BRBs加固震损PC框架结构抗震性能试验

　　摘要：为了研究防屈曲支撑加固震损破坏程度在中等以内的装配式混凝土框架结构的抗震性能和支撑的滞回耗能，设计并完成了一榀1/2比例装配式混凝土框架结构的拟静力预损试验;采用防屈曲支撑对震损结构进行加固，并对加固后的结构再次进行拟静力试验。观察和记录了加固前后试件的试验现象和破坏特征，对结构的承载能力、延性系数、耗能能力等进行了对比分析。试验结果表明：加固后，结构的承载力提高了51.3%、耗能增加1.68倍，延性系数恢复到结构初始延性的88%，结构承载能力和耗能能力得到显著提升，延性系数得到较好恢复;拟静力加载下，防屈曲支撑加固的震损结构破坏模式为支撑梁铰破坏模式。震损的装配式混凝土框架结构仍具有改造价值，采用防屈曲支撑对震损装配式混凝土框架结构进行加固的方法是有效的。

　　关键词：土木工程;震损PC框架结构;拟静力试验;破坏模式;防屈曲支撑

　　0引言

　　装配式混凝土(PrecastConcrete，PC)结构是指主要构件通过工厂预制后，经过现场拼装而成的建筑结构，具有施工速度快、节能环保等优点。PC结构作为装配式建筑最主要的结构形式之一，正在得到全面推广。在地震作用下，PC框架结构难免会出现不同程度的损坏，为使震损PC框架结构能够尽快恢复使用、减少地震造成的经济损失，对震损PC框架结构的加固方式进行研究是十分必要的。

　　混凝土论文：论土木工程建筑中混凝土结构的施工技术

　　防屈曲支撑(Buckling-RestrainedBraces，简称BRBs)作为一种性质优良的耗能减震构件，在工程中得到了广泛的应用[1]。框架中增设防屈曲支撑，地震作用时，支撑较主体框架先进入屈服，耗散大量地震能，保护关键构件不受地震的破坏[2-5];震后，通过更换受损的防屈曲支撑，使结构得到修复。近年来，有不少关于BRBs加固框架结构的抗震性能研究。

　　例如，欧阳煜等[6]利用ANSYS软件对BRBs加固的钢筋混凝土(ReinforcedConcrete，简称RC)框架结构进行了反应谱及地震波时程的抗震效果对比分析，发现在小震作用下,BRBs处于弹性状态,为结构提供抗侧刚度;在中震作用下,BRBs逐渐进入非线性状态,作为结构第一道防线消耗地震能量。王静峰等[7]采用BRBs对完好PC框架结构进行加固，低周反复荷载试验结果表明：BRBs可以有效地提高PC框架的延性及耗能能力，改善其失效模式。

　　乔金丽等[8]发现用BRBs加固的RC框架结构滞回曲线更加饱满，有更好的抗侧移能力，能有效控制节点区域的裂缝发展。王婷等[9]提出了BRBs加固震损RC框架结构的方法，发现BRBs能减小梁柱及节点处钢筋的受力，防止在节点处发生剪切破坏。可知，关于BRBs加固框架结构的研究，主要集中在既有完好结构及新建结构的研究[10-12]，并有少量关于BRBs加固震损RC框架结构的研究。目前，缺乏BRBs加固震损PC框架的抗震性能及破坏模式研究。

　　基于此，本文提出了采用BRBs加固震损PC框架结构的方法。设计并完成一榀单层单跨PC框架结构的拟静力预损试验，经BRBs加固后再次进行拟静力试验，研究加固前后PC框架结构的抗震性能、BRBs的耗能能力，论证BRBs加固震损破坏程度在中等以内的PC框架结构的可行性。

　　1拟静力试验概况

　　1.1试件设计

　　依据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ 1-2014)[13]设计并制作了一榀1/2比例的PC框架子结构模型。层高=1.5m，跨度=3m，柱轴压比为0.3，考虑到楼板对实际试件的加载会产生影响，框架中增设楼板，板厚60mm，宽度700mm，纵向受力钢筋为直径6mm的HPB300，钢筋间距220mm。

　　框架梁截面尺寸为150mm×200mm，框架柱截面尺寸为200mm×200mm。防屈曲支撑设计采用一种基于性能的设计方法，该方法考虑了结构的能量平衡与塑性设计，其预先确定了结构目标位移角，从而得到目标位移角下结构的设计基底剪力，最后计算出震损PC框架中防屈曲支撑所需横截面积。防屈曲支撑采用人字形布置。

　　1.2试件制作及安装

　　PC框架结构的主要制作工序包括钢筋制作、设置预埋件及连接板位置、支模板及混凝土浇筑、二次浇注、混凝土养护等步骤。根据《装配式混凝土结构技术规程》(JGJ1-2014)设置了深为15mm、宽为50mm的键槽;在试件的叠合处、预制柱顶部设了粗糙面。 加固震损PC框架时，为了能够初步恢复结构的整体工作性能，采用C45细石混凝土替换破损混凝土;支撑与框架则采用焊接的连接形式，通过框架—预埋件—连接板—防屈曲支撑的焊接顺序使框架和支撑完成组合。

　　1.3材料力学性能

　　同等环境下浇水养护28d的C30商品混凝土及C45细石混凝土的立方体试块实测抗压强度平均值分别为34.2MPa(预制)、34.1MPa(现浇)与48.0MPa(细石)。钢筋的力学性能如表2所示。

　　1.4加载与量测方案

　　首先，进行PC结构的拟静力预损试验;然后，采用BRBs对震损破坏程度在中等以内的结构进行加固;加固完成后，对结构再次进行加载与量测方案相同的拟静力试验。加固前后的PC框架结构分别编号为PC1与PC2。

　　1.4.1加载方案框架分为L、R两块区域，(靠近水平千斤顶的一侧为R区域，另一侧为L区域，PC1框架和PC2框架区域划分相同)。加载工况以MTS伺服系统的水平向千斤顶的侧向值来进行描述，当水平向千斤顶沿R→L方向推，侧移值为正，沿L→R方向拉，侧移值为负。

　　2拟静力试验现象

　　2.1PC1框架试验现象描述

　　加载到+3mm时，R区域的框架柱底部出现裂缝，裂缝宽度为0.02mm。继续加载至±10mm，此时梁处的纵筋屈服，柱的钢筋未屈服。加载工况为+15mm第二圈时，柱的部分开始屈服。加载至侧移超过±30mm时，此时已经达到大震塑性位移角限值，梁端的混凝土出现较大剥落现象。柱底角裂缝宽度加大，宽度约3.80mm，出现轻微混凝土剥落。加载至±45mm，此时框架梁、框架柱混凝土破坏较大。试验停止加载时L区梁端的混凝土已经整片掉落，R区柱角的也剥落了较大一圈，整体梁端塑性铰区的破坏程度大于柱底角。

　　2.2PC2框架试验现象描述

　　加载至+3mm时，支撑达到屈服状态;加载工况为+10mm，R区框架柱预埋件上端处的混凝土出现裂缝，宽度为0.20mm;加载至+15mm时，部分框架梁的钢筋开始屈服，柱的钢筋还未屈服;加载至-20mm，L区域柱边缘表面出现混凝土掉落，柱背面形成多条交叉裂缝。R区梁底沿跨中新增裂缝，楼板面出现贯穿裂缝;加载至±25mm时，柱的钢筋达到屈服;加载至+25mm第三圈时，防屈曲支撑BRB-R处突然发出砰的声响，BRB-R被拉断，支撑失效;加载至+30mm时，支撑BRB-L处发出砰的声响。

　　随后断裂，所以到工况±30mm时，L、R区域的两根支撑全部被拉断，而连接板与焊缝依旧完好，此时柱端开始出现剥落现象，随着柱端剥落现象加剧，梁底部混凝土开始剥落;加载至+40mm出现柱预埋件处有较多的混凝土剥落，主要分布在预埋件交接处的正面和背面区域，而柱底角混凝土未出现较大破坏现象。加载至+45mm时，梁端的底部已经发生了较大混凝土剥落;加载至±50mm，整体框架破坏严重，试件荷载已经达到最大荷载值的85%以下，试验停止。

　　3拟静力试验数据分析

　　3.1两榀框架抗震性能分析

　　3.1.1滞回曲线

　　两榀框架整体滞回曲线图。可以看出：PC2框架结构的滞回曲线初始斜率较PC1试件陡峭，说明增设BRBs能提高结构的承载能力;加固后震损PC框架结构的总耗能提升了1.68倍，承载力也大幅度提升;在支撑破坏之前，PC2框架的滞回曲线较PC1框架饱满，未出现捏缩现象。在支撑工作阶段内，PC2框架滞回曲线对称性良好，说明防屈曲支撑在受压或者受拉下能够有较好的受力性能。支撑破坏后，PC2框架的滞回曲线开始捏缩，并且水平承载力开始下降。

　　3.1.2骨架曲线两榀框架的骨架曲线。

　　可以发现：PC1框架的承载力分别为336.35kN与-324.97kN，PC2框架的承载力分别为508.34kN与-410.18kN，加固后震损PC框架的承载力分别增长51.3%与26.2%。加载前期，试件的承载力与位移相差不大。加固后试件的骨架曲线斜率较高，有较高的抗侧刚度。

　　随着位移的增加，PC1框架结构的骨架曲线斜率逐渐降低，抗侧刚度缓慢减小，承载力稳定增加;而震损PC框架结构经BRBs加固后，骨架曲线斜率变化较快，抗侧刚度降低也较快，承载力出现明显增长。加载后期，PC1框架结构的骨架曲线趋于稳定。而经BRBs加固后的PC2试件随着支撑的退出工作，试件承载力出现显著的下降段。

　　3.1.2防屈曲支撑所提供的耗能

　　计算防屈曲支撑和PC2框架在每个加载工况下的第一圈滞回曲线所围成的面积。以滞回曲线所围成的面积表示各自的总耗能值。列出了防屈曲支撑和PC2框架二者的详细耗能值和支撑耗能比例关系。对防屈曲支撑的作用主要分为以下阶段讨论：

　　(1)防屈曲支撑尚未屈服前，主要增强震损PC框架的抗侧刚度与承载力。在支撑屈服阶段(层间位移角1/500~1/200)：支撑的耗能量较主体PC框架来的多，在层间位移角1/300时，支撑的耗能比例达到最大值为68%。由于支撑开始屈服，耗能以支撑为主，其充当主要耗能构件。

　　(2)框架屈服阶段(位移角1/150~1/100)：该阶段PC框架部分梁、柱钢筋开始屈服，整体耗能以主体PC框架为主，从中可得支撑耗能比例开始下降，此阶段由主体框架成为主要耗能构件，支撑充当次要耗能构件。

　　(3)支撑轴力最大阶段(层间位移角1/75~1/50)：在该阶段，防屈曲支撑轴力逐渐达到最大值，支撑耗能比例有所上升，在层间位移角1/50(工况30mm)时达到52%，表明后期支撑与框架同时充当耗能构件。

　　3.3破坏模式对比

　　混凝土结构中，试件的破坏模式包括梁铰模式、柱铰模式以及梁柱铰混合模式，根据试验现象分析并对比震损PC框架加固前后的破坏模式。PC1框架的的破坏模式：框架梁筋屈服后，梁端及跨中梁开展多条裂缝。随着加载的进行，梁端通过塑性铰的转动进一步耗能，而柱端塑性铰区出现较晚。在竖向荷载的持续加载下，柱筋屈服后，柱脚裂缝沿柱中发育，混凝土开始产生破坏。

　　此时，结构将柱端塑性铰区作为基点绕着柱根部做刚体转动，整体结构依靠柱的转动耗能增强。因此，PC1框架的破坏模式满足典型的梁铰模式。PC2框架的破坏顺序为：支撑进入屈服→梁端出现塑性铰→梁铰转动耗散能量→柱底端出现塑性铰→柱铰出现上升趋势→支撑失效→梁铰处混凝土破坏严重→柱铰移动到预埋件上端→该处形成新柱铰且混凝土破坏严重→整体框架破坏严重。因此，PC2框架的破坏模式遵循：BRBs-梁-柱的破坏顺序。

　　4结论

　　本文完成了PC框架的预损试验，接着采用BRBs对震损破坏程度在中等以内的PC框架进行加固，并对加固后的PC框架再次进行拟静力试验，对比分析加固前后框架的抗震性能、破坏模式，研究了BRBs的滞回耗能，从而得到以下结论：

　　(1)对比滞回曲线，震损PC框架经支撑加固后，承载力增长51.3%，总耗能提升1.68倍，表明支撑能显著提高结构的承载力与耗能能力;在位移延性上，加固后PC框架恢复到结构初始延性的88%;在耗能比ψ值上，震损PC框架增长了16%。可见，震损PC框架经BRBs加固后，抗震性能得到大幅度提升，加固效果明显。

　　(2)在不同加载阶段，经过BRBs加固的震损PC框架的耗能能力得到了不同程度的提升。支撑的作用可概述为：当位移角1/1500至1/200间，支撑充当主要耗能构件;当位移角1/150至1/100间，PC框架作为主要耗能构件，支撑起到辅助耗能作用;当位移角1/75至1/50间，两者共同耗能。

　　(3)对比震损PC框架加固前后的屈服顺序与破坏模式：加固前，PC框架的屈服顺序为框架梁-框架柱，破坏模式为典型的梁铰模式，破坏模式合理;加固后，PC框架的屈服顺序为支撑-框架梁-框架柱，破坏模式为支撑梁铰模式。

　　参考文献

　　[1]高向宇,杜海燕,张慧,等.国标Q235热轧钢材防屈曲支撑抗震性能试验研究[J].建筑结构,2008,38(3):91-95.GaoXiang-yu,DUHai-yan,ZhangHui,etal.Experimentalstudyonseismicperformanceofbuckling-restrainedbracemadeofhot-rolledsteelinmainlandChina[J].BuildingStructure,2008,38(3):91-95.

　　[2]YiQ,FrancescaB,EdoardoMM,etal.Full-scalehybridtestforrealisticverificationofaseismicupgradingtechniqueofRCframesbyBRBs[J].EarthquakeEngineeringandStructuralDynamics,2020,49(14):1452-1472.

　　[3]QUZ,KishikiS,SakataH,etal.SubassemblagecyclicloadingtestofRCframewithbucklingrestrainedbracesinzigzagconfiguration[J].EarthquakeEngineering&StructuralDynamics,2013,42(7):1087-1102.

　　作者：陈伟宏1，陈艳2，洪秋榕1，崔双双2，颜学渊1

转载请注明来自发表学术论文网：http://www.fbxslw.com/jzlw/28687.html