FRP加固混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究

季長(zhǎng)征，韓立順，李樹瞻，田 森，韓 鵬，范秀岳

(1.山東省建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.山東科力工程檢測(cè)鑒定有限公司，山東 濟(jì)南 250000；3.煙臺(tái)正海物業(yè)管理有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；4.山東貝特建筑項(xiàng)目管理咨詢有限公司，山東 濟(jì)南 250102)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震中破壞的主要原因是結(jié)構(gòu)整體的水平抗剪能力不足和延性有限。近年來(lái)的許多研究證明了表面粘貼FRP 片材加固混凝土結(jié)構(gòu)的有效性，該加固方法被大量應(yīng)用在工程實(shí)踐中[1]。目前的大多數(shù)研究是針對(duì)單個(gè)構(gòu)件進(jìn)行FRP 加固效果的評(píng)價(jià)和分析[2-3]。而一個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體的良好抗震加固效果需要通過(guò)構(gòu)件的組合以及所有構(gòu)件之間承載力、剛度和延性的合理匹配，形成合理的破壞形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就要求對(duì)加固后混凝土結(jié)構(gòu)整體的工作性能進(jìn)行深入研究。

本文主要針對(duì)采用不同加固方式的FRP 加固梁柱端部及節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行靜力彈塑性分析（簡(jiǎn)稱POA），基于能力譜法進(jìn)行數(shù)值模擬，研究分析了FRP 加固混凝土框架結(jié)構(gòu)在給定設(shè)防要求的罕遇地震作用下的抗震性能。

1 能力譜方法

能力譜方法是一種基于位移性能的分析方法?；驹硎遣捎醚亟Y(jié)構(gòu)高度呈一定分布模式的單調(diào)增加的水平荷載，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的基底剪力與頂點(diǎn)位移的推覆關(guān)系的曲線，并由等效單自由度體系確定地震作用下的目標(biāo)位移，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性變形需求。其基本思想是建立2 條相同基準(zhǔn)的譜線：一條由荷載-位移曲線轉(zhuǎn)化的能力譜線，另一條是由加速度反應(yīng)譜轉(zhuǎn)化的需求譜線，將兩條譜線放在一起，其交點(diǎn)定為結(jié)構(gòu)抗震性能點(diǎn)，將性能點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移和位移容許值進(jìn)行比較，判斷其是否滿足抗震要求。

2 抗震性能試驗(yàn)

2.1 節(jié)點(diǎn)加固方式

試驗(yàn)制作了4 個(gè)T 形邊節(jié)點(diǎn)試件，一個(gè)做對(duì)比，其余3 個(gè)進(jìn)行FRP 加固。對(duì)比構(gòu)件的編號(hào)為J-1，采用玻璃纖維加固的構(gòu)件編號(hào)為GRJ-1，采用0°的碳纖維與玻璃纖維混雜加固的構(gòu)件編號(hào)為HRJ-1，采用±45°的混雜纖維加固的構(gòu)件編號(hào)為HRJ-2（節(jié)點(diǎn)區(qū)域包裹纖維1 的纖維絲方向與梁水平軸線的夾角為45°）。加固纖維纏繞方式見圖1。

圖1 T形節(jié)點(diǎn)加固示意圖

2.2 滯回曲線

試驗(yàn)時(shí)柱上施加固定軸力，梁端施加拉壓反復(fù)荷載，采用力-位移混合控制加載模式。梁端荷載位移滯回環(huán)的骨架曲線如圖2 所示。加固構(gòu)件的承載力、延性、耗能能力均有明顯的提高和改善[4]。

圖2 滯回曲線

3 數(shù)值模擬

3.1 框架結(jié)構(gòu)模型

采用圖3 所示的兩層兩跨框架試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榉治鰧?duì)象，框架中梁截面為150mm×250mm，上下部各配2 根12mm 的縱筋（HRB335），柱截面為150mm×180mm，沿框架方向柱兩側(cè)各配3 根12mm的縱筋（HRB335），采用C20 混凝土澆注。對(duì)框架的每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行FRP 加固，加固纖維的粘貼方法同上述圖1 所示的方式，對(duì)于中間節(jié)點(diǎn)纖維條1 在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)水平粘貼。未加固框架編號(hào)為KJ-1，其余3 個(gè)FRP 加固框架依次為GRKJ-1、HRKJ-1、HRKJ-2。

圖3 框架簡(jiǎn)圖

3.2 參數(shù)設(shè)定

采用SAP2000 軟件進(jìn)行POA 分析。采用框架桿單元建模，混凝土及鋼筋的本構(gòu)關(guān)系按照規(guī)范GB50010-2010（2015 年版）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采用[5]，根據(jù)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果定義梁柱端的彎矩-曲率關(guān)系。梁端設(shè)置M3 型塑性鉸，即不考慮軸向力對(duì)截面抗彎承載力的影響；柱端設(shè)置PMM 型塑性鉸。采用框架頂點(diǎn)逐級(jí)加載模式，分析中所用的設(shè)計(jì)基本加速度值為0.15g。

4 能力譜分析與抗震性能評(píng)估

4.1 塑性鉸的發(fā)展

3 個(gè)FRP 加固框架的塑性鉸發(fā)展過(guò)程基本相似，KJ-1 與GRKJ-1 的塑性鉸的發(fā)展與分布如圖4 所示。ATC-40 將結(jié)構(gòu)遭遇地震后可能出現(xiàn)的狀態(tài)分為IO（Immediate Occupancy)，LS（Life Safety)，SS（CP)（Structure Stability)等狀態(tài)，分別表示“可盡快修復(fù)”，“危害人生命”及“結(jié)構(gòu)穩(wěn)定”，B 表示出現(xiàn)塑性鉸，C 為倒塌點(diǎn)。

圖4 框架塑性鉸的發(fā)展與分布

從圖4 中可看出塑性鉸的發(fā)展順序?yàn)橛闪旱街?，由底層至頂層，由中?jié)點(diǎn)到邊節(jié)點(diǎn)，框架結(jié)構(gòu)均能按照耗能較好的強(qiáng)柱弱梁型的梁鉸屈服機(jī)制破壞。KJ-1 底層中節(jié)點(diǎn)塑性鉸已達(dá)倒塌點(diǎn)C，中柱柱腳塑性鉸也已發(fā)展到LS 危害生命安全狀態(tài)，已不能滿足抗震要求，必須對(duì)塑性鉸區(qū)采取加固措施。而GRKJ-1 塑性鉸的發(fā)展均在IO 可盡快修復(fù)范圍以內(nèi)，不影響結(jié)構(gòu)的整體性能，抗震加固效果良好。

4.2 Push-over曲線

計(jì)算所得各榀框架Push-over 曲線如圖5 所示，計(jì)算中以框架頂層為加載控制點(diǎn)，極限位移取在Push-over 曲線有明顯下降段處。對(duì)比分析可得，F(xiàn)RP 加固框架控制點(diǎn)的極限位移有較大提高，框架的延性得到較好改善，極限承載力也得到了不同程度的提高。

圖5 框架的Push-over曲線對(duì)比

GRKJ-1 極限變形能力較未加固框架KJ-1提高約45%，HRKJ-1，HRKJ-2 極限變形能力分別提高40%和32%。根據(jù)FRP加固方式的不同，加固框架極限承載力有不同幅度的提高。并且各榀加固框架在延性和承載力提高方面的關(guān)系基本與節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果一致。

4.3 性能點(diǎn)與目標(biāo)位移

將能力譜分析所得的目標(biāo)位移值與框架結(jié)構(gòu)在彈塑性變形下的容許值進(jìn)行比較，可以判斷各類框架是否符合相應(yīng)設(shè)防烈度地震的最大變形要求。模擬框架的目標(biāo)位移及其對(duì)比分析見表1。

表1 分析框架的目標(biāo)位移

經(jīng)過(guò)FRP 加固框架的層間位移角均遠(yuǎn)小于允許值1/50，均滿足規(guī)范GB50011-2010（2016 年版）《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求[6]，滿足罕遇地震下的最大變形要求，且目標(biāo)位移值均小于其極限位移，其能力需求比參數(shù)d/D的值均遠(yuǎn)小于1，GRKJ-1 最小僅為45.8%，說(shuō)明加固框架在此地震設(shè)防烈度下仍具有較大的延性儲(chǔ)備，抗震性能良好。

5 結(jié)論

1）基于梁柱節(jié)點(diǎn)的FRP 加固方式應(yīng)用在平面混凝土框架結(jié)構(gòu)中取得了良好的抗震加固效果。

2）相對(duì)于未加固框架，3 種不同形式的FRP加固框架的抗震性能有了明顯的改善與提高。

3）綜合分析Push-over 曲線與能力譜法所得目標(biāo)位移，F(xiàn)RP 加固框架結(jié)構(gòu)的延性提高幅度遠(yuǎn)大于極限承載力的提高，更適合用于抗震加固，特別是GFRP 的加固效果突出。