对震后损伤框架结构刚度退化问题的研究

曹 聪 吴海英 曹海军

随着近年来世界各地频发的地震灾害,对于地震中受损建筑的破坏形态的研究和加固方法的研究以及对抗震措施的研究也越来越多,对震后损伤结构构件刚度退化的研究是其中之一。刚度退化是指在荷载长期作用下,受压混凝土将发生徐变,即荷载不增加而变形却随时间增长;在配筋率不高的构件中,由于裂缝间受拉混凝土的应力松弛以及混凝土和钢筋的徐变滑移,使受拉混凝土不断退出工作,因而受拉钢筋平均应变和平均应力亦将随时间而增大;同时,由于裂缝不断向上发展,使其内力臂减小,也将引起钢筋应变和应力的某些增大;以上这些情况都会导致曲率增大、刚度降低。此外,由于受拉区和受压区混凝土的收缩不一致,使梁发生翘曲,亦将导致曲率的增大和刚度的降低,就叫做刚度退化。刚度退化对建筑物的可靠性和安全性有很重要的影响,同时对于分析建筑物的受损情况和确定加固方法及加固量也有重要意义。现通过对一层一跨的平面框架体系进行低周往复加载水平力的试验来讨论刚度退化的情况。

1 试验概述

钢筋混凝土框架是建筑结构中的重要受力结构,框架柱是主要的受力构件,不仅承担竖向荷载,而且承担由地震作用引起的水平剪力。所以在刚度退化的分析中主要考虑柱的刚度退化。试件为一层一跨的平面框架体系,混凝土强度等级采用 C20商品混凝土,纵筋采用 HRB 335级螺纹钢,箍筋采用 HPB 235级钢,构件中柱截面尺寸为 (180×180×1700)mm,横梁截面尺寸为(150×250×2400)mm,基础梁尺寸为(300×300×3400)mm,试件结构形式如图 1所示,试件各构件的配筋如图 2,图 3所示。注:图 2梁与柱均为对称配筋,且左右两根柱子的配筋也完全对称。

实测混凝土的固有力学性能指标如表 1所示,其应力—应变关系见图 4。

表1 混凝土的力学性能指标

试验中用到的钢筋的力学性能指标见表 2。

表2 钢筋的力学性能指标

为了模拟实际框架柱的受力状态,对构件施加一定的轴向压力,其轴压比为0.3,试验过程采用美国 MTS公司生产的电液伺服液压系统进行数据采集,正式加载前进行预加载,正式加载时,屈服前采用力控制加载,屈服后采用位移控制加载,以试件屈服位移为极差进行加载。

2 主要试验数据及分析

反复荷载作用下柱的滞回曲线如图 5所示。图6为反复加载时试件的骨架曲线。

钢筋混凝土框架在试验中量测的滞回曲线的形状可以分析构件或结构的抗震滞回特性。钢筋在屈服以前,构件上虽然已经出现了裂缝和混凝土的塑性应变,但总变形不大,加载曲线的斜率变化小,卸载后的残余应变也小,正反向卸载各一次所构成的滞回环不明显。构件的受拉钢筋屈服以后,荷载继续地往复作用,混凝土受拉裂缝不断地开展和延伸,钢筋的拉应变和混凝土的压应变逐渐地积累增大,总变形持续地增大,而承载力变化不大。此时,试件的正反向加、卸载曲线呈现下列一些特点:

加载曲线——每一次加载过程中,曲线的斜率随荷载的增大而减小,且减小的程度在加快;比较各次同向加载曲线,后次比前次的斜率逐渐减小,说明了反复荷载下构件的刚度退化。数次反复荷载以后,加载曲线上出现了拐点(见图 5中的K,E两点),形成了捏拢现象,而且捏拢现象逐次增大。

卸载曲线——刚开始卸载时曲线陡峭,恢复变形很小。荷载减小后曲线趋向平缓,恢复变形逐渐加快,即所谓的恢复变形滞后现象。曲线的斜率随反复加卸载次数而减小,表明了结构卸载刚度的退化。全部卸载后,构件留有残余变形(见图 5中的 J,D两点),其值随反复加卸载次数不断地积累增大。

3 试件的刚度退化情况及计算

我们知道在地震过程中,随着地震能量的输入,结构抗侧力体系不断开裂,刚度下降,结构变柔,结构的自振周期增大,其受力性能将发生变化:一方面是结构体系吸收的地震能量将随之减少,使得结构安全系数增大;另一方面是结构的抗侧能力亦将随之减小。

4 结语

目前对于损伤结构构件的加固计算多是根据强度来确定加固量,但对加固构件的刚度计算方法的研究却很少,本文仅在理论上对刚度的退化进行分析,要在实际工程中得到运用还需进一步的研究。

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