粘钢加固钢筋混凝土框架中节点抗震性能分析

1、粘钢加固钢筋混凝土框架中节点抗震性能分析杨雪1,任小艳21. 辽宁工程技术大学,辽宁阜新(3000722. 舞阳钢铁公司,河南舞钢(462500摘要:本文通过对低周期反复荷载下3个粘钢加固框架中节点进行试验,分析了其破坏模式与受力性能,明确该类节点的滞回曲线特征,得到其延性系数和等效粘滞阻尼比系数,并建立了该类节点的抗剪承载力计算公式。关键词:粘钢加固;框架中节点;有限元分析;延性与耗能能力;抗剪承载力1 前言自上世纪六十年代以来,钢筋混凝土结构迅速发展。钢筋混凝土建筑物经受强烈地震作用后,往往会出现不同形式的破坏,引起各国的高度重视。专家学者进行了大量的试验研究和分析,并提出了钢筋混凝土框架

2、结构的抗震设计理论与计算方法12345678910。在我国抗震规范中概括为“强柱弱梁刚结点”,即当梁内受拉钢筋屈服首先进入塑性状态时,柱筋还没有屈服。也就是说柱还处于弹塑性状态,而节点则处于弹性阶段,可见规范对于节点的要求是很高的。正因为如此,按我国规范设计抗震等级较高的框架结构中,节点核心区往往需要配置很多的横向箍筋才能满足抗震要求。自上世纪六十年代以来,国内外对现浇框架节点的抗震性能相继开展了大量的研究1234,逐步探索了如何改善节点强度和延性11,并且对节点抗震能力的计算方法也提出了许多设计建议。研究成果很多,也基本成熟1213现在,人们的研究主要集中在异形框架节点14,和钢管混凝土新型

3、(装配式或整体式节点的研究14151617 。历次的地震表明钢筋混凝土框架的破坏主要集中在节点。根据震害现象和试验结果,节点破坏形式可分为以下四种:梁端受弯破坏、柱端受弯破坏、锚固破坏和节点核心区剪切破坏。近年来已有学者对节点的加固进行了研究,取得了阶段性的成果。目前,对于节点的加固主要集中增大柱截面加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等三种方法。本文主要针对用粘钢加固钢筋混凝土框架中节点,研究其抗震性能,并给出节点的抗剪公式。2试件试验2.1 试件的尺寸及配筋本试验的试件尺寸是参考中高层框架结构节点的实际设计情况而制作的,力求使试验的设计对象能与实际相符。试件设计成比例为1:1的足尺试件,其高度

4、接近于层高,上下柱的支承端接近于反弯点的位置,梁的臂长基本取1/3跨长处,加荷位置基本位于梁反弯点处。试验构件的尺寸及配筋情况图如图1。 图1试件配筋图 (单位:mm Fig.1 Reinforcement of specimens(unit:mm图2 粘钢加固的方法图 (单位:mmFig.2 Glue the method picture that the steelstrengthens(unit:mm 2.2 测点布置和加载方式为了了解粘钢加固框架节点的效果和研究加固后框架节点的抗震性能,在试件上作如图所示的测点布置。利用试验架将柱的下端铰接固定,梁的两端用铰支座限制其竖向位移,允许其水

5、平位移,在柱的上端用申克试验机施加水平反复荷载,同时用油压千斤顶在柱顶施加固定的轴向荷载. 当试件安装就位后,先施加柱顶轴向荷载到预定值(各试件的轴压比均为0. 5 ,并在试验过程中保持这个值不变,然后由申克试验机逐级施加水平反复荷载,加载频率为0. 005 Hz. 在梁主筋屈服之前,采用力控制,梁主筋屈服之后采用位移控制. 采用柱端加载的最大优点在于可以考虑P - 效应对节点抗震性能的影响,完全模拟实际情况。 钢筋应变片布置图混凝土应变片布置图图3 测点布置(单位:mmFig.3 Arrangement of gauges (unit:mm 图4 加载方式图Fig.4 Load the wa

6、y picture3 抗震性能分析几个试件的滞回曲线对比可以看出,钢筋混凝土框架节点滞回曲线的共同特点是从最初加载时耗能能力较好的梭形很快过渡到耗能能力最差的倒S 形,并且捏拢现象严重,这种情况与节点区的钢筋粘结滑移、混凝土的剪切变形以及混凝土的裂面效应分不开。加固后试件滞回曲线的捏拢现象和零滑移现象都比没有加固的试件有改善,滞回环更加饱满,滞回曲线的形状也有改善.在研究柱端荷载- 位移滞回曲线的基础上,对试件的以下几个性质进行对比分析以评价碳纤维对节点核心区抗震加固效果的优劣。3.1骨架曲线本文将滞回曲线第一循环的回载顶点连接成为包络线,将各个试件的包络线都画在图6 中. 从图中可以看出,加

7、固后节点的强度和延性都显著提高。 图5 柱端荷载位移滞回曲线Fig.5 Load-displacement lrysteresis loop of column 4 设计计算公式的提出为了方便加固设计,并使之与规范成为一致的我体系,下面将参照国设计规范的要求,提出粘钢加固框架边节点的承载力验算公式。外包钢筋混凝土框架节点的受力情况基本和现浇节点的相同见图3。根据外包钢筋混凝土节点的实验情况分析,节点的内外混凝土均开裂至破坏,混凝土处于非弹性受力状态,钢筋的应力处于弹性状态,基本接近屈服。按弹性受力分析(图7。 图6 外包钢筋混凝土框架节点受力图Fig.6 Wrap up the node of

8、 the reinforced concrete frame outside and is tried hard 5 框架节点抗剪承载力的设计公式为了与现浇节点的规范公式相一致,对于用增大截面外包加固的节点受剪承载力设计公式可以在规范150119公式的基础上作适当修正,取:21c c V V V += (1式中- 原结构承载力,可按GB50010-2002混凝土结构设计规范取,即:1c V j V (+=011s b svj y j j t j RE c a h s A f h b f V (2-加固构件截面组合系数,根据新旧部分浇筑结合面的具体可靠程度可取0.185.0=-组合系数1.1=。

9、混凝土耐久性降低系数,取,0.17.0可根据混凝土使用年限和现场腐蚀程度和现场检测结果取0.8-1.1.(+=00021.11s b svj y j j h h t RE c a h s A f h b h b f V (3 00,h h h b - 节点水平截面加固后的宽度和高度;j j h b ,- 节点水平截面加固前的宽度和高度;t f - 加固部分棍凝土的抗拉强度;- 劝口固部分混凝土降低系数,可根据实验结果取0.8-0.98;其余系数规定同规范。6 结论1、 节点经粘钢加固后,破坏形式由核心区剪切脆性破坏过渡为粱端塑性铰延性破坏,耗能能力和延性都得到显著改善,抗震性能明显优与加固前的

10、节点,破坏时节点达到足够的延性,并且未发生突然卸载的现象。经粘钢加固的试件的各项性能都达到并超过了规范要求,因此这种加固方式适用于抗震加固;2、 采用粘钢加固的钢筋混凝土框架边节点,屈服荷载和极限承载力都明显提高;3、 从滞回曲线的捏拢和零滑移程度的改善上可以看出,粘钢加固节点构件对节点的极限承载力只有少量提高,但其限制了核心区混凝土的剪切变形,在同等荷载作用下,节点的层间位移减少,刚度有所提高,构件的抗震能力也有所提高参考文献1 Muhammad A.Mukaddam, Majib B.Kasti, "Reinforced concrete Joints under Cyclic

11、Loading" J Jour. ASCE, 1986, Apr.2 T. Pauly, A critique of the Special Provisions for Seismic Design of the Building Code requirements for Reinforced Concrete" J Jour.ACI, 1986, Mar -Apr.3. T. Ueda, I. Lin, N. M. Hawkins" Beam Bar Anchorage in Exterior ColumnBeam Connections" J Jo