越明顯，從植筋受力情況分析，這種現(xiàn)象符合“包辛格效應(yīng)”的特點。

圖5 植筋應(yīng)變圖

2.4 柱端箍筋應(yīng)變

箍筋起到抵抗截面剪應(yīng)力并固定主筋，聯(lián)合混凝土和主筋共同工作的作用。同時，箍筋起著提高連接強度，限制構(gòu)件表面裂縫開展，能較為有效地改善鋼筋延性的作用。加層結(jié)構(gòu)中，加層節(jié)點部分箍筋的作用更為重要。為探究箍筋的重要地位，本試件在加層節(jié)點部分加密箍筋，按二層進行劃分，分別繪制頂層箍筋、底層箍筋的應(yīng)變圖，如圖6所示。

圖6 箍筋應(yīng)變圖

由圖6 分析可知，隨水平加載往復(fù)位移變化的箍筋應(yīng)變圖可知，頂層、底層箍筋與同側(cè)植筋應(yīng)變變化同步，說明箍筋對于抵抗偶然荷載起著關(guān)鍵作用，頂層箍筋應(yīng)變明顯大于底層箍筋，說明在水平往復(fù)荷載作用下，頂層混凝土破壞趨勢明顯，有成為薄弱部位破壞的可能，適當(dāng)加密加層部分頂層箍筋數(shù)量是必要的[5]。

3 結(jié)束語

本文對加層改造結(jié)構(gòu)的節(jié)點部位在往復(fù)荷載作用下的受力性能進行綜合研究，通過對試驗結(jié)果進行分析得出以下結(jié)論：

（1）對于加層改造結(jié)構(gòu)，在加層節(jié)點部位處理上，采用植筋技術(shù)能較為有效的連接上下結(jié)構(gòu)，力的傳遞途徑較為簡單，但在水平往復(fù)荷載作用下，柱端混凝土部分最先破壞，節(jié)點連接部位仍為結(jié)構(gòu)的薄弱部位，連接點應(yīng)變較大，不符合“強柱若梁”設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)點核心部位仍需加固。

（2）從加層部位箍筋應(yīng)變情況進行分析，上部箍筋變形明顯大于底部箍筋，證明在往復(fù)荷載作用下柱頂混凝土受壓力和拉力較大，頂部混凝土部分相對薄弱，在加層結(jié)構(gòu)中應(yīng)采取相應(yīng)的措施加強頂部混凝土的保護。

（3）對本試驗進行綜合分析可知，節(jié)點核心區(qū)域和上部外包柱腳混凝土部分為結(jié)構(gòu)薄弱部位，在高烈度地區(qū)進行加層改造工程時，在充分考慮結(jié)構(gòu)使用功能和施工難度后，建議采用外包纖維混凝土、粘貼鋼板、粘貼碳纖維板、布等加固措施對節(jié)點核心區(qū)域進行加固。