擬靜力試驗后受損裝配式框架節點的加固與性能分析

【摘" " 要】：通過加固擬靜力試驗后受損的裝配式框架節點，評估了新型預應力鋼絲繩加固法在裝配式框架抗震加固中的應用效果。試驗結果表明：預應力鋼絲繩加固法的施工工藝簡單，關鍵部件可在工廠預制批量生產，加固效率顯著提高。預應力鋼絲繩加固后的受損裝配式框架在滯回曲線、骨架曲線、剛度退化、耗能能力、殘余變形等關鍵指標上均展現出良好的性能，特別是在增強結構的剛度和承載力方面表現突出。

【關鍵詞】：裝配式框架結構；預應力鋼絲繩；抗震性能

【中圖分類號】：TU375.4 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）01-48-05

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.01.012

Experimental Study on Reinforcing Damaged Prefabricated Frame Joints After Pseudo-static Test by New Prestressed Wire Rope

TIAN Anguo1，YAO Haoran1，JIANG Dewen1*，LIU Rui1，ZHOU Renwei1，HU Wenshuo2

（1. School of Civil and Ocean Engineering， Jiangsu Ocean University， Lianyungang 222000，China；2. NO.2 Construction Co. Ltd. of China Construction Fifth Engineeering Bureau， Hefei 230000， China）

【Abstract】： In this paper， the application effect of the new prestressed wire rope reinforcement method in the seismic reinforcement of the prefabricated frame is evaluated by strengthening the joints damaged after the pseudo-static test. The test results show that the construction process of the prestressed steel wire rope reinforcement method is simple， and the key components can be mass-produced in the factory， and the reinforcement efficiency is significantly improved. The prestressed steel wire rope reinforced damaged prefabricated frame shows good performance in hysteretic curve， skeleton curve， stiffness degradation， energy dissipation capacity， residual deformation and other key indexes， especially in strengthening the stiffness and bearing capacity of the structure.

【Key words】：prefabricated frame structure; prestressed wire rope; seismic performance

裝配式混凝土結構雖然在施工技術上與現澆混凝土結構不同，但其結構分析可以采用相同的基本原理和方法[1]。因此，裝配式結構節點加固工程主要沿用現澆混凝土結構加固方法，如增大截面加固法、外包型鋼加固法、粘貼纖維復合材料加固法等[2～9]。傳統加固方法使用的材料普遍存在的應力滯后現象，使得補充材料與原結構無法有效協同工作，極大地削弱了加固效果；同時，傳統加固方法往往存在施工復雜低效、影響美觀、成本較高的問題。

預應力加固法通過施加預應力，可以提前將部分荷載引入結構中，改善應力分布，提高結構剛度和承載能力的同時，精確控制預應力度施加，節省材料，有效降低整體加固成本[10～16]。預應力鋼絲繩憑借輕量化、高抗拉強度及優異的抗疲勞和抗沖擊韌性等優點，成為預應力加固方法中的優選方案。

本文通過合理設計和應用，采用預應力鋼絲繩加固法加固受損裝配式框架節點，并對其進行擬靜力試驗研究。

1 試驗概況

1.1 試件

試驗構件為擬靜力試驗后受損的一榀裝配整體式框架，其梁柱節點、梁下端標高以上部分柱為現澆，其余部分均為預制構件。框架柱與基礎通過灌漿套筒連接以保證構件之間的剛性連接和荷載傳遞。混凝土強度等級為C40。見圖1和圖2。

1.2 評估受損狀況

擬靜力試驗后受損的裝配整體式框架縱向鋼筋已屈服并達到極限強度，損傷主要集中在結構連接和傳力的關鍵部位，包括梁的兩端、施工縫以及節點核心區。見圖3。

1.3 加固材料選擇

用于加固的鋼絲繩規格參數見表1。

試驗中選用12.9級高強帶孔螺栓，節點保護鋼板及錨固鋼板選用Q235鋼材。在梁柱節點及下部柱底位置，設計選用2根螺桿和4股鋼絲繩進行加固，旨在均勻分布預應力并通過多點錨固均勻地分散荷載，減少結構由于局部應力集中引起的潛在破壞。對預應力度、應力水平進行驗算，選用的鋼絲繩、螺栓和鋼板的規格及配置符合加固設計要求。

2 加固設計

2.1 加固裝置

試驗加固裝置由特制錨固鋼板、螺栓、鋼絲繩組成。見圖4。

2.2 加固施工工藝

該技術加固施工工藝流程及加固完成效果見圖5和圖6。

3 試驗加載方案

3.1 加載裝置

使用電液伺服作動器進行精確加載。軸壓力通過位于兩柱頂部的鋼梁均勻分配，鋼梁與豎向作動器之間通過高強螺栓連接。鋼梁與柱頂接觸部位等距設置3個滾軸，以確保在豎向軸壓施加過程中，框架在水平荷載作用下能夠自由移動。試驗時，先通過2臺豎向作動器逐步施加軸力至設計值（軸向荷載為柱頂所能承受最大荷載的20%），然后通過水平作動器逐步施加水平荷載。

3.2 加載制度

試驗嚴格遵循與原試件一致的水平加載制度。在豎向荷載達到設計值并穩定后，通過水平作動器按照水平加載制度施加水平位移，以梁端的水平位移為控制指標，分為推（正向）和壓（負向）2個方向，每級加載循環2次。見圖7。

3.3 測量方案

通過電腦軟件與東華靜態數據采集儀相結合的方式檢測結構的力學響應。帶孔螺栓上裝有應變片以檢測其在試驗過程中的應變情況；在結構關鍵受力部位（如水平作動器處、框架柱底、梁上）布置有位移傳感器。

4 試驗結果

4.1 試驗現象

擬靜力試驗中，裝配式框架東西布置，東邊的梁、柱記為A端梁、A柱，西邊梁、柱記為B端梁、B柱。未受損裝配整體式框架記為PC1，使用預應力鋼絲繩加固后的受損裝配整體式框架記為PC2。見圖8和圖9。

裂縫發展過程在兩試件中表現出相似的趨勢，主要沿原有裂縫擴展。盡管在PC2中裂縫數量有所增多，但增加數量相對有限。

加載初期，雖然鋼絲繩仍處于彈性范圍內，預應力損失較小，PC2中的裂縫仍發展較快，表明預應力鋼絲繩加固未能完全抑制裂縫的早期形成，可能是由于原有裂縫未得到及時處理，在新的荷載作用下迅速擴展。加載中后期，非節點核心區域裂縫數量逐漸增多，裂縫逐漸朝豎向甚至斜向發展；而在節點核心區，裂縫數量較少，表明加固措施有效地提高了節點核心區的承載力和抗裂性能。柱底正面裂縫以交叉剪切斜裂縫為主，柱底側面以水平裂縫為主。柱底灌漿套筒處上部出現較寬裂縫，推測此處在施工過程中未能達到預期的強度和粘結性能，或存在應力集中現象。

4.2 試驗結果對比分析

4.2.1 滯回曲線

由試驗數據繪出PC1、PC2的滯回曲線，通過滯回環的面積可以直觀看出結構在每次加載和卸載周期中耗散的能量。見圖10和圖11。

本次試驗中，PC2的水平位移加載至36.25 mm，對應層間位移角2.5%，而未受損的原構件PC1水平位移加載至43.5 mm，對應層間位移角3%。盡管PC2滯回曲線不如未受損的同類框架飽滿，但兩者飽滿度差異并不顯著，表明在水平荷載作用下，加固后的結構具有較好的耗能能力和抗震性能。

基于當前的試驗結果，PC2在較小層間位移下已經展示了良好的滯回曲線和耗能能力，若能進一步加載至層間位移角3%，預期其滯回曲線會更加飽滿，耗能能力將進一步增強。

4.2.2 骨架曲線

骨架曲線通常被用來表征結構在單次加載至破壞過程中的最大承載力和相應的位移能力，有助于對結構抗震性能進行分析和評估。見圖12。

相同位移下，PC2在初始階段的荷載水平高于PC1；加載中期，PC2的荷載水平低于PC1；加載后期，PC2的荷載水平又高于PC1。兩段曲線均經歷了彈性、屈服階段，PC2未進入強化階段。

4.2.3 剛度退化

本文采用JGJ/T 101—2015《建筑抗震試驗方法規程》中的割線剛度公式計算低周往復荷載試驗中的構件剛度。見圖13。

剛度退化曲線與骨架曲線規律相似。PC2在初始階段表現出更高的剛度，說明預應力的引入改善了整體結構的承載行為，增強了框架的初始剛度。隨著荷載持續增加，PC2中裂縫快速擴展、變寬，導致其剛度下降速度快于PC1，這是由于鋼絲繩在荷載作用下的收縮未能回彈至原始狀態及搭接位置發生相對滑移導致預應力損失增大，從而加速了節點剛度的下降；試驗后期，隨著鋼絲繩自身收縮的減緩及鋼絲繩滑移量的穩定，節點剛度下降趨勢逐漸得到遏制，相同加載位移條件下，PC2節點剛度大于PC1，表明盡管在加載過程中出現了剛度下降的問題，但加固措施總體上仍然有效，能夠在一定程度上維持較高的剛度水平。

4.2.4 耗能能力

通過測量每個加載周期中滯回環所圍成的面積，可以直接量化結構在單次荷載循環中的能量耗散能力。見圖14。

PC2在單個加載循環中的耗能能力較弱，這表明加固措施雖然增加了部分剛度，但在能量耗散方面未能完全達到未受損框架的效果。能量的耗散在PC2中主要通過鋼絲繩的變形來實現，而鋼絲繩的回彈作用減少了總的能量耗散效率。PC2的耗能能力恢復到PC1的70%左右，雖然沒有完全達到原始結構的性能，但對于增強結構的抗震性能已有明顯效果，進一步優化鋼絲繩配置、預應力度有助于提升其耗能能力。

4.2.5 殘余變形

殘余變形是指結構或構件在移除荷載后保持的非原始形狀的永久性變形，其大小是評估結構在循環荷載后整體抗震性能的一個重要指標。見圖15。

PC1、PC2的殘余變形差異不大，表明預應力鋼絲繩加固法成功抵消了部分由荷載引起的塑性變形，使PC2的殘余變形接近于原始未受損構件的狀態。盡管當前的搭接方式已經取得了較好的效果，但進一步優化搭接方式可能會降低搭接處的應力集中，減少由于搭接不當引起的局部損傷或變形。

5 結論

1）加固后裝配整體式框架的滯回曲線雖然不如未受損的同類框架飽滿，但其耗能能力滿足基本抗震要求，預應力鋼絲繩加固法對于恢復受損裝配式框架結構的耗能能力有明顯效果。

2）在加載過程中，雖然加固后的裝配整體式框架出現了剛度下降的問題，但最終表現出比未受損框架更高的剛度，表明預應力鋼絲繩加固法在增強結構抗變形能力方面是有效的，能夠在一定程度上維持較高的剛度水平。

3）預應力鋼絲繩加固法施工工藝簡便，關鍵部件可預制，對設備和操作的要求較低，極大地提升了現場施工的速度和質量，使得該技術在實際工程中具有廣泛的應用前景。

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收稿日期：2024-09-07

作者簡介：田安國（1966 - ）， 男， 博士， 教授， 從事工程結構新技術、新材料創新研究工作。

通信作者：蔣德穩（1972 - ）， 男， 博士， 教授， 從事混凝土結構耐久性和疲勞性能方面研究工作， E-mail：jiangdw@jou.edu.cn。