预应力钢带加固RC框架节点抗震性能试验研究

杨 勇1,陈 展1,王念念1,张 波1,2

(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西,西安 710055;2.陕西理工大学土木工程与建筑学院,陕西,汉中 723000)

摘 要:在对现有节点加固技术分析研究的基础上,该文提出预应力钢带加固RC梁柱节点技术。为验证预应力钢带加固技术的有效性,对4个预应力钢带加固试件和1个未加固试件在水平低周反复荷载作用下的抗震性能进行了试验研究。研究节点核心区钢带间距、邻近核心区的梁端钢带间距和预应力钢带加固位置对加固后节点抗震性能的影响,并对各试件的破坏形态、滞回性能、耗能和延性性能等抗震性能指标进行分析。试验结果表明:预应力钢带能有效抑制节点核心区裂缝的开展,减小节点核心区的剪切变形,提高节点核心区抗剪承载能力,实现破坏位置和破坏形态的改变,加固试件的破坏形态由未加固试件的梁端弯曲-节点剪切破坏变为梁端弯曲破坏,加固后试件的承载力、耗能、延性和刚度退化等抗震性能指标均有明显提高。

关键词:预应力钢带;梁柱节点;加固;抗震性能;试验研究

RC框架结构是我国建筑工程中应用最多的一种结构形式,而近年来国内外的历次震害调查结果表明,钢筋混凝土框架结构在强烈地震作用下发生破坏或倒塌,主要是因为框架节点的剪切破坏引起的[1]。所谓“框架节点”,主要是指框架梁与框架柱相交的节点核心区与邻近核心区的梁端和柱端,其在框架结构中起着传递和分配内力、保证结构整体性的作用[2]。因此,采取相应措施对抗震性能不足的框架节点进行加固是十分必要的。

目前,国内外学者对框架节点的不同加固方式进行了大量的试验研究。吴文达等[3]对不同界面处理的自密实混凝土加固节点的抗震性能进行了试验研究。结果表明,不同界面处理方法均能使自密实混凝土与旧混凝土之间具有较好的协同工作性能,凿毛法与刻槽法相结合或凿毛法与植筋法相结合的加固方式效果更好。翁大根等[4]对使用外包钢板加固的4个足尺RC框架节点进行了拟静力试验研究。结果表明,外包钢板厚度对于震损节点加固试件的强度和位移影响较大。曹忠民等[5-7]对采用高强钢绞线网-聚合物砂浆面层加固的梁-板-柱框架节点进行了较多的试验研究。研究发现,加固后试件的承载力、延性和耗能性能均有较大提高。

Amirn等[8]对增大节点区截面面积的梁柱节点进行了试验研究。结果表明,对节点核心区通过增大截面进行加固后,节点的承载力、延性和耗能性能得到了较大的提高。Shan[9]、Li[10]、Lee[11]等对采用FRP加固的RC框架节点进行了抗震性能的试验研究。结果表明,外包FRP加固可有效提高节点的受剪承载力和延性。

上述传统加固技术在对各种RC结构进行加固时,对于所加固RC构件中旧有混凝土自身的主动约束作用不明显,属于被动加固技术范畴,加固效果具有一定局限性,而且现有传统加固技术总体上存在加固施工复杂、成本较高,对于量大面广的RC框架结构大量加固修复具有较大局限性。

因此,为保证框架结构在遭受地震作用时具有良好的抗震性能,从根本上提高钢筋混凝土框架结构的抗震性能。结合本课题组前期对预应力钢带加固钢筋混凝土梁和柱的试验研究[12-15],课题组提出了一种新的框架节点加固技术—预应力钢带加固技术,对此加固技术进行试验研究具有重要意义。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

本试验采用的梁柱节点选取于常规多层多跨框架结构在侧向荷载作用下相邻梁柱反弯点之间的典型单元,缩尺比例1∶1.2。试验时共设计并制作了5个几何尺寸和配筋完全相同的试件。试件柱截面尺寸为 350 mm×350 mm,梁截面尺寸为250 mm×400 mm,试件的几何尺寸和配筋如图 1所示。

图1 节点几何尺寸和配筋
Fig.1 Geometric and stirrup details of joint

为了体现加固效果,各试件均按“强柱弱梁弱节点”原则进行设计。试件混凝土设计强度等级C25,柱设计轴压比为n=0.3。试件J-Q-1为未加固试件,试件PSJ-Q-1、PSJ-Q-2、PSJ-Q-3和PSJ-Q-4均为采用预应力钢带进行加固的试件,其中预应力钢带加固范围为节点核心区及临近核心区 400 mm范围内的梁端和柱端,试件具体参数如表1所示。

1.2 材料力学性能

试件采用商品混凝土进行浇筑,实测混凝土立方体平均抗压强度为33.3 MPa。梁柱纵筋和梁柱箍筋采用HRB400级,节点核心区箍筋采用HPB300级。钢带为ULT-980-带式钢带。钢筋和钢带的实测力学性能分别如表2和表3所示。

表1 试件参数
Table 1 Parameters of specimens

表2 钢筋力学性能
Table 2 Mechanical properties of steel bars

表3 钢带力学性能
Table 3 Mechanical properties of steel strips

1.3 加固工艺

浇筑混凝土之前,为方便后期预应力钢带加固过程的施工,使钢带和试件表面能够紧密贴合,采用 PVC管对所有试件的节点核心区及邻近核心区的梁端和柱端分别进行倒角,倒角半径均为50 mm;在靠近节点核心区的梁端预埋矩形截面钢管来预留孔洞,并通过在钢管的四面包裹白色泡沫膜以方便钢管取出,具体形式如图2。

图2 准备阶段
Fig.2 Preparation Phase

在加固之前,首先利用打磨机对各试件与钢带相接触的部位打磨至平整光滑,以保证钢带和混凝土表面可以充分接触,从而提高加固效果;然后根据试件的截面尺寸裁剪钢带,同时将钢带的一端穿入闭式锁扣,并将钢带弯折以固定闭式锁扣。

准备阶段完成后,开始加固过程,将裁剪好的钢带沿待加固区域进行缠绕,然后利用拉紧器拉紧钢带,并同时利用锁扣机咬紧闭式锁扣进行锚固,具体加固过程如图 3。预应力钢带加固过程施工完成后,使用流动性较高的建筑结构胶对孔洞进行密封。

图3 钢带加固过程示意
Fig.3 Schematic diagram of strengthening with steel strips

1.4 加载装置与加载制度

试验于西安建筑科技大学结构与抗震教育部重点实验室进行,试验过程中对柱顶施加恒定轴力,对柱端施加水平力。并通过在柱顶竖向千斤顶上部安装低摩阻滑动小车,使千斤顶在水平加载时可以与柱顶同步移动,以模拟框架柱的P-Δ效应。竖向千斤顶顶端球铰和柱底连接装置允许柱顶和柱底发生转动,节点两侧梁端均通过上下设有轴承的拉杆与底部压梁进行连接,形成可以水平移动的铰接连杆支座,试验加载装置如图4所示。

试验中采用液压千斤顶在柱顶施加竖向荷载N=918.75 kN,并在加载过程中保持不变。柱顶通过专用连接件与 MTS电液伺服作动器连接,并采用 MTS电液伺服加载系统对柱顶施加水平低周反复荷载,试验过程中采用位移加载制度,屈服前每级位移循环1次,试件屈服后每级位移循环3次,具体加载制度如图5所示。当试件的水平荷载下降至峰值荷载的85%时,认为试件破坏,结束加载。

1.5 量测方案与量测内容

图4 试验加载装置
Fig.4 Test setup

图5 加载制度
Fig.5 Loading system

各位移计及钢筋应变测点的布置如图6所示。试验中采用电阻应变片量测试件节点核心区和邻近核心区的梁柱端钢筋应变,布置形式如图6(a)所示。在柱侧面设置多个位移计量测试件的侧向位移,其中采用电子位移计量测试件底部支座处位移,采用高精度激光位移计量测试件柱顶位移,并通过计算两者差值得到柱顶实际位移,同时在两侧梁端设置水平和竖向电子位移计以量测梁端水平和竖向位移,具体布置如图6(b)所示。

试验中为了量测节点核心区的剪切变形,在节点核心区沿对角线方向设置2个电子拉线位移计进行测量,量测装置如图7(a)所示。通过拉线位移计分别得到节点核心区沿对角线方向1δ+2δ3δ+4δ的变化量,按图7(b)所示计算简图得到节点核心区的平均剪切变形γ

图6 测点布置
Fig.6 Layout of measuring points

图7 节点核心区剪切变形量测装置
Fig.7 Measuring device of joint region shear deformation

2 试验现象及破坏模式

2.1 未加固试件

J-Q-1为未加固试件。在第二个循环加载过程中,当柱顶水平位移为6 mm时,左右梁侧面开始出现细微竖向弯曲裂缝;继续加载至柱顶位移为18 mm时,节点核心区角部和中部出现斜向裂缝,同时荷载位移曲线上出现明显拐点,且左右梁的纵向钢筋应变也以达到屈服,则认为试件屈服。试件屈服之后,每级位移开始循环3次,随着柱顶位移的不断增大,节点核心区和梁端裂缝数量不断增多,当柱顶位移达到30 mm时,节点核心区“X”形交叉斜向裂缝发展已经较为明显,梁侧面形成多条贯通竖向裂缝。当柱顶位移为40 mm时,节点核心区和左右梁端裂缝宽度明显加宽,且节点核心区箍筋达到屈服,同时左右梁残余变形加大,梁纵向钢筋开始出现明显滑移。此后,随着柱顶位移的不断增加,节点核心区斜向裂缝不断增加,形成了明显的网状交叉斜向裂缝,且裂缝发展主要集中在节点核心区和左右梁根部,节点核心区表面、节点核心区角部和左右梁根部不断有混凝土脱落。从破坏现象来看,未加固试件的变形主要集中在节点核心区和左右梁端,最终的破坏形态为梁端弯曲-节点剪切破坏,破坏形式如图8(a)。

2.2 加固试件

PSJ-Q-1为预应力钢带加固试件。在第一个循环加载过程中,当柱顶水平位移为3 mm时,左侧梁端出现第一条细微竖向裂缝;随着柱顶位移增加至18 mm,节点核心区角部出现细微斜向裂缝,左右梁侧面原有竖向裂缝逐渐发展为斜裂缝;继续加载至柱顶位移为21 mm时,在节点核心区内部相邻预应力钢带之间的混凝土表面可见斜向剪切裂缝,左右梁纵向钢筋应变达到屈服应变,且荷载位移曲线上出现明显拐点,则认为试件屈服。试件屈服之后,当位移继续增加至30 mm时,左右梁根部弯曲裂缝发展较为明显,且梁侧面竖向裂缝不断增多、增长、加宽,节点核心区混凝土表面继续产生新的斜向裂缝,与原有裂缝形成“X”形交叉网状裂缝,同时节点核心区钢带不断发出嗞嗞声,并且应变明显增大。当柱顶位移为40 mm时,左右梁端竖向裂缝继续发展,且宽度明显增加,残余变形明显,纵筋滑移严重,梁根部竖向裂缝宽度接近 2 mm,节点核心区基本不再产生新的斜向裂缝,且原有斜向裂缝宽度无明显增加。当柱顶位移增加至 50 mm时,左右梁侧面裂缝基本不再出新,但左右梁根部裂缝宽度明显变宽,且钢带应变继续增大。当柱顶位移达到70 mm时,左右梁根部受压区混凝土逐渐开始脱落。到达极限状态时,左右梁根部弯曲裂缝发展充分,宽度接近 7 mm,且受压区混凝土脱落严重,而节点核心区由于预应力钢带的约束作用,“X”形斜向裂缝的数量、宽度明显小于未加固试件。加固后试件的破坏形态为梁端弯曲破坏,破坏形式如图8(b)。

试件PSJ-Q-2、PSJ-Q-3和PSJ-Q-4的宏观试验现象与试件PSJ-Q-1基本一致。加固试件由于预应力钢带的环向约束作用,使得加固后节点的抗剪承载能力得到提高,破坏时节点核心区的裂缝数量明显降低,宽度明显减小,箍筋应变显著降低。试件的最终破坏形态分别如图8(c)、图8(d)和图8(e)。

图8 试件破坏形态
Fig.8 Failure pattern of specimens

3 试验结果及分析

3.1 承载能力和延性

通过“能量等效法”确定各试件的屈服点,屈服点对应的坐标即为试件的屈服荷载Py和屈服位移Δy[2]的极限荷载Pu定义为0.85Pmax,对应的柱顶位移定义为极限位移ΔuPmax为峰值荷载,相应的柱顶位移为峰值位移Δmax。将试件破坏时的柱顶水平位移Δu与与试件屈服时的柱顶水平位移Δy的比值定义为延性系数,即µ=Δu/Δy,用以反应构件屈服后的变形能力。

各试件的承载力和延性系数见表 4。试验结果表明,使用预应力钢带加固后,四个加固试件的屈服荷载和峰值荷载均得到了提高,屈服荷载最大提高了33.34%,峰值荷载最大提高了13.7%;相比于未加固试件,预应力钢带加固后各试件的位移延性系数都有提高明显,说明预应力钢带加固后可以有效提高试件的延性。对比预应力钢带加固试件PSJ-Q-2和PSJ-Q-4可知,预应力钢带加固位置对于试件承载力影响并不显著,但相比于试件PSJ-Q-4,试件PSJ-Q-2位移延性系数提高更大,表明对节点核心区及临近核心区的梁柱端同时进行加固具有更好的加固效果。

表4 主要试验结果
Table 4 Main test results

3.2 滞回曲线和骨架曲线

图9给出了5个试件的柱端水平荷载-位移滞回曲线。通过对各滞回曲线进行分析可以得到:

由图中可以看出,采用预应力钢带加固后节点的极限承载力均得到了较大提高,但由于加固后试件均发生梁端弯曲破坏,其极限承载力均由梁的抗弯承载力决定,故加固后各试件的极限承载力相差不多;试验加载初期,试件基本处于弹性阶段,试件总体变形很小,加载时滞回曲线斜率也未发生明显变化,柱顶 21 m位移加载前,各试件的滞回曲线基本重合;所有试件的滞回曲线均呈现出一定的捏缩现象,但相对于未加固试件,预应力钢带加固后各试件节点核心区剪切变形明显变小,加固后各试件滞回曲线的捏缩现象得到了明显改善,滞回曲线更加饱满,表明加固后各试件耗能性能得到有效提高。

各试件的水平荷载-位移骨架曲线见图 10,从中可以得出:预应力钢带加固后试件的屈服荷载和极限承载力较未加固试件均有提高,节点核心区和梁端钢带的间距越小提高幅度越大;各试件在轴力保持恒定和水平低周反复荷载作用下均经历了屈服、极限和破坏3个阶段;5个试件在屈服前骨架曲线基本重合,表明各个试件的初始刚度相差不大;预应力钢带加固试件的骨架曲线在加载后期下降幅度降低,表现出较好的塑性性能,表明加固后各试件的耗能性能得到提高。

图9 试件滞回曲线
Fig.9 Hysteretic curves of specimens

图10 试件骨架曲线
Fig.10 Skeleton curves of specimens

3.3 节点核心区剪切变形和箍筋应变分析

由图7(b)可得在水平剪力作用下节点核心区的剪切变形γ为:

式中,bh分别为节点核心区的宽度和高度。沿对角线的变形量1δ+2δ3δ+4δ用电子拉线位移计实测得到。各试件节点核心区的最大剪切变形γ见表5。

表5 最大剪切变形
Table 5 Maximum shear deformation

图11中分别给出了各试件节点核心区S-3位置处箍筋的水平荷载-应变滞回曲线。

从表5和图11可以看出,相较于未加固试件,加固试件由于预应力钢带的环向约束作用,使得加固后各试件节点核心区的最大剪切变形值均有降低,最大降幅为45.90%,且节点核心区箍筋应变也显著降低,加固后试件的节点核心区箍筋应变均未达到屈服应变;通过钢带加固试件 PSJ-Q-1和PSJ-Q-2的最大剪切变形值和箍筋的荷载-应变滞回曲线可以得出,在梁柱端钢带间距和层数不变的情况下,节点核心区的剪切变形和箍筋应变随着核心区钢带间距的减小而降低;由试件 PSJ-Q-2和PSJ-Q-3的最大剪切变形值和箍筋的荷载-应变滞回曲线对比可以得出,相对于未加固试件,加固试件在节点核心区和柱端的钢带间距和层数不变的情况下,随着梁端钢带间距减小,梁端混凝土受到的约束作用增强,开裂后更不易发生脱落,可以分担部分压应力,从而使得梁受压区纵向钢筋受到的压应力减小,传入节点核心区的剪力随之降低,节点核心区的剪切变形和箍筋应变也随之降低。

图11 节点箍筋S-3荷载-应变滞回曲线
Fig.11 Hysteretic curves of load-strain in joint stirrup S-3

3.4 耗能性能

所有试件在加载后期不同位移下3次循环加载过程中第一次加载时的耗能值详见表 6。为了合理评判各试件的耗能能力,同时给出了加载后期不同位移下第一次加载时滞回曲线的等效粘滞阻尼系数he[16]he可反映滞回曲线的捏缩情况。

表6 不同位移下耗能
Table 6 Energy dissipation at different displacement

各试件在各位移幅值下的等效粘滞阻尼系数he与柱顶水平位移关系曲线如图12所示。由表6和图12可得:试件的耗能值与破坏形态相对应,预应力钢带加固后试件在各级位移下的耗能值和总耗能值较未加固试件均有明显提高,梁柱端钢带间距和层数相同时,节点核心区钢带间距对试件耗能影响不大;节点核心区和柱端钢带间距和层数不变时,随着梁端钢带间距减小,试件的总耗能值逐渐提高;相对于仅加固节点核心区和柱端,对节点核心区及临近核心区的梁柱端同时进行加固试件的总耗能更高;相对于未加固试件,预应力钢带加固试件在各位移阶段下的等效粘滞阻尼系数均有较大提高,说明加固试件滞回曲线的捏缩现象均有改善,试件的耗能性能得到提高。

图12 等效粘滞阻尼系数
Fig.12 Equivalent viscous damping ratios

3.5 刚度退化

在位移幅值不变的情况下,结构构件的刚度随着反复加载次数的增加而降低的特性为刚度退化,一般采用环线刚度Ki来表示。在相同位移下环线刚度的表达式为:

即每级位移控制下三次循环的峰值荷载之和与位移之和的比值[17]。试件的环线刚度随柱顶水平位移的变化情况如图13。其中荷载和位移取推和拉加载过程中荷载和位移的平均值。

图13 刚度退化曲线
Fig.13 Stiffness degradation curves

由图 13可以看出:随着柱顶水平位移的逐渐增大,各试件的环线刚度均出现了一定程度的退化,未加固试件J-Q-1的环线刚度曲线一直下降较快,而加固试件环线刚度曲线在加载后期下降逐渐平缓,这表明预应力钢带加固可以降低结构环线刚度的衰减,使得加固试件在较大的变形下仍可以保持较为稳定的承载力,从而提高试件的延性。预应力钢带加固可以在一定程度上提高试件的刚度,但提高幅度较小。

4 结论

本文提出一种新的RC框架节点加固技术-预应力钢带加固技术,并通过4个预应力钢带加固RC框架节点的抗震性能试验,证明了该加固技术的可行性,得到结论如下:

(1)预应力钢带加固技术可有效提高节点核心区的抗剪承载力,加固后节点核心区的剪切变形和箍筋应变显著降低,所有加固试件最终均发生梁端弯曲破坏;

(2)加固后试件的初始刚度并未发生明显变化,但加固试件的屈服承载力、极限承载力、延性、耗能和刚度退化较未加固试件均有明显提高;

(3)预应力钢带加固RC框架节点的荷载-位移滞回曲线接近梭形,捏缩现象明显改善,与未加固试件相比显得大而饱满,表明加固后的RC框架节点抗震性能得到明显提高;

(4)节点核心区预应力钢带的约束作用可以直接提高核心区的抗剪承载力,梁端的预应力钢带可以约束梁端混凝土的变形,降低梁纵向钢筋应力,从而减小传入核心区的剪力,间接提高节点核心区的抗剪承载力。

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EXPERIMENTAL STUDY ON ASEISMIC BEHAVIOR OF RC BEAM-COLUMN JOINTS STRENGTHENED WITH PRESTRESSED STEEL STRIPS

YANG Yong1,CHEN Zhan1,WANG Nian-nian1,ZHANG Bo1,2
(1.School of Civil Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Shaanxi,Xi’an 710055,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Shaanxi University of Technology,Shaanxi,Hanzhong 723000,China)

Abstract:A new method for retrofitting the RC beam-to-column joints with prestressed steel strips was proposed,based on the analysis and navigation of existing retrofitting methods.The experimental study on 4 specimens retrofitted with prestressed steel strips and 1 specimen without retrofit were performed to investigate their aseismic performance.All of the specimens were tested under cyclic-reserve loading to verify and validate the effect of the retrofitted method with prestressed steel strips.The influence of steel strips space in the retrofitted joint core region and in the adjacent region,and of reinforcement layout on the aseismic performance of strengthened joints were studied.The final failure mode,hysteretic behavior,energy dissipation capacity,and ductility of specimens were analyzed by the experiment study.It is found that the specimens strengthened with prestressed steel strips behaved higher shear resistance because the prestressed steel strips effectively restrain the development of cracks in the joint core area and reduce the shear deformation of the joint core area.As a result,the failure mode of specimens changed from the combination of flexural failure of beams and shear failure of joints to the flexural failure of beams.The aseismic performance index of specimens such as bearing capacity,energy dissipation capacity,ductility and stiffness degradation have improved greatly.

Key words:prestressed steel strips; beam-to-column joints; retrofitting; aseismic performance; experimental study

张 波(1976―),男,陕西人,副教授,博士,从事工程结构抗震与加固研究(E-mail: zhangyc_2005@126.com).

王念念(1993―),男,安徽人,硕士生,从事工程结构抗震与加固研究(E-mail: 757310770@qq.com);

杨 勇(1976―),男,江西人,教授,工学博士,博导,从事钢-混凝土组合结构、工程结构抗震与加固研究(E-mail: yyhhp2004 @163.com);

作者简介:

通讯作者:陈 展(1993―),男,陕西人,硕士生,从事工程结构抗震与加固研究(E-mail: 15091832276@163.com).

基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0701400);西安市科技计划项目(CXY1432(5))

收稿日期:2017-07-18;修改日期:2017-12-26

文章编号:1000-4750(2018)11-0106-09

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.07.0555

文献标志码:A

中图分类号:TU375.4