淺析防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的局部受力和損傷特性
防屈曲支撐正在被越來越廣泛地應(yīng)用于我國既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固和新建建筑的地震防御。與日本、美國等抗震先進國家相比，我國在將防屈曲支撐應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面進行了更多的工程嘗試。
然而，由于混凝土構(gòu)件具有局部抗拉性能差的特點，在將鋼制防屈曲支撐在混凝土構(gòu)件相連時，其連接節(jié)點的受力狀態(tài)較為復(fù)雜。國內(nèi)近年來對此開展了一些有針對性的研究，提出并通過試驗檢驗了在鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)埋置節(jié)點板的連接方式。另一方面，當(dāng)將防屈曲支撐的節(jié)點板設(shè)置于梁、柱節(jié)點的一隅而同時與梁端和柱腳相連接時，框架梁、柱的變形將使節(jié)點板處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中；節(jié)點板也會對框架梁、柱的變形性能產(chǎn)生影響。為避免這兩方面的不利影響，有學(xué)者提出將防屈曲支撐只與梁端相連，而不與框架柱發(fā)生任何接觸，如日本學(xué)者提出的采用高強預(yù)應(yīng)力鋼棒將防屈曲支撐節(jié)點板緊固在梁端側(cè)壁的做法如；美國學(xué)者針對鋼結(jié)構(gòu)提出的“非約束節(jié)點板”的做法。我國《建筑結(jié)構(gòu)消能減震(振)設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)圖集(09SG610-2)中也包含僅在梁端連接消能器的做法，但僅針對噸位相對較小的黏彈性消能器。在文獻介紹的工程實例中，則將該方法用于采用防屈曲支撐對既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行的抗震加固。本文針對僅在梁端連接防屈曲支撐的做法，提出兩種不同的連接構(gòu)造形式，并采用梁端局部損傷控制措施，保證連接部位的性能。
1 連接節(jié)點損傷控制方案
本文研究的兩種梁端防屈曲支撐連接節(jié)點方案如圖 1 所示。二者的共同點在于采用類似于文獻[6]提出的“非約束節(jié)點板”的做法，防屈曲支撐節(jié)點板與混凝土柱之間人為的設(shè)置一定的間隙，以保證即使當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的側(cè)向變形時，節(jié)點板也不會與柱發(fā)生接觸。二者的區(qū)別在于節(jié)點板與梁端的連接形式。其一采用貫穿梁高的高強預(yù)應(yīng)力鋼棒將節(jié)點板底板緊固于混凝土梁表面(圖 1a)；其二則將節(jié)點板延伸預(yù)理在混凝土梁端內(nèi)部，并預(yù)埋段設(shè)置栓釘以傳遞力(圖 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
對于這種僅將防屈曲支撐與梁端相連的情況，節(jié)點板與柱之間的間隙處的梁段處于非常不利的受力狀態(tài)。當(dāng)防屈曲支撐受拉時，這一段的梁截面可能同時受到較大的拉力、剪力和彎矩作用，從而使這一部位容易發(fā)生不利的脆性破壞。即使不發(fā)生破壞，如果梁端損傷集中在這一部位(即在此處出現(xiàn)塑性鉸)，會不可避免地對防屈曲支撐連接節(jié)點的受力性能產(chǎn)生不利的影響。為此，有必要通過合理的損傷控制手段，消除隱患，減輕不利影響，以提出連接節(jié)點的的受力性能�！緢D1】
本文采用最為簡單直接的調(diào)整梁內(nèi)配筋的方式進行局部損傷控制，即在混凝土鋼原有配筋的基礎(chǔ)上，一方面增加連接節(jié)點部位對應(yīng)的梁端的縱筋，與此同時適當(dāng)減少連接節(jié)點以外部分的梁縱筋，使帶有防屈曲支撐的混凝土梁的受力承載力與純框架梁相當(dāng)，同時將梁端預(yù)期塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點以外區(qū)域，具體如圖 2 所示�！緢D2】
2 試驗設(shè)計
為檢驗上述連接節(jié)點形式與損傷控制方案的有效性，設(shè)計如圖 3 所示的包含半跨懸臂梁段和防屈曲支撐節(jié)點板的子結(jié)構(gòu)試驗。由于采用非約束節(jié)點板，混凝土柱對連接節(jié)點的受力性能影響可忽略不計，在試驗中以剛度更大的地梁代替。此外，為簡化試驗加載裝置，不采用實際的防屈曲支撐，而是采用一臺傾斜安裝的力控的作動器模擬防屈曲支撐傳遞給連接節(jié)點的集中軸力。同時采用兩臺并聯(lián)的位移控制的作動器在梁跨中反彎點位置(在試驗中即為懸臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁產(chǎn)生變形。
共設(shè)計 5 個試驗體。其中 1 個為不含防曲支撐的純框架對比試件。另外 4 個分別采用圖 1 所示的兩種不同的連接節(jié)點形式，對每種連接形式又有調(diào)整和不調(diào)整梁端配筋兩種情況。梁凈高 1800mm，截面為450x275mm，配筋如圖 2 所示。防屈曲支撐傾角為 40 度，節(jié)點板與混凝土柱(在試驗中即為地梁)表面的間隙為 10mm。假想的防屈曲支撐極限承載力為 500kN。對于采用如圖 1(a)所示的預(yù)應(yīng)力鋼棒連接的試件，采用 6 根直徑 21mm 的高強鋼棒施加合計 1500kN 的預(yù)緊力。對于采用如圖 1(b)所示的預(yù)埋板連接的試件，預(yù)埋板上均勻設(shè)置兩面共 24 根直徑 16mm 名義屈服強度 235MPa 的栓釘。各個試件的混凝土圓柱體強度平均值約為 70MPa。
試驗采用擬靜力循環(huán)加載。層間位移角幅值從 1/400 逐漸增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加載兩圈，而在 1/100 和 1/50 下僅各加載 1 圈。在完成 1/50 的加載循環(huán)后，將試驗體沿正方向單調(diào)推覆，直到作動器行程用盡。最終各個試驗體對應(yīng)的最大層間位移角均超過 1/20。【圖3】
3 試驗現(xiàn)象
限于篇幅，本文僅給出含有防屈曲支撐的試驗體在加載至 1/20 層間位移角時的破損情況，如圖 4 所示。
對于未調(diào)整梁端配筋(即未做損傷控制)的 2 號和 3 號試驗體，在正向加載下均在梁根部，即梁與柱相接處發(fā)生集中損傷，形成塑性鉸區(qū)。由于同時受到節(jié)點板傳遞的集中拉力和剪力的作用，這一區(qū)域損傷集中。
對于采用預(yù)應(yīng)力鋼棒連接的 2 號試驗體，節(jié)點板下方區(qū)域由于受到較大的預(yù)壓力，裂縫擴展受到抑制，損傷主要集中在預(yù)留縫隙對應(yīng)的狹窄的梁端內(nèi)。對于采用預(yù)埋板連接形式的 3 號試驗體，這一區(qū)域發(fā)生了非常嚴(yán)重的混凝土壓潰現(xiàn)象，并導(dǎo)致預(yù)埋節(jié)點板向柱側(cè)靠近并在較大的層間位移角下與柱表現(xiàn)發(fā)生擠壓。
相比之下，本文采用的調(diào)整配筋的損傷控制方式成功地將梁端塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點外側(cè)，即遠離梁柱節(jié)點處，如圖 4(c)(d)所示，而防屈曲支撐連接節(jié)點對應(yīng)的梁端的損傷則相對而言非常輕微，基本保持彈性。這有利于最大限度地保證連接節(jié)點的剛度和連接性能，減小因連接節(jié)點發(fā)生變形而減小防屈曲支撐的有效變形�！緢D4】
4 結(jié)論
本文通過含有防屈曲支撐節(jié)點板的半跨懸臂鋼筋混凝土梁的擬靜力試驗，檢驗了采用非約束節(jié)點板進行連接的防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的局部受力和損傷特性，同時檢驗了通過調(diào)整配筋以轉(zhuǎn)移梁端損傷部位的局部損傷控制效果。試驗結(jié)果表明，采用局部損傷控制的非約束節(jié)點連接形式能夠達到預(yù)期的效果。
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鋼筋混凝土裂縫的成因機理及控制策略
混凝土裂縫是鋼筋混凝土施工中常見的問題，沒有規(guī)律，縱橫交錯，分布不均。按裂縫深度的不同，主要有表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫三種。鋼筋混凝土裂縫產(chǎn)生的原因很復(fù)雜，采取應(yīng)對的預(yù)防及處置措施也是不同的。在實際施工過程中，需要按照規(guī)定的步驟操作，控制好設(shè)計、施工工藝、養(yǎng)護等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，合理地選擇原材料，采取預(yù)防和正確的控制措施，才能更好地控制鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生，從而保證工程質(zhì)量的提高�，F(xiàn)根據(jù)多年來現(xiàn)場施工的實踐經(jīng)驗和教訓(xùn)，本文對鋼筋混凝土施工中裂縫的成因和處理措施做一下探討。
1 鋼筋混凝土裂縫的類型
各種鋼筋混凝土的裂縫類型中，最常見的主要有以下 2 種情形：（1）塑性收縮裂縫：日凝結(jié)硬化前的混凝土依然在塑性狀態(tài)時，水分從混凝土表面易蒸發(fā)，因失水較快使表面發(fā)生收縮，而內(nèi)部水化熱過高，澆筑數(shù)小時仍處于塑性狀態(tài)，混凝土暴露的表面收縮形成裂縫。裂縫深度一般不大，大多為不規(guī)則短裂縫、網(wǎng)狀或爆裂狀裂縫，呈互不連貫狀態(tài)。這種裂縫大多出現(xiàn)在混凝土澆筑初期。（2）干燥收縮：通常在混凝土養(yǎng)護完以后出現(xiàn)。混凝土硬化后，混凝土表面缺乏水分，由于氣候影響蒸發(fā)引起干縮，混凝土內(nèi)部硬化程度不夠，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，干縮變形因受到內(nèi)部約束，就會使得混凝土表面被拉裂。一般產(chǎn)生在硁表面很淺的位置，裂縫呈平行線狀或網(wǎng)狀，分布多沿構(gòu)件的方向，嚴(yán)重時可貫穿整個構(gòu)件截面。
2 裂縫的成因及機理
正確認識和積極的探討鋼筋混凝土裂縫的成因，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施，是控制和減少鋼筋混凝土裂縫產(chǎn)生最有效的途徑之一。
2. 1 水泥溫度變化的影響
鋼筋混凝土施工過程中，水泥水化過程要釋放出一定的熱量，如混凝土結(jié)構(gòu)較厚，因其自身又具有一定的保溫性能，使得水化過程中產(chǎn)生的大量熱量得不到及時散發(fā)，在混凝土內(nèi)部熱量不斷累積。而混凝土表面水分易蒸發(fā)，溫度冷卻快，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面的溫度差增大。內(nèi)熱外冷導(dǎo)致混凝土表面冷縮，內(nèi)部熱脹產(chǎn)生的應(yīng)力，相互約束。
受到外界約束的作用，根據(jù)混凝土自身的特性，高溫時彈性變量小，產(chǎn)生的變形較小，混凝土內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力也較小。當(dāng)混凝土內(nèi)由于水化熱得不到散發(fā)而膨脹使表面變形，變形會遭到內(nèi)部應(yīng)力的約束，但內(nèi)部應(yīng)力超出極限值時，變形較大，結(jié)構(gòu)內(nèi)隨之產(chǎn)生較大應(yīng)力，應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，產(chǎn)生溫度裂縫。在后期的降溫過程中，因受到基礎(chǔ)混凝土或老混凝土的約束，也會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。外部氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗拉能力時，就會出現(xiàn)裂縫。
2. 2 鋼筋混凝土材料及配合比的影響
混凝土材料配合比若設(shè)計不當(dāng)將直接影響砼的抗拉強度，造成混凝土開裂。粗細骨料的粒徑越細小、針片含量越多，混凝土的用灰量、用水量越多，收縮量就會越大；混凝土外加劑、礦物摻合料的選擇或者摻加量不當(dāng)，也會增加混凝土的收縮；水泥品種的原因，礦渣水泥、火山灰水泥干縮性較大，普通水泥、硅酸鹽水泥、粉煤灰干縮性較��；水泥等級及混凝土強度等級的原因，水泥等級越高、細度越小、早期強度越高對混凝土開裂的影響越大；混凝土的設(shè)計強度等級越高，混凝土脆性越大、越易開裂。
2. 3 外部氣溫的影響
鋼筋混凝土施工時外部氣溫的影響很大，外部氣溫出現(xiàn)乍冷乍熱，內(nèi)外層混凝土溫差會急劇增大，溫差大對鋼筋混凝土施工是極為不利的，將直接影響混凝土的質(zhì)量。因為溫差引起溫度應(yīng)力的變化，溫差大，隨之溫度應(yīng)力也會變大。比如在高溫條件下，混凝土表面的水分蒸發(fā)加快，混凝土內(nèi)部熱量難以消散，內(nèi)部溫度升高，加上不易散熱，混凝土內(nèi)部熱量不斷的累積，持續(xù)時間長，內(nèi)部的體積膨脹，強度不能承受表面的急劇收縮，產(chǎn)生的體積內(nèi)漲外縮，從而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。因此，澆筑完成后，應(yīng)及時養(yǎng)護，盡量消除或減小混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力，才能盡可能地避免鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫。
3 控制鋼筋混凝土裂縫對策
控制和預(yù)防鋼筋混凝土裂縫是有一定難度的，要盡量避免或者控制在合理范圍內(nèi)，就一定要從設(shè)計、施工工藝、養(yǎng)護等各個階段采取有效措施。了解混凝土內(nèi)外溫度變化的規(guī)律，尤其是對溫度應(yīng)力的控制，合理選用混凝土的各種原材料，嚴(yán)格控制水泥的用量。在施工過程中，應(yīng)適量摻加合適的礦物摻合料和外加劑，優(yōu)化混凝土配合比。認真研究混凝土裂縫形成的原因，區(qū)別對待各種不同類型的裂縫，分別采取合理的處理方法。施工中預(yù)防措施要做到位，按規(guī)范規(guī)定施工，實時進行溫度監(jiān)測，加強養(yǎng)護，以保證工程的質(zhì)量。
3. 1 混凝土的配合比
為了防止鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)優(yōu)化混凝土的配合比，具體的措施如下：要嚴(yán)格控制集料級配和含泥量，摻加適量的礦物摻合料，選擇恰當(dāng)?shù)乃冶龋⑶以跐M足強度要求的原則下盡可能的減少混凝土中水泥用量；可加入早強劑、緩凝劑、速凝劑、引氣劑、減水劑等外加劑，改善混凝土的性能；夏天高溫天氣拌合混凝土?xí)r可用冰水將碎石冷卻以降低溫度；澆筑厚大體積混凝土?xí)r，應(yīng)選用水化熱較低的水泥；配制高強度混凝土，應(yīng)選用硅酸鹽水泥。
3. 2 施工工藝
利用施工工藝措施控制溫度應(yīng)力，在混凝土澆筑時要控制好澆筑層厚度和澆筑的速度以便于散熱。在澆注時，可采用分層分段施工的方法，降低單位澆筑體積，擴大散熱面積，利用澆筑面來散熱�？稍诨炷涟韬衔锇韬嫌盟屑尤氩糠炙楸越档突炷恋臏囟��？刂坪萌肽囟群吞涠取＿�可采用人工導(dǎo)熱，預(yù)埋冷卻水管用循環(huán)水降低混凝土溫度。
澆筑混凝土前應(yīng)對鋼筋上的油漬、泥漿等污物和氧化鐵皮進行清除，以免影響粘結(jié)力。鋼筋的位置、規(guī)格和保護層厚度要符合設(shè)計的要求。模板及支架結(jié)構(gòu)應(yīng)簡單，制造與裝拆方便，并且應(yīng)具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性。模板安裝的位置要準(zhǔn)確、牢固，在施工中應(yīng)避免變形。混凝土運輸、澆筑的全部時間應(yīng)在混凝土的初凝時間內(nèi)完成�；炷琳駬v操作應(yīng)合理，過分地振搗對砼的均勻性有害，但振搗不足又不能保證砼應(yīng)有的密實度，要恰到好處，以使得混凝土表面現(xiàn)出浮漿、不再出現(xiàn)氣泡并不再沉落為準(zhǔn)。
3. 3 混凝土養(yǎng)護
混凝土的早期養(yǎng)護，其主要目的在于保持適宜的溫度和濕度條件，以便達到更好效果：首先要使混凝土免受不利溫度、濕度變形的影響，防止有害的收縮；其次要使水泥水化作用順利進行，以期達到設(shè)計的強度和性能。
混凝土的保溫要達到的要求如下：控制混凝土內(nèi)外溫差幅度，以防止混凝土表面裂縫的產(chǎn)生。要防止混凝土溫度超低，使混凝土在施工期的最低溫度不低于混凝土使用期的`穩(wěn)定溫度。防止舊混凝土與新混凝土之間溫差過大，以減少新舊混凝土間的約束。
另外，養(yǎng)護是為了使混凝土正常硬化，強度增長，不受或少受外界影響。常用的養(yǎng)護方法有保濕覆蓋或噴灑養(yǎng)護劑等方式，在雨天或養(yǎng)護水充足的條件下，可采取灑水濕養(yǎng)護方式，對一般的混凝土結(jié)構(gòu)，要減少表面收縮，防止龜裂是可行的。要在達到規(guī)定時間或強度后方可拆模，當(dāng)氣溫驟降時應(yīng)進行表面保溫，以免混凝土內(nèi)外產(chǎn)生過大溫差；施工中長時間暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu)，在冬季或寒冷天氣時應(yīng)采取保溫措施，拆模后要立即覆蓋或及時回填，消減外界氣候的影響。
4 結(jié)束語
減少鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生，就需要嚴(yán)格的把好工程的質(zhì)量關(guān)，充分考慮材料組成、施工工藝、養(yǎng)護與溫控等各種因素的影響，采取措施控制溫度應(yīng)力問題，按照規(guī)定的施工工藝步驟操作，控制好施工過程的各個環(huán)節(jié)，是能夠有效防止裂縫的產(chǎn)生，以提高鋼筋混凝土工程質(zhì)量。
在具體施工中應(yīng)多觀察、多比較，當(dāng)出現(xiàn)問題后要多分析、多總結(jié)，并積極采取各種預(yù)防處理措施，是可以盡量減少或避免鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生。
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鋼筋混凝土異形柱抗震性能試驗研究
隨著我國城市建設(shè)發(fā)展腳步的不斷加快，鋼筋混凝土異形柱在建筑工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，如何從根本上確保工程的抗震性能滿足需求也成為了工程建設(shè)單位所面臨的一項重大課題。想要確�？拐鹦阅軡M足需求，必要的抗震性能試驗是必不可少的，工程建設(shè)單位應(yīng)該結(jié)合工程的實際情況，合理開展試驗工作，以此來為工程建設(shè)提供參考，提升工程整體質(zhì)量。
1 試驗概況
就目前異形柱的分類來看，大致可分為三種類型，即十形柱、L 形柱和 T 形柱。為了確保試驗結(jié)果的針對性和全面性，本次試驗共選 12 根異形柱作為試驗對象，每種類型的異形柱各四根，相應(yīng)的軸壓比分別為 0.182、0.456 和0.730。每個模型柱均嚴(yán)格按照我國現(xiàn)行的抗震規(guī)范加密箍筋，各個試件的混凝土強度等級均為 C30，并采用細石混凝土澆筑，縱筋用直徑分別為 10、8、5 的 I 級鋼筋，箍筋用 8# 鐵絲制作。
2 試驗結(jié)果及分析
2.1 剛度、承載力和延性實測結(jié)果及分析 表 1 給出的是各個試件的初始彈性側(cè)移剛度數(shù)值與計算數(shù)值的對比，從表中我們能夠看出，在軸壓比不斷增加的情況下，側(cè)移剛度也會在一定程度上增加。同時，通過對各個試件屈服荷載與極限荷載的試驗我們可以得出，隨著軸壓比的不斷增加，各個試件的屈服剛度也會有所提高，然而相應(yīng)的延性系數(shù)卻會隨之變小。帶暗柱異形柱與普通異形柱相比，在其他條件均相同的情況下，其承載力及延性明顯提高。通過對表 1 給出的各項數(shù)值的計算我們能夠得出，在接受試驗的 12 根異形柱中，十形柱 ZXD-4 的承載力和延性系數(shù)與 ZXD-3 相比，分別提高了 25.8%和 41.1%。L 形柱 ZLD-4 的正向承載力、負向承載力、正向延性系數(shù)和負向延性系數(shù)與 ZLD-3 相比，分別提高了 19.2%、12.5%、11.5%和 10.3%。T 形柱 ZTD-4 的正常承載力、負向承載力、正向延性系數(shù)和負向延性系數(shù)與 ZTD-3 相比，分別提高了 16.3%、28.9%、35.1%和 16.5%。
2.2 滯回曲線及恢復(fù)力模型 從本次試驗我們能夠得出，相對于普通異形柱來說，帶暗柱異形柱無論是承載力還是耗能能力，都相對較高，尤其是帶暗柱十形柱與普通十形柱之間的差距，更是非常明顯。鑒于此，為了更好的確保工程的抗震性能，對于規(guī)則的異形柱框架結(jié)構(gòu)，如果采用層模型對其進行分析，應(yīng)該確保 L 形柱和 T 形柱成對布置，以此來確保滯回曲線的對稱性。然而，對恢復(fù)力模型的選擇，則可以以 Clough 模型為主，Clough 模型是表達剛度退化效應(yīng)的一種雙線模型，如果對開裂點進行充分考慮，那么則可以選擇剛度退化三線型模型。利用這種模型，異形柱的彈性剛度和屈服時的割線剛度都可以通過計算獲得。本次實驗結(jié)果可供參考，但需要指出的是，實際取用Clough 模型中的相關(guān)數(shù)值，應(yīng)該根據(jù)工程所采取的異形柱的實際情況，按照耗能等效的原則或其他方法進行合理確定。
2.3 破壞形態(tài)分析 從本次試驗我們能夠得出，雖然試驗對象為三種不同類型的異形柱，然而三者卻有以下共同特征：首先，都屬于彎曲型破壞，無論是十形柱、L 形柱，還是 T 形柱，其斜裂縫的范圍相對于剪跨比較大的同類異形柱來說，要大一些，且裂縫相對較寬。從柱根部向上其裂縫逐步由水平裂縫變化為斜裂縫，這是彎矩與剪力比值變化的結(jié)果。其次，隨著軸壓比的不斷增大，與之相應(yīng)的塑性鉸域也會隨之增大。再次，相對于普通異形柱來說，帶暗柱異形柱的塑性鉸域要發(fā)展的更加充分，塑性鉸域越大，說明其耗能能力越強。最后，翼緣對腹板裂縫的開展有較強的限制作用。其中帶暗柱 L 形柱、T 形柱與其相同軸壓比的普通 L 形柱和 T 形柱相比，其破壞形態(tài)要表現(xiàn)的更加明顯。
3 結(jié)語
綜上所述，異形柱的抗震能力直接關(guān)系著工程整體結(jié)構(gòu)的抗震能力，因此，為了確保鋼筋混凝土異形柱工程建設(shè)滿足需求，在開展施工作業(yè)之前，必須做好相應(yīng)的抗震性能試驗與分析工作，以此來為工程的合理建設(shè)提供一定的參考依據(jù)，促進工程質(zhì)量的進一步提升。
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鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原理與設(shè)計措施
0 、引言
混凝土作為目前世界上最大的商品之一是因為混凝土具有較好的延性和較高的強度，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛使用。在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計環(huán)境要求選擇混凝土強度等級。由于在設(shè)計過程中設(shè)計人員的不同而導(dǎo)致設(shè)計風(fēng)格和理念有差異，因此在設(shè)計過程中會存在不同的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量也會有所差異。
1、 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的原理
廣義上的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由在混凝土中配有一定數(shù)量的鋼筋而形成的新型結(jié)構(gòu)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋主要承受拉力而混凝土主要承受壓力，混凝土和鋼筋共同工作使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗壓和抗拉性能、延性、耐久性等，使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)達到使用要求。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有這些優(yōu)良的性能，尤其在防火性能上遠遠高于鋼結(jié)構(gòu)，因此綜合性價比較高，工程造價較低，在工程上被普遍使用。
1． 1 原理
素混凝土結(jié)構(gòu)是由純混凝土組合而成具有較好的抗壓性能，但是抗拉性能和延性較差，因此為改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉性能和延性需要在混凝土結(jié)構(gòu)中布置鋼筋，極大改善混凝土結(jié)構(gòu)的受力性能和使用性能，抵抗外部荷載，增加其耐久性能。
1． 2 特性
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主要特性表現(xiàn)在其熱脹冷縮和延性等反應(yīng)中�；炷两Y(jié)構(gòu)在水泥水化反應(yīng)過程和季節(jié)交替時的熱脹冷縮過程中使得混凝土具有拉應(yīng)力，混凝土內(nèi)的鋼筋產(chǎn)生壓應(yīng)力，這時應(yīng)對混凝土材料本身進行設(shè)計，改善混凝土結(jié)構(gòu)的收縮性能。通常混凝土的延性和混凝土的強度有著直接關(guān)系，強度越高延性越差，因此在設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工程具體情況選擇不同強度的混凝土。一般的混凝土在 － 40 ℃ ～ 60 ℃ 時具有較好的、穩(wěn)定的物理性能，因此在低于或者高于規(guī)定環(huán)境時應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)采取一定措施防止混凝土凍害或者膨脹破壞。
2、 設(shè)計要求
對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)建筑物所在地區(qū)和所擁有的建筑材料采用合理的設(shè)計，如抗震要求、高度限制、地理環(huán)境要求等對混凝土結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計等，但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中可能會和建筑設(shè)計有沖突，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)和建筑設(shè)計綜合考慮，對混凝土結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，不失建筑風(fēng)格的美觀又不失結(jié)構(gòu)的安全性能。相對于建筑設(shè)計講，結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全度，尤其對于我國而言主要是提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。
根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸比例對混凝土結(jié)構(gòu)進行恰當(dāng)劃分，對結(jié)構(gòu)進行精確的橫豎向荷載分析，綜合考慮結(jié)構(gòu)所承受的多向應(yīng)力。
3、 設(shè)計措施
3． 1 結(jié)構(gòu)選擇
進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，由于建筑所處地勢不同、風(fēng)俗不同，因此在進行設(shè)計時會存在不同的風(fēng)格和設(shè)計理念，因此設(shè)計的前提是對當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)土人情、風(fēng)俗習(xí)慣和地理環(huán)境進行充分的調(diào)查，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)防等級和抗震等級進行設(shè)計。目前在高層設(shè)計中主要使用的是剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)具有抗震性能好、工程造價低、施工周期短、隔音效果好等優(yōu)點而被廣泛使用，盡管剪力墻結(jié)構(gòu)房間開間小，房間面積小，但是并不影響剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用。
3． 2 剛度處理
隨著社會的發(fā)展和人民的需要，建筑朝著超高層建筑發(fā)展，由于建筑高度的增加對建筑物的整體剛度要求也隨之增加，此時應(yīng)對結(jié)構(gòu)側(cè)移進行一定控制。眾所周知建筑物的豎向荷載對結(jié)構(gòu)的抗震性能有著決定性因素，因此在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的具體方案選擇是否提高結(jié)構(gòu)的剛度或提高其延性。在目前的住宅設(shè)計中絕大多數(shù)采用的是剪力墻結(jié)構(gòu)，由于住宅的房間布置限制使得墻體布置較多，并且在設(shè)計時往往采用的剪力墻墻壁較厚，但是并不是所有地區(qū)都需要布置較多的剪力墻和較厚的墻壁，因此相對于有些地區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往會造成許多浪費，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時可以在滿足結(jié)構(gòu)位移的要求下將主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的相對柔些，不僅滿足抗震要求而且將工程造價降到最低。
3． 3 加固方法的應(yīng)用
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)質(zhì)量問題時通常采用兩種加固方法進行加固: 1) 碳纖維加固; 2) 預(yù)應(yīng)力加固。采用碳纖維加固的原理是碳纖維抗拉強度高、加入到混凝土中抗裂性能好等。通過碳纖維和環(huán)氧樹脂配合使用可形成一種新型混凝土加固材料，有效提高原混凝土結(jié)構(gòu)的強度和抗裂性能。限制碳纖維加固應(yīng)用的條件是采用此種加固方法對外界環(huán)境影響較大，施工過后要對加固部分進行防火處理，以免帶來火災(zāi)隱患。采用預(yù)應(yīng)力加固的原理是通過在結(jié)構(gòu)外部設(shè)置拉桿或撐桿對結(jié)構(gòu)進行加固，從而提高結(jié)構(gòu)承載力，分散結(jié)構(gòu)內(nèi)力達到應(yīng)力重分布的狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力加固法一般廣泛應(yīng)用于大跨度鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或大型承重型結(jié)構(gòu)等。
4 、結(jié)語
工程建設(shè)中鋼筋和混凝土成為目前世界上的大宗商品，鋼筋和混凝土的質(zhì)量好壞成為影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性等的關(guān)鍵因素，加上結(jié)構(gòu)設(shè)計師對鋼筋和混凝土兩種材料合理組合搭配形成一種具有高度抗拉、抗壓和抗裂等良好性能的建筑材料，從而確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全，為我國建筑行業(yè)乃至全球建筑行業(yè)打下堅實基礎(chǔ)和做出貢獻。
參考文獻:
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少支撐框架結(jié)構(gòu)體系的定義和基本設(shè)計原則
建筑地震災(zāi)害的嚴(yán)重性是我國的基本國情之一。近年來發(fā)生的幾次破壞性地震反映出建筑結(jié)構(gòu)抗震能力不足的兩個主要原因：
一方面，我國采用三水準(zhǔn)兩階段的抗震設(shè)防目標(biāo)，但近年來發(fā)生的破壞性地震中，強震區(qū)的實際地震烈度經(jīng)常遠高于當(dāng)?shù)氐脑O(shè)計罕遇地震烈度水平。如我國四川省汶川縣的抗震設(shè)防烈度為 6~7 度，而 2008年 512 汶川 8.0 級地震發(fā)生時震中烈度達到 11 度，災(zāi)區(qū)許多地方的實際烈度超過設(shè)計罕遇地震 1~3 度，這是導(dǎo)致許多重災(zāi)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)損壞甚至倒塌的重要原因。在汶川地震后，我國的相關(guān)規(guī)范進行修改，提高了部分建筑的抗震設(shè)防類別和部分地區(qū)的抗震設(shè)防烈度，這樣，要求對災(zāi)區(qū)既有建筑進行抗震加固以滿足新的抗震設(shè)防要求，其中對鋼筋混凝土(RC)框架結(jié)構(gòu)增設(shè)少量鋼支撐是有效的抗震加固措施之一。
另一方面，上部 RC 框架結(jié)構(gòu)的主要震害形式為：柱端出鉸、柱剪切破壞、節(jié)點區(qū)破壞、薄弱層嚴(yán)重破壞、預(yù)制樓板與梁的連接不當(dāng)引起的破壞、現(xiàn)澆樓梯的破壞等等，由于結(jié)構(gòu)體系布置不合理、現(xiàn)澆樓/屋蓋體系對框架梁抗震性能的影響、現(xiàn)澆樓梯斜跑的抗側(cè)貢獻和填充墻對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的影響等因素，許多既有 RC 框架結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)建筑抗震設(shè)計規(guī)范中要求的“強柱弱梁”等理想破壞模式。另外，即使合理設(shè)計與施工的 RC 框架結(jié)構(gòu)能夠滿足“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固”等抗震設(shè)計要求的破壞模式，但框架結(jié)構(gòu)存在抗震防線單一、缺乏足夠冗余度的問題。
國內(nèi)外多次大地震的建筑震害表明，采用純框架結(jié)構(gòu)的房屋，其倒塌率遠遠高于設(shè)置剪力墻等的框架結(jié)構(gòu)房屋。汶川地震后，作者在災(zāi)后現(xiàn)場應(yīng)急評估中發(fā)現(xiàn)，在 RC 框架結(jié)構(gòu)中設(shè)計少量鋼支撐或排架柱間的柱間交叉支撐，就能有效控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形，提高原結(jié)構(gòu)的承載能力和抗地震倒塌能力(圖 1)�！緢D略】
受到這些成功抵御地震作用建筑結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本文作者提出了在框架結(jié)構(gòu)中設(shè)置少量鋼支撐的少支撐框架結(jié)構(gòu)體系的概念，目的是改變框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)體系，增加框架結(jié)構(gòu)的抗震防線，不僅提高原框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與承載力，保證原結(jié)構(gòu)在設(shè)計罕遇地震下不倒塌，而且可以在超越設(shè)計罕遇地震的地震作用下不倒塌，從而提高框架結(jié)構(gòu)的抗地震倒塌能力。本文在劉慶志的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，完成了這種新結(jié)構(gòu)體系的受力機理分析與抗地震倒塌能力的評估，提出了少支撐框架結(jié)構(gòu)體系的定義與基本設(shè)計原則建議，供相關(guān)研究人員與設(shè)計人員參考。
1 現(xiàn)行相關(guān)抗震規(guī)范的規(guī)定
對于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在水平力作用下，底層框架承受的地震傾覆力矩與結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的比值不盡相同，結(jié)構(gòu)的性能也有較大的差別�！陡邔咏ㄖ炷两Y(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ 3-2010(后文稱《高規(guī)》)第 8.1.3 條根據(jù)在規(guī)定水平力作用下，底層框架的傾覆力矩分擔(dān)率對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系進行了細分，并對每一種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計方法和側(cè)向位移控制指標(biāo)作出了較為具體的規(guī)定(見表 1)。朱炳寅建議的結(jié)構(gòu)體系細分的類別和標(biāo)準(zhǔn)與《高規(guī)》的規(guī)定基本一致�！颈�1】
對于框架-支撐框架結(jié)構(gòu)體系，我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011—2010(后文稱《抗規(guī)》)第 G.1.3條第 5 款對其有明確的定義：“底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應(yīng)大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的 50%”。這類結(jié)構(gòu)中鋼支撐框架比較強，支撐屬于強支撐。而當(dāng)結(jié)構(gòu)中鋼支撐框架比較弱時，框架將承擔(dān)較大的地震作用，設(shè)置少量鋼支撐的 RC 框架結(jié)構(gòu)與含有少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)類似，但現(xiàn)行規(guī)范中對這種結(jié)構(gòu)體系尚無明確定義。為了能夠合理提出這類結(jié)構(gòu)的定義，本文以一座典型 RC 框架結(jié)構(gòu)為例，分析了設(shè)置不同數(shù)量鋼支撐后結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、動力特性、底層框架的基底剪力與傾覆力矩分擔(dān)率變化等，結(jié)合對結(jié)構(gòu)完成的靜力PUSHOVER 分析得到的能力曲線結(jié)果等，借鑒現(xiàn)行規(guī)范對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、含有少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，提出了少支撐框架結(jié)構(gòu)的定義，為這類結(jié)構(gòu)體系的推廣應(yīng)用特別既有框架結(jié)構(gòu)的抗震結(jié)構(gòu)提供借鑒。
2 RC 框架結(jié)構(gòu)與鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)對比
2.1 工程概況及構(gòu)件設(shè)計
某 6 層 RC 框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為 8 度(0.20g)，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類。結(jié)構(gòu)縱向 5跨、橫向 3 跨，首層層高 4.0m，其余各層層高 3.6m，如圖 2 所示�？蚣芙Y(jié)構(gòu)的梁、柱、樓板均為現(xiàn)澆，混凝土強度等級均為 C30，鋼筋均采用 HRB400 級熱軋鋼筋。縱向和橫向邊跨框架梁截面尺寸為 250mm×500mm，橫向中跨框架梁截面尺寸為 250mm×300mm；1~4 層框架柱截面尺寸為 500mm×500mm，5~6層為 400mm×400mm；樓板厚度為 100mm。假設(shè)樓面地面做法與吊頂?shù)鹊牡刃Ц郊雍爿d標(biāo)準(zhǔn)值為3.0kN/m2，樓面活載標(biāo)準(zhǔn)值取 2.5kN/m2；屋面除結(jié)構(gòu)重量外的等效附加恒載標(biāo)準(zhǔn)值為 3.0kN/m2，屋面不上人，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為 0.5kN/m2。假設(shè)建筑外圍維護墻與沿軸線隔斷墻的等效線荷載為 6kN/m，作用于相應(yīng)的框架梁上，假設(shè)結(jié)構(gòu)嵌固在地面，不考慮基礎(chǔ)埋深與回填土的側(cè)限。該建筑結(jié)構(gòu)總高為 22.0m，根據(jù)《抗規(guī)》規(guī)定，抗震等級為二級。結(jié)構(gòu)分析設(shè)計采用 SATEWE軟件完成，對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型稱為 Model0�！緢D2】
在上述 RC 框架結(jié)構(gòu)中增加鋼支撐，成為帶鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)。支撐布置在外側(cè)四榀框架的中跨，沿結(jié)構(gòu)通高布置(如圖 3 所示)。支撐選用防屈曲支撐(BRB)，芯材選用 Q235 鋼材，工作段鋼芯為一字型截面，非工作段為十字型截面。參考哈爾濱工業(yè)大學(xué)馬寧和同濟大學(xué)李國強的方法設(shè)計 BRB 支撐，使得BRB 鋼芯在層間位移角 1/550 時保持彈性狀態(tài)。設(shè)計了四種支撐截面(表 2)，研究支撐剛度與承載力變化對鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)性能的影響。對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型分別稱為 Model1、Model2、Model3 與 Model4�！緢D3.表2】
在原框架結(jié)構(gòu)中增加鋼支撐后，采用 SATEWE 軟件重新分析帶鋼支撐的 RC 框架，框架梁柱的截面尺寸和配筋采用分別按純框架結(jié)構(gòu)和帶鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)滿足抗震設(shè)計要求條件下的結(jié)果設(shè)計包絡(luò)值。由于鋼支撐的影響，與其相連的框架柱承受更大的軸力和彎矩，柱軸壓比和配筋都增大。其中，增設(shè) 4 號支撐后，結(jié)構(gòu)首層與支撐相連的部分框架柱不再滿足《抗規(guī)》中關(guān)于軸壓比 0.75 的限值要求，將帶 4 號支撐框架結(jié)構(gòu) 1~4 層與支撐相連的部分框架柱(圖 2 中 1-B、1-C、6-B 及 6-C)截面尺寸放大至 550mm×550mm。
在通用分析平臺 OpenSees中分別建立了上述結(jié)構(gòu)的有限元分析模型。混凝土采用 OpenSees 中的concrete01 材料，采用了 Kent-Scott-Park的骨架曲線和 Karsan-Jirsa加卸載準(zhǔn)則，且不考慮混凝土受拉；鋼筋采用 OpenSees 中的 Steel02 材料，骨架曲線為雙折線，并可反映鋼筋的 Bauschinger 效應(yīng)。表 3 列出了 Model0~Model4 模型沿 Y 方向(橫向)的基本周期、設(shè)置鋼支撐后原框架結(jié)構(gòu)剛度及地震基底剪力的變化情況�？梢钥闯�，隨著支撐截面面積的增加，支撐對整個結(jié)構(gòu)的剛度貢獻增加，地震作用也增大，地震作用的增幅小于剛度增幅，由此推測增加鋼支撐將有效控制原結(jié)構(gòu)的位移，但是，對鋼支撐導(dǎo)致的剛度增幅需要控制在一定幅度內(nèi)為好�！颈�3】
2.2 基底剪力及傾覆力矩分擔(dān)率分析
1) 彈性階段的底層框架地震傾覆力矩分擔(dān)率和基底剪力分擔(dān)率參考規(guī)范對少墻框架的定義，分析鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)彈性階段在指定水平地震作用下的底層框架地震傾覆力矩分擔(dān)率和基底剪力分擔(dān)率。因為單榀支撐框架的作用類似于一片剪力墻，而在框架-剪力墻結(jié)構(gòu)中，剪力墻以及與墻相連的框架柱看做同一片剪力墻(稱帶端柱剪力墻)(見圖 4 左)，所以鋼支撐 RC 框架的“支撐框架剪力分擔(dān)率”和“支撐框架傾覆力矩分擔(dān)率”計算時的支撐框架是指支撐本身及與所在跨中與其相連接的框架梁柱(圖 4 右紅色部分)，而“框架剪力分擔(dān)率”和“框架傾覆力矩分擔(dān)率”計算時的框架是指的其他框架梁柱(圖 4 右黑色部分)。根據(jù)反應(yīng)譜底部剪力法(考慮頂部集中力)得到結(jié)構(gòu)各層的等效水平地震作用，對各結(jié)構(gòu)模型進行小震下彈性分析。Model1~Model4 彈性階段的底層框架傾覆力矩分擔(dān)率和基底剪力分擔(dān)率見表 4 所示。
可以看出，四個模型中框架分擔(dān)的傾覆力矩與剪力均超過 50%，不屬于框架-支撐框架的范疇，并且隨著支撐抗側(cè)剛度的提高而降低。對于 Model3，設(shè)置支撐后框架底層抗側(cè)剛度增加接近 40%時，框架分擔(dān)的傾覆力矩與剪力均接近 60%，由于剛度的增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的總基底剪力增加在 20%以內(nèi)。對 Model4，雖然其框架分擔(dān)的傾覆力矩與剪力均超過 50%，但是，從支撐用鋼量、框架底層抗側(cè)剛度增加均較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的總基底剪力增加超過 20%�！颈�4.圖4】
2) 基底剪力分擔(dān)率隨結(jié)構(gòu)彈塑性發(fā)展的變化為了研究結(jié)構(gòu)進入非線性狀態(tài)后的內(nèi)力重分布特征以及結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的變化，完成了上述結(jié)構(gòu)模型的靜力推覆分析，水平地震作用沿高度的分布同彈性分析。計算得到各模型的基底剪力-頂點位移能力曲線(圖5)，以及各模型框架部分的基底剪力分擔(dān)率隨結(jié)構(gòu)頂點位移的變化過程(圖 6)。從圖 5 看出，結(jié)構(gòu)的基底剪力-頂點位移能力曲線均呈軟化特征，設(shè)置支撐后結(jié)構(gòu)的能力明顯提高，支撐是結(jié)構(gòu)中的第一道防線，而采用 BRB，支撐屈服后支撐仍有 1%初始剛度，承載力不會降低，從而保證了結(jié)構(gòu)承載力的發(fā)揮。隨著支撐截面面積的增加，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度、承載力與延性明顯改善，但是，結(jié)構(gòu)的能力提高與支撐截面的增加不成正比。
從圖 6 看出，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的內(nèi)力分配分為三個階段：在支撐屈服之前，鋼支撐的剛度不變，而 RC 構(gòu)件由于混凝土的開裂其剛度逐漸降低，框架部分的剪力分擔(dān)率下降，支撐越強下降越多，計算模型的降幅在10％以內(nèi)；支撐屈服后，支撐的殘余剛度取 1%的初始剛度，支撐的抗側(cè)剛度下降幅度比框架的抗側(cè)剛度下降更快，所以框架部分的剪力分擔(dān)率上升，甚至超過了彈性階段的最大剪力分擔(dān)率；RC 框架屈服后，結(jié)構(gòu)達到峰值承載力，之后框架部分的剛度逐漸下降，而支撐仍有殘余的 1%初始剛度，所以框架的剪力分擔(dān)率逐漸下降，到頂點位移達 500mm，結(jié)構(gòu)底層框架分擔(dān)的基底剪力占總基底剪力的 50％以上。隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的繼續(xù)增加，支撐框架的剪力分擔(dān)率逐漸上升，對結(jié)構(gòu)的防倒塌具有重要的作用�！緢D5-6】
2.3 結(jié)構(gòu)在罕遇地震及超罕遇地震下的性能點分析
對于 8 度(0.2g)抗震設(shè)防烈度的結(jié)構(gòu)：《抗規(guī)》規(guī)定罕遇地震下的水平地震影響系數(shù)最大值為 0.9；《抗倒塌規(guī)程》建議建筑結(jié)構(gòu)抗地震倒塌計算時，地震影響系數(shù)最大值在罕遇地震相關(guān)數(shù)值(0.9)上乘一個調(diào)整系數(shù)(1.33)。據(jù)美國《混凝土建筑抗震評估和修復(fù)》(ATC-40)中的能力譜法對各結(jié)構(gòu)模型進行性能點分析，得到結(jié)構(gòu)對應(yīng)設(shè)計罕遇地震及超罕遇地震的性能點，見表 5。為方便比較，以 Model0 峰值荷載點的基底剪力與頂點位移為參考，計算了各模型對應(yīng)峰值荷載時的基底剪力和頂部位移分別與 Model0 峰值荷載點的基底剪力和頂點位移的比值，并計算了各模型對應(yīng)不同性能點時的基底剪力與頂部位移和其峰值荷載點的基底剪力與頂點位移的比值，結(jié)果見各列數(shù)據(jù)后括號中數(shù)字�！颈�5】
表 5 表明，少支撐框架結(jié)構(gòu)相比純框架結(jié)構(gòu)，其極限承載力都獲得提高，而對應(yīng)峰值荷載時的頂點位移變化不同，Model1 與 Model2 對應(yīng)其峰值承載力時的頂點位移略微小于純框架結(jié)構(gòu)對應(yīng)的頂點位移，Model3 對應(yīng)其峰值承載力時的頂點位移略大于純框架結(jié)構(gòu)對應(yīng)的頂點位移，而 Model4 的承載力與對應(yīng)頂點位移均較純框架結(jié)構(gòu)的結(jié)果明顯提高(分別為 49%與 32%)。分析對應(yīng)設(shè)計罕遇地震與超罕遇地震下結(jié)構(gòu)的性能點結(jié)果可以看出，對應(yīng)設(shè)計罕遇地震結(jié)構(gòu)均有性能點，說明模型均滿足大震不倒的性能設(shè)計要求；在超罕遇地震下 Model0 沒有性能點，而其他模型均滿足抗震設(shè)計要求，可見設(shè)置少量支撐后框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力提高，設(shè)置支撐對抗地震倒塌是有效的。
分析對應(yīng)設(shè)計罕遇地震下各計算模型性能點的基底剪力與頂點位移相對其峰值荷載下的結(jié)構(gòu)看出：相對Model0，Model1 中設(shè)置的鋼支撐較少，對應(yīng)設(shè)計罕遇地震下性能點的頂點位移大于 Model0 的結(jié)果，性能點的基底剪力相對其峰值荷載的比例從 88%增加到 92%，頂點位移相對其峰值荷載時頂點位移的比例從 54%增加到 60%，相對原結(jié)構(gòu)，設(shè)置支撐后反而對結(jié)構(gòu)不利，但是，抗倒塌能力略有提高；Model2 對應(yīng)設(shè)計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 54%與 89%，與 Model0 的比例接近，超設(shè)計罕遇地震下模型的響應(yīng)接近其峰值荷載，說明設(shè)置鋼支撐后模型的抗震能力略有提高，抗倒塌能力提高有限；Model3 對應(yīng)設(shè)計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 46%與 85%，比 Model0 的比例略低，超設(shè)計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 68%與 96%，響應(yīng)接近其峰值荷載，但頂點位移控制有效，說明設(shè)置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高均改善；Model4 的位移響應(yīng)明顯小于其他模型，對應(yīng)設(shè)計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 36%與 80%，超設(shè)計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 51%與 91%，說明設(shè)置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高。為了保證結(jié)構(gòu)在罕遇地震與超罕遇地震下不倒塌，設(shè)置的鋼支撐不能過少。
3 少鋼支撐 RC 框架的定義
在 RC 框架結(jié)構(gòu)中加入少量鋼支撐有兩個主要目標(biāo)：(1) 改變純框架結(jié)構(gòu)的受力模式及破壞次序，使得支撐先屈服，提高結(jié)構(gòu)的延性和抗地震倒塌能力；(2) 增設(shè)鋼支撐后結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的周期減小，基底水平地震剪力將增加，所以設(shè)置支撐后框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度不能過度增加，以區(qū)別于框架-支撐框架結(jié)構(gòu)(其中支撐框架作為主要抗側(cè)力構(gòu)件)。第一個目標(biāo)主要通過合理設(shè)計支撐的傾角、工作段長度系數(shù)等參數(shù)，使支撐在目標(biāo)屈服位移下屈服，在目標(biāo)極限位移下不斷裂；第二個目標(biāo)則是通過合理設(shè)計支撐的數(shù)量與工作段截面，控制支撐的剛度與承載力貢獻，從而控制框架底部的傾覆力矩分擔(dān)率來達到。
在 RC 框架上增加支撐以后，結(jié)構(gòu)剛度增加，地震作用也增大。對于防屈曲支撐，不存在支撐受壓屈曲導(dǎo)致的受壓承載力降低等問題，性能穩(wěn)定，在水平地震作用下隨著結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度下降，但進入彈塑性階段后結(jié)構(gòu)的周期加長，地震作用的增幅小于彈性階段；對于普通鋼支撐，由于受壓支撐屈曲后結(jié)構(gòu)剛度下降相對較多，彈塑性階段實際地震作用增幅遠小于彈性階段。據(jù)表 3 和表 4，原結(jié)構(gòu)增加支撐后的剛度增幅小于 40%時，增加支撐帶來的地震力增幅小于 20%，此時框架部分所分擔(dān)的地震傾覆力矩略小于 60%�？紤]到可能須要對支撐相鄰柱進行加強，這樣支撐框架的地震傾覆力矩分擔(dān)率會上升，而框架的地震傾覆力矩分擔(dān)率會下降，結(jié)合表 5 的結(jié)果，建議少鋼支撐 RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔(dān)率大于 50%�？紤]到支撐很弱時，支撐框架的抗傾覆作用小(不超過 30%)，雖然結(jié)構(gòu)的抗震能力略有提高，但是，結(jié)構(gòu)剛度提高導(dǎo)致地震作用效應(yīng)提高更加明顯，對抗震反而不利(如 Model1)，建議少鋼支撐RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔(dān)率不超過 70%。將少鋼支撐 RC 框架定義為：在規(guī)定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的提高幅度不超過 40%。該定義與《抗規(guī)》對鋼支撐 RC 框架的定義相容。
4 結(jié)論
本文主要得到以下結(jié)論：
(1) 基于破壞性地震中特別汶川地震中 RC 框架結(jié)構(gòu)的震害與部分設(shè)置鋼支撐的框架結(jié)構(gòu)、工業(yè)廠房排架結(jié)構(gòu)的震害特征，提出了少鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的概念。
(2) 總結(jié)了現(xiàn)行規(guī)范中對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)、含有少量剪力墻的框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，基于彈性分析和pushover 分析結(jié)果，借鑒少墻框架結(jié)構(gòu)的定義方法，建議了少量鋼支撐框架結(jié)構(gòu)的控制指標(biāo)，提出了少鋼支撐 RC 框架結(jié)構(gòu)的定義：在規(guī)定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔(dān)的地震傾覆力矩大于結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的提高不超過原抗側(cè)剛度的 40%。
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FRP加固鋼筋混凝土梁柱框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能的研究
1 引言
重要建筑物如(如軍事指揮所、政府辦公大樓、大型商場)極易成為戰(zhàn)爭攻擊和恐怖襲擊的目標(biāo),因為這些建筑物一旦被摧毀,不但可以造成大量人員(特別是重要人物)的傷亡,而且會迅速引起廣大民眾恐慌,瓦解軍心民心.如 2003 年美伊戰(zhàn)爭便是從美國空襲薩達姆當(dāng)局領(lǐng)導(dǎo)層所在的總統(tǒng)府開始的;而"9-11"事件在造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失的同時,也使其民眾人心惶惶.另一方面,通過對海灣戰(zhàn)爭中敘利亞有無填充墻的建筑受導(dǎo)彈攻擊后倒塌規(guī)模的對比[2]和五角大樓遭到襲擊后長時間保持穩(wěn)定[3]可知,具有一定結(jié)構(gòu)冗余度的建筑物能夠有效地阻止倒塌蔓延,降低結(jié)構(gòu)破壞范圍.連續(xù)倒塌作為一種極端的倒塌形式,是指結(jié)構(gòu)在局部構(gòu)件受到偶然荷載(如戰(zhàn)爭攻擊、恐怖襲擊、汽車沖擊等)發(fā)生倒塌后造成內(nèi)力重分布,致使相鄰構(gòu)件接連失效,最終發(fā)生大面積、整體性的倒塌.
隨著攻擊制導(dǎo)武器的日趨精確和恐怖主義蔓延,我國很多重要建筑物的結(jié)構(gòu)冗余度亟待加強,以提升其抗連續(xù)倒塌能力.FRP(Fiber Reinforced Ploymer)是一類應(yīng)用普遍的新型高強材料,本文運用有限元分析的方法對采用不同 FRP 粘貼方案后鋼筋混凝土梁柱框架結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌性能進行對比,探尋最優(yōu)方案.
2 研究綜述
鋼筋混凝土抗連續(xù)倒塌相關(guān)研究主要包括分析連續(xù)倒塌工程事故、通過結(jié)構(gòu)倒塌過程試驗總結(jié)力的轉(zhuǎn)換機制、探尋連續(xù)倒塌機理和提出設(shè)計方法等方向.英國、歐盟、美國、加拿大等均有自己比較完善的抗連續(xù)倒塌規(guī)范.抗連續(xù)倒塌設(shè)計不同于一般結(jié)構(gòu)設(shè)計的地方在于其對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性提出了更高的要求,且容許結(jié)構(gòu)有一定比例的破壞和一定范圍的變形.比如 DoD2013[4]對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),為考慮動力效應(yīng),在拆除構(gòu)件法中,當(dāng)采用非線性靜力分析和變形控制時,應(yīng)采用以下的荷載組合:
其中 為荷載放大系數(shù),D 和 L 分別為恒載和活載.
FRP 常用于結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎、抗剪和抗壓加固,抗連續(xù)連續(xù)倒塌加固的目的是為了提升構(gòu)件的耗能能力和延性,需綜合考慮上述加固形式.CFRP(Cabon Fiber Reinforced Ploymer,碳纖維布)與 GFRP(Glass FiberReinforced Ploymer,玻璃纖維布)是兩種常用且發(fā)展成熟的 FRP 加固材料,其比重僅有鋼筋 1/4 到 1/3,拉伸強度卻是鋼筋的 10 倍左右[5].但其延伸率很小,如 T300 的 CFRP 僅有 1.71%的延伸率,且沒有明顯的屈服強度,易發(fā)生脆性斷裂.相對而言 GFRP 較 CFRP 的彈性模量要小、延伸率要大,故變形能力較 CFRP要好.敬登虎[6]通過試驗發(fā)現(xiàn) GFRP 加固后構(gòu)件的延性幾乎是 CFRP 的 2.5 倍.目前文獻中對 CFRP 和 GFRP加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌對比的相關(guān)研究較少見.
LS-DYNA 可以模擬結(jié)構(gòu)的大位移大變形等非線性情況.孟一[7]對 LS-DYNA 常用的混凝土材料模型進行了總結(jié)對比,發(fā)現(xiàn)新增的 CSCM 模型適合應(yīng)用在結(jié)構(gòu)倒塌分析領(lǐng)域,并校正了相關(guān)材料參數(shù).Jin-WonNam[8]等人對比四種不同的 FRP 布有限元模型,發(fā)現(xiàn)正交異性線彈性模型更適合運用在其對混凝土結(jié)構(gòu)加固的模擬上.
3 算例
3.1 試件設(shè)計
本文設(shè)計了一棟五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)(如圖 1 所示),并沿底層縱向取出兩跨一層的梁柱框架子結(jié)構(gòu),假設(shè)其中間柱已經(jīng)失效.梁柱縱筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并按照規(guī)范規(guī)定[1]
進行加密,混凝土采用 C30,保護層厚度為 25mm.此算例旨在為后期現(xiàn)場試驗提供理論支持.
為了探究 FRP 對提高其抗連續(xù)倒塌性能效果最佳加固形式,本文綜合考量其經(jīng)濟性和加固效果,通過在梁底、梁頂及改變加固長度組合了各種加固方案進行嘗試,選擇典型方案列于表 1.
3.2 建模
本文在 ANSYS 建立了不同加固方案的 1/2 對稱有限元模型(圖 2)后,在 LS-DYNA 中進行相關(guān)計算.
其中混凝土、鋼筋和 FRP 的采用的單元類型分別為 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163,材料本構(gòu)分別為蓋帽模型(*MAT_CSCM)、隨動塑性強化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交異性線彈性彈性模型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC).特別的,為了防止施加荷載時出現(xiàn)應(yīng)力集中,在中間柱頭上方設(shè)置一塊加載墊塊,使用 SOLID164 單元類型和剛體材料本構(gòu)(*MAT_RIGID),結(jié)構(gòu)與地面(剛體)連接[9].
為證實有限元模型的準(zhǔn)確性,本文對湖南大學(xué)易偉健等人的平面框架連續(xù)倒塌試驗(圖 3a、圖 3c)[10]
進行模擬,建立了如圖 3b 所示的有限元模型,再現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的倒塌過程,通過中柱位移軸力曲線(圖 3d)和豎向水平位移曲線(圖 3e)均可以看出模擬結(jié)果有明顯的彈性、拱效應(yīng)和懸鏈線效應(yīng)發(fā)展階段,且與試驗結(jié)果接近.
3.3 加載
因相關(guān)試驗大多采用擬靜力的方式進行加載,本文為了有效驗證有限元模型,亦采用靜力方式進行加載.為了有效控制加載速度,采用位移控制的方式進行加載.為節(jié)約機時,本文采用 1m/s 的速度勻速加至 500mm,其中為保證加載開始結(jié)束階段速度不會過大,采用余弦函數(shù)進行加載,并關(guān)閉混凝土應(yīng)變率開關(guān).通過觀察對比能量平衡結(jié)果,發(fā)現(xiàn)其動能均極小,可以忽略.
3.4 結(jié)果比較
3.4.1 破壞特征比較
FRP 加固后的框架子結(jié)構(gòu)有限元模型分別有如圖 4 所示的三種破壞形態(tài).破壞過程依次為為:A、C點混凝土開裂;C 點(CLZ1、GLZ1)或 A 處(CLZ2、GLZ2)FRP 發(fā)生剝離和斷裂破壞;B、D 點混凝土開裂;A、C 點鋼筋達到受拉極限被拉斷.GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 按照先 C 點再 A 點的順序失效.值得注意是,B 和 D 處 FRP 在懸鏈線階段依然發(fā)揮了拉桿效應(yīng).環(huán)形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剝離.
3.4.2 數(shù)據(jù)對比分析
通過觀察圖(5a)所示位移荷載曲線可以發(fā)現(xiàn),各試件隨著位移增加均呈現(xiàn)出明顯的彈性變形、拱效應(yīng)、拉壓轉(zhuǎn)化和懸鏈線效應(yīng)階段.中柱位移在 20mm 以內(nèi)為彈性階段,各曲線差別極小,說明此時 FRP 發(fā)揮的作用均有限;而到了拱效應(yīng)階段,A、C 處 FRP 由于發(fā)生脆性斷裂,沒有起到明顯拉桿效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效應(yīng)階段承載力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘貼的方式可以在一定程度上延緩 FRP 斷裂,有助于發(fā)揮結(jié)構(gòu)拱效應(yīng);中柱位移在 200mm 左右,結(jié)構(gòu)進入懸鏈線階段后,所有加固方案的承載力均有一定程度的提升,以 CL3、GLZ2 和 GLZ3 效果最為明顯,達到了 115KN 荷載設(shè)計要求,結(jié)合破壞特征推測,FRP 在此階段分擔(dān)了一部分拉軸力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 點、A 點鋼筋相繼發(fā)生斷裂,結(jié)構(gòu)也逐漸喪失了承載能力.可將 C 點鋼筋斷裂作為結(jié)構(gòu)懸鏈線階段的結(jié)束,結(jié)構(gòu)達到了倒塌極限承載力,則各加固方案的極限承載力分別提升了約 10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3).
通過比較各方案鋼筋斷裂時位移點位置可以發(fā)現(xiàn),GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,說明其結(jié)構(gòu)延性更好,能夠經(jīng)受住更大的撓度變形.
各方案輸出的結(jié)構(gòu)總能量與中柱位移(圖 5b)可知,在彈性階段,各試件耗能并沒有明顯區(qū)別;到了200mm 左右(結(jié)構(gòu)進入了懸鏈線效應(yīng)階段),所有加固方案的耗能均有明顯提升,至鋼筋斷裂,CLZ2 增加較小, CLZ1 與 GLZ1 較 LZ1 大約增加了 6%左右,其他三種加固方案大約增加了 20%左右,說明 FRP 在構(gòu)件發(fā)生大變形時分擔(dān)了部分的耗能任務(wù).
4 結(jié)論
本文運用顯式有限元軟件 LS-DYNA 對不同 FRP 加固方案下的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了模擬分析,直觀地重現(xiàn)和模擬鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時的倒塌破壞過程.通過對比較不同破壞階段 FRP 發(fā)揮的作用,可以得到如下幾點結(jié)論:
1、合理粘貼 FRP 可以明顯提高構(gòu)件的延性,尤其在大位移情況下,通過在梁上下部均粘貼 FRP 的方式(CLZ3、GLZ3)可以充分發(fā)揮框架梁的懸鏈線效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)延性和耗能能力,且延展性較好的 GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用較粘于下部(GLZ1)增強效果更明顯;
2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2013 抗連續(xù)倒塌規(guī)范設(shè)計荷載,說明通過選擇合理的粘貼材料和組合形式可以在一定程度上提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能;
3、分析破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)在截斷處采用 U 形箍或環(huán)形箍錨固可以有效阻止 FRP 剝離的蔓延,更好發(fā)揮其抗拉性能.
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防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的局部受力和損傷特性
防屈曲支撐正在被越來越廣泛地應(yīng)用于我國既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固和新建建筑的地震防御。與日本、美國等抗震先進國家相比，我國在將防屈曲支撐應(yīng)用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方面進行了更多的工程嘗試。
然而，由于混凝土構(gòu)件具有局部抗拉性能差的特點，在將鋼制防屈曲支撐在混凝土構(gòu)件相連時，其連接節(jié)點的受力狀態(tài)較為復(fù)雜。國內(nèi)近年來對此開展了一些有針對性的研究，提出并通過試驗檢驗了在鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)埋置節(jié)點板的連接方式。另一方面，當(dāng)將防屈曲支撐的節(jié)點板設(shè)置于梁、柱節(jié)點的一隅而同時與梁端和柱腳相連接時，框架梁、柱的變形將使節(jié)點板處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中；節(jié)點板也會對框架梁、柱的變形性能產(chǎn)生影響。為避免這兩方面的不利影響，有學(xué)者提出將防屈曲支撐只與梁端相連，而不與框架柱發(fā)生任何接觸，如日本學(xué)者提出的采用高強預(yù)應(yīng)力鋼棒將防屈曲支撐節(jié)點板緊固在梁端側(cè)壁的做法如；美國學(xué)者針對鋼結(jié)構(gòu)提出的“非約束節(jié)點板”的做法。我國《建筑結(jié)構(gòu)消能減震(振)設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)圖集(09SG610-2)中也包含僅在梁端連接消能器的做法，但僅針對噸位相對較小的黏彈性消能器。在文獻介紹的工程實例中，則將該方法用于采用防屈曲支撐對既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行的抗震加固。本文針對僅在梁端連接防屈曲支撐的做法，提出兩種不同的連接構(gòu)造形式，并采用梁端局部損傷控制措施，保證連接部位的性能。
1 連接節(jié)點損傷控制方案
本文研究的兩種梁端防屈曲支撐連接節(jié)點方案如圖 1 所示。二者的共同點在于采用類似于文獻[6]提出的“非約束節(jié)點板”的做法，防屈曲支撐節(jié)點板與混凝土柱之間人為的設(shè)置一定的間隙，以保證即使當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的側(cè)向變形時，節(jié)點板也不會與柱發(fā)生接觸。二者的區(qū)別在于節(jié)點板與梁端的連接形式。其一采用貫穿梁高的高強預(yù)應(yīng)力鋼棒將節(jié)點板底板緊固于混凝土梁表面(圖 1a)；其二則將節(jié)點板延伸預(yù)理在混凝土梁端內(nèi)部，并預(yù)埋段設(shè)置栓釘以傳遞力(圖 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
對于這種僅將防屈曲支撐與梁端相連的情況，節(jié)點板與柱之間的間隙處的梁段處于非常不利的受力狀態(tài)。當(dāng)防屈曲支撐受拉時，這一段的梁截面可能同時受到較大的拉力、剪力和彎矩作用，從而使這一部位容易發(fā)生不利的脆性破壞。即使不發(fā)生破壞，如果梁端損傷集中在這一部位(即在此處出現(xiàn)塑性鉸)，會不可避免地對防屈曲支撐連接節(jié)點的受力性能產(chǎn)生不利的影響。為此，有必要通過合理的損傷控制手段，消除隱患，減輕不利影響，以提出連接節(jié)點的的受力性能�！緢D1】
本文采用最為簡單直接的調(diào)整梁內(nèi)配筋的方式進行局部損傷控制，即在混凝土鋼原有配筋的基礎(chǔ)上，一方面增加連接節(jié)點部位對應(yīng)的梁端的縱筋，與此同時適當(dāng)減少連接節(jié)點以外部分的梁縱筋，使帶有防屈曲支撐的混凝土梁的受力承載力與純框架梁相當(dāng)，同時將梁端預(yù)期塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點以外區(qū)域，具體如圖 2 所示�！緢D2】
2 試驗設(shè)計
為檢驗上述連接節(jié)點形式與損傷控制方案的有效性，設(shè)計如圖 3 所示的包含半跨懸臂梁段和防屈曲支撐節(jié)點板的子結(jié)構(gòu)試驗。由于采用非約束節(jié)點板，混凝土柱對連接節(jié)點的受力性能影響可忽略不計，在試驗中以剛度更大的地梁代替。此外，為簡化試驗加載裝置，不采用實際的防屈曲支撐，而是采用一臺傾斜安裝的力控的作動器模擬防屈曲支撐傳遞給連接節(jié)點的集中軸力。同時采用兩臺并聯(lián)的位移控制的作動器在梁跨中反彎點位置(在試驗中即為懸臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁產(chǎn)生變形。
共設(shè)計 5 個試驗體。其中 1 個為不含防曲支撐的純框架對比試件。另外 4 個分別采用圖 1 所示的兩種不同的連接節(jié)點形式，對每種連接形式又有調(diào)整和不調(diào)整梁端配筋兩種情況。梁凈高 1800mm，截面為450x275mm，配筋如圖 2 所示。防屈曲支撐傾角為 40 度，節(jié)點板與混凝土柱(在試驗中即為地梁)表面的間隙為 10mm。假想的防屈曲支撐極限承載力為 500kN。對于采用如圖 1(a)所示的預(yù)應(yīng)力鋼棒連接的試件，采用 6 根直徑 21mm 的高強鋼棒施加合計 1500kN 的預(yù)緊力。對于采用如圖 1(b)所示的預(yù)埋板連接的試件，預(yù)埋板上均勻設(shè)置兩面共 24 根直徑 16mm 名義屈服強度 235MPa 的栓釘。各個試件的混凝土圓柱體強度平均值約為 70MPa。
試驗采用擬靜力循環(huán)加載。層間位移角幅值從 1/400 逐漸增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加載兩圈，而在 1/100 和 1/50 下僅各加載 1 圈。在完成 1/50 的加載循環(huán)后，將試驗體沿正方向單調(diào)推覆，直到作動器行程用盡。最終各個試驗體對應(yīng)的最大層間位移角均超過 1/20�！緢D3】
3 試驗現(xiàn)象
限于篇幅，本文僅給出含有防屈曲支撐的試驗體在加載至 1/20 層間位移角時的破損情況，如圖 4 所示。
對于未調(diào)整梁端配筋(即未做損傷控制)的 2 號和 3 號試驗體，在正向加載下均在梁根部，即梁與柱相接處發(fā)生集中損傷，形成塑性鉸區(qū)。由于同時受到節(jié)點板傳遞的集中拉力和剪力的作用，這一區(qū)域損傷集中。
對于采用預(yù)應(yīng)力鋼棒連接的 2 號試驗體，節(jié)點板下方區(qū)域由于受到較大的預(yù)壓力，裂縫擴展受到抑制，損傷主要集中在預(yù)留縫隙對應(yīng)的狹窄的梁端內(nèi)。對于采用預(yù)埋板連接形式的 3 號試驗體，這一區(qū)域發(fā)生了非常嚴(yán)重的混凝土壓潰現(xiàn)象，并導(dǎo)致預(yù)埋節(jié)點板向柱側(cè)靠近并在較大的層間位移角下與柱表現(xiàn)發(fā)生擠壓。
相比之下，本文采用的調(diào)整配筋的損傷控制方式成功地將梁端塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點外側(cè)，即遠離梁柱節(jié)點處，如圖 4(c)(d)所示，而防屈曲支撐連接節(jié)點對應(yīng)的梁端的損傷則相對而言非常輕微，基本保持彈性。這有利于最大限度地保證連接節(jié)點的剛度和連接性能，減小因連接節(jié)點發(fā)生變形而減小防屈曲支撐的有效變形。【圖4】
4 結(jié)論
本文通過含有防屈曲支撐節(jié)點板的半跨懸臂鋼筋混凝土梁的擬靜力試驗，檢驗了采用非約束節(jié)點板進行連接的防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的局部受力和損傷特性，同時檢驗了通過調(diào)整配筋以轉(zhuǎn)移梁端損傷部位的局部損傷控制效果。試驗結(jié)果表明，采用局部損傷控制的非約束節(jié)點連接形式能夠達到預(yù)期的效果。
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