单侧面加固钢筋混凝土框架梁抗震性能研究

刘春阳，付　静

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.中国核电工程有限公司，北京100840）

单侧面加固钢筋混凝土框架梁抗震性能研究

刘春阳1，付静2

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南250101；2.中国核电工程有限公司，北京100840）

采用单侧面不对称方式增加补强截面对钢筋混凝土框架梁进行抗震加固，可提高既有钢筋混凝土框架梁的抗震性能。文章设计了4个单侧面加固梁试件，即1个原梁和新梁整体现浇试件，1个植筋方式连接试件和2个螺栓紧固方式连接且新梁采用有粘结预应力试件，并进行了低周反复加载试验，采用了预应力加固梁先预后紧和先紧后预两种连接方式研究了新增截面中预应力筋张拉及与原梁拼接先后顺序的不同对试件抗震性能的影响，在试验的基础上，对比分析了加固梁的破坏特征、滞回曲线特性、承载力、延性和强度退化特征。结果表明：加固梁均为弯曲破坏具有良好的抗震性能且新增截面施加预应力后残余变形约降低40%左右，植筋方式得到的加固梁试件整体变形能力优于螺栓紧固连接试件，二者延性系数最大相差31%。

侧面加固；框架梁；连接方式；拟静力试验；抗震性能

0　引言

钢筋混凝土造建筑物在工程建设中有着广泛的应用。地震的发生造成了建筑物的损伤，降低了结构安全工作的可靠性。应当采用适当的抗震加固方法对其进行加固补强，这是提高其抗震性能的有效方法。黄建锋等通过拟静力试验对比研究了已震损及未损框架采用增大截面法加固后的抗震性能，采用增大截面法进行合理和可靠的加固，可较大程度的提高结构的承载力、延性以及耗能能力，该方法是一种有效的抗震加固方法，可以满足规范三水准抗震设防要求［1］。卢亦焱等结合对钢管混凝土力学性能和自密实混凝土高流动性特性研究的基础上，提出了外套钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的新型复合加固方法，并通过试验对11个加固钢筋混凝土圆形截面短柱试件和9个加固钢筋混凝土中长圆柱试件的轴压性能进行了研究。试验结果表明，复合加固试件的强度和变形能力均优于未加固钢筋混凝土试件，且随着含钢率和自密实混凝土强度的提高，加固试件强度亦随之提高［2-3］。卢亦焱等通过偏压试验对4根外套钢管自密实混凝土加固RC方形截面柱的破坏形态和强度进行了研究，并在试验研究基础上采用ABAQUS有限元分析软件对偏压试验全过程进行了数值模拟［4］。卢亦焱等提出CFRP—圆钢管自密实混凝土加固钢筋混凝土柱的加固方法，通过试验研究了利用该方法加固后的RC方形截面短柱的轴压性能［5］。

纤维增强复合材料（FRP）具有轻质、高强等优点，在结构加固中得到广泛应用。Balsamo和Duong等通过试验对采用FRP进行加固后的RC框架抗震性能进行了研究。结果表明，框架加固后的承载力、延性明显提高，具有良好的抗震性能［6-8］。周长东等通过轴压试验研究了25个采用环向预应力纤维布加固混凝土圆形截面短柱的轴压性能。结果表明，环向预应力纤维布加固试件的轴压承载力和延性均显著提高［9］.林于东等采用U型钢板箍对普通钢筋混凝土梁和部分预应力混凝土梁进行了加固，并研究了加固梁试件的抗剪性能，采用U型钢板箍进行加固的梁试件斜截面受剪承载力得到提高［10］。以上研究主要是在构件截面四周采用围套方法增加截面尺寸和配筋以及粘贴纤维布和钢板的方式来改善和提高加固结构的强度和变形性能。陶忠等采用隔震技术对某8层混凝土现浇框架进行加固，并进行了有限元分析，采用隔震技术后，该建筑抗震性能满足现行规范要求［11］。潘鹏等通过在某6层框架结构地城柱顶设置橡胶支座，将该建筑底层改造为隔震层，有效的提高了该建筑的抗震性能［12］。有关学者通过在结构外侧增设框架的方法来提高结构抗震性能。新增设框架与既有结构间通过楼板进行连接，一方面新增设结构可与既有结构共同工作抵抗地震作用，另一方面也可减少加固施工过程对建筑物内部空间的过多影响［13-16］。

文章通过植筋或高强度螺栓紧固拼接等方式将新增梁截面施工于既有框架梁的某一侧面，对其进行抗震加固。为了研究单侧面加固梁的抗震性能，文章进行了4个试件的抗震性能试验研究。

1　加载破坏试验

1.1试件设计

试验共设计4个试件，试件编号及设计参数见表1。试件均由框架梁（后文简称原梁）和新增加固截面（后文简称新梁）组成。原梁、新梁箍筋均采用直径6 mm的HPB300级钢筋，间距为80 mm。试件截面尺寸及配筋情况如图1所示。

试件B-1原梁和新梁钢筋笼同时绑扎且混凝土一次性完成浇筑，用以和其他试件对比。试件BS -1首先制作原梁部分并于原梁侧面设置连接用锚固钢筋，直径为12 mm的钢筋伸入原梁内的长度为80 mm，在1倍梁高范围内以100 mm间距对称布置三排，梁长剩余区段内以100 mm间距折线形布置，新梁钢筋笼绑扎就位后再浇筑混凝土完成制作。试件BPS-1、BPS-2制作时新梁、原梁分别制作并通过高强螺栓进行拼接，螺栓孔道施工时预留并贯穿整个加固梁截面，螺栓沿梁长布置方式同试件BS-1锚固钢筋，新梁采用有粘结预应力混凝土，于新梁截面形心处布置1根直径为15.2 mm钢绞线并，达到张拉控制应力（0.75 fptk）后立即于波纹管孔道中进行灌浆，新梁与底座之间的缝隙采用环氧砂浆灌缝。混凝土、钢筋及砂浆的力学性能实测值见表2和3，其中，先预后紧为先张拉预应力筋后螺栓预紧连接，先紧后预为先螺栓预紧连接后张拉预应力筋。

图1　试件截面尺寸及配筋图/mm

表1　试件设计参数

表2　钢筋材料力学性能

表3　混凝土、砂浆力学性能

1.2试验加载方式

试件屈服前采用力控制加载，每级荷载循环一次，屈服后采用位移控制，每级位移循环3次。当荷载下降到峰值荷载的75%时停止加载。用IMP数据采集系统采集水平加载力和加载点处位移，并用其绘制滞回曲线，而试件的裂缝由人工测绘完成。试验加载装置示意图，如图2所示。

图2　加载装置图

2　试件破坏特征

各试件原梁、新梁最终破坏状态，如图3、4所示。各试件破坏特征具有以下特征：

（1）试件B-1加载初期出现水平细小裂缝，加载后期在梁端一倍梁高范围内出现数条宽度较大的水平裂缝和一条主斜裂缝，梁端混凝土破坏并局部脱落，最终呈弯曲为主的破坏形态。

（2）试件BS-1裂缝数量相对较少，加载时首先出现几条接近水平的细小裂缝，进而发展成为斜裂缝；加载后期，新梁侧面出现贯通的水平裂缝，宽度较大并能见内部钢筋，梁端混凝土压碎脱落，主筋外露，破坏程度比试件B-1严重，最终呈弯曲为主的破坏形态。

（3）试件BPS-1、BPS-2加载初期亦出现细小的水平裂缝，侧面高强螺栓周围出现斜裂缝但裂缝发展缓慢没有形成主裂缝；加载后期，原梁侧面裂缝数量明显多于新梁，且其端部混凝土压碎剥落并伴有钢筋断裂现象发生，新梁端部灌缝环氧砂浆被压扁，侧面也有混凝土掉落，最终呈弯曲为主的破坏形态。

整个加载过程，原梁与新梁结合面连接可靠，未出现滑移分离的现象，新、旧部分能够协调变形共同工作。

图3　各试件原梁破坏状态图

图4　各试件新梁破坏状态图

3　试验结果与分析

3.1滞回曲线分析

图5为各试件荷载（P）—位移（Δ）滞回曲线。试件B-1加载位移达到20 mm时达到试验记录的峰值荷载。在其后的加载过程中，承载力下降趋势平缓滞回环呈纺锤型。试件BS-1加载位移达到45 mm时达到试验记录的峰值荷载。试件BPS-1加载位移达到28 mm时达到试验记录的峰值荷载。试件BPS-2加载位移达到34 mm时达到试验记录的峰值荷载。试件BPS-2正、反向加载滞回环形状有较大差异，主要是由于原梁、新梁首先采用高强螺栓拼装连接而后施加预应力，在加固梁截面产生较大偏心作用，加载后期原梁一侧角部钢筋断裂所致。与试件B-1相比，其余试件实测峰值荷载接近，峰值点过后承载力下降趋势明显但滞回环整体仍呈纺锤型；试件BPS-1和试件BPS-2残余变形小，约降低40%左右，变形恢复能力增强。总体来看，各试件以弯曲破坏形式为主，滞回环均比较饱满，中部捏拢轻，抗震耗能能力强。

3.2承载力分析

表4为各试件屈服荷载、峰值荷载实测值。水平加载时，推力对应的位移和荷载为正，拉力对应的位移和荷载为负。其中，Pu、Py分别为试件峰值荷载和屈服荷载，Pu/Py称为强屈比。

由表4可见，正向加载时各试件峰值荷载比较接近且试件BS-1的峰值荷载略高于其他三个试件；反向加载时各试件峰值荷载值略高于正向加载时的峰值荷载，这是由于反向加载时受压区混凝土破坏程度较轻。试件BS-1、BPS-1、BPS-2的强屈比高于试件B-1，表明试件从屈服到极限过程较长，有良好的承载力安全储备，有利于抗震。

3.3延性分析

表5为各试件位移及延性系数实测值。其中，Δy为Py对应的屈服位移；Δu为极限位移，取荷载下降至峰值荷载的75%时所对应的位移，延性系数μ=Δu/Δy。

图5　各试件荷载—位移关系滞回曲线图

表4　各试件屈服荷载、峰值荷载实测值

由表5可见，正向加载时，试件B-1延性系数与植筋锚固试件BS-1接近；反向加载时，试件B-1延性系数比植筋锚固试件BS-1低21%，表明侧面植筋加固方式的试件整体性强，新梁与原梁共同工作能力强。各加固试件正向加载时延性系数接近，反向加载时植筋锚固试件BS-1延性系数高出预应力加固试件BPS-1、BPS-2分别为5%和 31%，这主要是由于新梁截面中预应力的施加对梁整体截面产生侧向弯矩，加载过程中随着梁端部混凝土的破坏程度的加剧，加载方向的弯矩和该侧向弯矩共同工作的条件下，使得原梁截面角部钢筋发生断裂，从而导致试件延性降低。同为预应力加固试件，先紧后预试件BPS-2的延性系数最小，这主要是由于该试件新梁截面中施加的预应力会在整个梁截面中分配，提高了整个梁截面的预压应力水平，使得试件延性系数降低。试验结果表明，加固梁具有较好的弹塑性变形能力。

3.4强度退化分析

强度退化常采用强度退化系数来表征。图6为各试件强度退化系数与梁端加载位移角关系曲线。图中强度退化系数为某次加载循环记录的峰值荷载与试件峰值荷载的比值。由图6可见，各试件强度退化规律较为一致，初期上升，中期平缓，后期下降。相同位移角的情况下，先预后紧与先紧后预加固梁的强度退化较快。这主要是由于加载后期预应力梁根部全部裂开，仅存预应力筋与底座连接并发挥承载功能，且预压力在截面产生的偏心作用加剧了原梁侧的破坏程度从而使得试件的承载能力快速降低。

表5　位移及延性系数试验值

图6　强度退化曲线图

4　结论

通过上述研究分析，得到以下结论：

（1）单侧面加固梁以弯曲破坏形态为主抗震性能优良。新增加固截面施加预应力后可提高截面压应力水平降低结构的残余变形，总体来看预应力加固梁的残余变形约降低40%左右，变形恢复能力强。但由于预应力产生的偏心作用导致加载后期原梁一侧纵筋断裂，加固梁强度退化趋势加剧。

（2）植筋、先紧后预、先预后紧连接方式得到的加固梁峰值承载力与整体现浇加固梁峰值承载力接近，加固效果明显。植筋方式加固梁的变形能力优于先预后紧、先紧后预方式加固梁，延性系数分别高出5%和31%。

（3）原梁与新梁界面没有发生明显的滑移脱离共同工作效果良好，植筋锚固、先预后紧、先紧后预的加固方式均可应用于实际加固工程中。

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Seismic performance study on reinforced concrete frame beam strengthened by single side beam section

Liu Chunyang1，Fu Jing2

（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China）

The existing reinforced concrete frame beam could be retrofitted by adding new RC section only on one lateral side.The low cycle reversed loading experiment is launched on four specimens to study the seismic performance of the retrofitted beam.One specimen is that the original beam and the new beam is overall cast-in-situ，one specimen is that the new beam is connected to the original beam by the anchorage steel bars，two specimens are that the new beam is connected to the original beam by the high strength bolts and the new beam is also prestressed.Two connection type is further considered for the prestressed specimen to study the influence rule of different order of bolt-tightening and the process of prestressed loading to the seismic performance.Based on the test，the failure mode，characteristic of the hysteretic curves，bearing capacity，ductility，strength degradation is studied.Test results show that the failure mode of all specimen is flexural failure and the retrofitted beam has good seismic performance，the residual deformation is reduced by degree of 40%for the existence of prestress，the deformation capacity of planting bar sepcimen is superior to the high strength bolts connection specimen and the deference of ductility between them is 31%.Experiment results would provide good references for practical retrofit engineering.

single side retrofit；frame beam；connection style；quasi-static test；seismic behavior

TU375

A

1673-7644（2016）04-0336-06

2016-06-02

山东省自然科学基金项目（ZR2015EQ017）；住房与城乡建设部科技项目计划项目（2014-K2-027）；山东省住房和城乡建设厅科技项目计划项目（KY023）；山东省高等学校青年骨干教师国内访问学者资助项目（20141208）

刘春阳（1980-），男，讲师，博士，主要从事工程抗震加固等方面的研究.E-mail：liucy2011@sdjzu.edu.cn