加固用钢量对框架结构抗震性能的影响

陈 廉 汪训流

0 引言

建筑结构老龄化的发展、原有建筑使用功能的改变、抗震设防要求的提高以及灾变作用的影响等诸多因素,促使大量既有建筑不断产生各种安全隐患。据统计,我国现存的各种建筑物总面积在100亿m2以上,有一半以上投入使用已超过20年,需加固维修的建筑物约为25亿m2,其中绝大多数为混凝土结构[1]。有资料表明,建筑物加固改造比新建可节约投资约40%、缩短工期约50%、比收回投资的速度快 3倍～4倍[2]。因此,建筑结构加固改造已成为我国建筑业一个新的发展热点,与之相应的混凝土结构加固技术及方案的研发和应用也已成为结构工程的重点领域之一。粘钢加固是混凝土结构加固领域的一种典型加固方法,其对结构的自重影响不大,可应用于梁、柱、板的承载力加固。为方便材料采购、便于加固施工以及基于对加固计算不确定性的考量,实际工程中粘钢加固设计时往往会统一钢板规格并加大钢板用量,从而导致钢板用量的无谓增加,即实际用量远大于计算用量。针对这种现象,本文以一混凝土框架为例,对加固用钢量变化给予结构抗震性能的影响作了一些初步探讨。

1 粘钢加固方法

粘钢加固法,是指用专用粘结剂(粘钢胶)把钢板粘贴在混凝土构件的表面,形成一种“混凝土—胶—钢”三相复合体系,从而使钢板与混凝土协同工作的一种加固方法,可用于混凝土构件的抗弯和抗剪加固。主要特点是施工速度快、不影响结构外形,但钢板自重及刚度较大、施工较困难。基本施工工艺流程为:基层打磨→钻孔→植膨胀螺栓/化学锚栓→涂刷底胶(界面剂)→涂刷粘钢胶→粘贴钢板→固定膨胀螺栓/化学锚栓→喷涂防护涂料。

2 算例分析

本文采用已开发的三维杆系结构纤维模型程序NAM-PC/RC[3,4],对文献[6]算例的钢筋混凝土框架结构在五种不同加固用钢量下的抗震性能进行计算分析。

2.1 程序NAM-PC/RC

程序NAM-PC/RC是基于MSC.MARC开发的纤维模型程序,以空间梁单元建模,单元截面特性由纤维模型确定,已应用于复杂受力状态下钢筋混凝土(RC)及预应力混凝土(PC)杆系结构或构件的非线性计算分析[3,4],取得了良好的计算精度。

2.2 数值计算与结果

文献[6]算例为某8度区一栋3层钢筋混凝土框架办公楼因需要改做密集柜书库,二、三层楼面使用活荷载由2.0 kN/m2提高到12.0 kN/m2,经计算需对部分梁柱进行加固处理。梁柱尺寸及配筋、材料强度等级见文献[6]。采取五种加固用钢板用量对该框架进行粘钢加固,如表1所示,钢板均沿构件通长布置,并与构件同宽。其中,第一种加固用钢板用量按钢筋等强加固原则并结合相关规范要求得到。

表1 加固用钢量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用顶层位移加载对五种不同加固用钢量下框架的滞回性能进行了数值模拟,最大加载位移为框架总高度的1/75,可认为是对中震作用状态下结构受力性能的近似模拟。图1～图4为不同加固用钢量下结构基于顶层加载点的计算结果。其中,图1为滞回曲线的比较,图2为相对承载力的比较,图3为相对刚度的比较,图4为相对累计滞回耗能的比较。

先考察加固后结构的承载力和加载刚度。由图2可知,结构的承载力随加固用钢量的增大而增大,但增长幅度逐步减小,主要原因在于随着用钢量的增大结构被加固构件逐步进入超筋状态,超筋状态下混凝土构件的最终承载力取决于压区混凝土的强度、用量以及变形性能而非取决于拉区的用钢量。由图3可知,结构的加载刚度随加固用钢量的增大而基本呈线性增长,表明加固用钢量对于结构刚度的贡献与其用量基本成正比。

就耗能能力而言,图4比较了不同加固用钢量下的累计滞回耗能能力,由图4可知,耗能能力并不随用钢量呈增长关系却呈现出某种程度的递减趋势,表明进入超筋状态后的钢筋混凝土构件的耗能能力将受诸多因素的影响而并不主要依赖于用钢量。图中后续接近平直的曲线表明,中震作用状态下超筋结构的耗能能力主要取决于压区混凝土的材料及变形性能,当混凝土材料不变时,耗能能力将趋于一定值。

综合比较图3,图4可知,加固用钢量的增加带来了结构构件刚度的增大却导致了其耗能能力的降低,而地震中地震作用的分布往往与刚度相关。这一关系表明,增加的加固用钢量使得被加固构件吸引了更多的地震能量却不能完全依靠自身进行耗散而要借助相邻结构构件或非结构构件的损伤或毁坏来加以消耗,从而大大增加了地震破坏的不确定性和复杂性。

3 结语

通过对不同加固用钢量下框架滞回性能的数值模拟可见,加固用钢量的大小对结构的受力性能产生较大影响。其中,承载力、加载刚度随着用钢量的增大而增大,且加载刚度基本随加固用钢量成线性增长;而随着超筋状态的不断推进,被加固结构或构件的耗能能力却随着用钢量的增大而减小并很快趋于定值。地震中,刚度增加所带来的更多地震能量则因被加固构件自身耗能能力的降低而不得不依靠相邻结构构件或非结构构件的损伤甚至毁坏来加以消耗,这导致了地震破坏的不确定性和复杂性,不利于结构的抗震设计。特别是现阶段结构加固设计中,尚无有效方法和手段对加固后结构进行全面合理的抗震验算,这就更加导致了刚度无谓增加所带来的结构安全隐患的隐蔽性。因此,结构加固设计中应严格控制加固用钢量,尽量避免用钢量的无谓增加。

[1]张益多,刘荣桂.混凝土结构加固技术研究及应用综述[J].江苏大学学报(自然科学版),2003,24(6):91-94.

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