水平地震力作用下预制钢筋混凝土框架可靠性分析

李 江 燕

（郑州理工职业学院建筑工程学院，河南 郑州 451150）

0 引言

地震会给人们的生命财产安全带来极大的威胁。因此，在地震带的建筑中，结构的抗震能力和可靠性显得尤为重要。装配式建筑因其建造成本低、污染小等优点获得了广泛的应用，但其建造质量受到预制构件的影响较大，其中影响其抗震性能的构件为预制钢筋混凝土框架。水平地震力是一种存在于地震灾害中的作用力，会对建筑结构产生极大的破坏作用。在水平地震力作用下，预制钢筋混凝土框架结构的可靠性受到多重因素的影响，如结构特点、地震荷载、建筑物的地基状况等。为提升其抗震性能，本文对其框架结构进行分析，阐述框架结构的震害机理，以期从源头上减轻震害对建筑造成的威胁。

在实际建筑施工过程中，根据建筑结构变化及其用途制定出减小混凝土梁形变的方案，可在最大限度上保证建筑结构的稳定性[1]。在抗震设计规范中，应基于“小震不坏、中震能修、大震不倒”的原则完成建筑结构设计。在地震等大型灾害来临时，框架结构可能因为构件损伤而出现形变的情况，导致其难以继续使用[2]。应对其在水平地震力作用下的可靠性进行精准分析，以实现震后建筑结构正常状态的快速恢复。掌握水平地震力作用下装配式钢筋混凝土可靠性分析结果，有利于提高建筑结构的安全性[3]。基于此，本文开展水平地震力作用下预制钢筋混凝土框架可靠性分析。

1 试验材料性能分析

本次试验选用的框架结构体积较大，可使用同一批次的C20 强度钢筋混凝土进行浇筑。选用的水泥材料是普通的硅酸盐材料，选用的石子粒径为5 mm～16 mm，以实验室自来水拌制。混凝土浇筑时预留出2 个150 mm×150 mm×150 mm 的试件，并将其分别编为SJ-1 与SJ-2，浇筑完毕后的试件实物见图1。

图1 混凝土试件实物图

SJ-1 采用28 d 立方体混凝土强度加固，SJ-2不加固，加固步骤如下。

1）准备原试件：将需要加固的原试件表面清理干净，去除灰尘、松散物等杂质。

2）制作模板：根据加固方案和试件的尺寸，制作适当大小的木工模板，确保其能够完全包裹住试件，并留出足够的空间来浇筑混凝土。

3）固定模板：将制作好的木工模板固定在原试件的外部，确保其与原试件紧密接触、无明显缝隙。

4）加固混凝土浇筑：将准备好的28 d 立方体混凝土搅拌均匀并浇筑到模板中，使其填充整个模板，并使用器具将混凝土充实、振实，确保混凝土与原试件之间紧密贴合，无明显的空隙和孔洞[4]。

5）养护加固：在混凝土浇筑结束后，进行加固部分的养护。具体养护时间需要根据混凝土强度、养护方式和环境条件等因素进行定期检查，确保混凝土的强度、密实性和稳定性[5]。

6）拆除模板：在加固混凝土养护完毕且达到最终强度后，从模板中取出混凝土加固部分，并将木工模板拆卸下来。

由于试件并非标准框架结构，在本次试验中将抗压强度×系数（0.95），以保证试验的真实性。2 个试件的配合比见表1。

表1 混凝土配合比设置

按照表1 的混凝土配合比，通过利用纵筋、箍筋、角钢、箍板等材料，经过切割钢筋、弯曲钢筋、组装模板、组装钢筋、安装锚具、浇筑混凝土等步骤制作出标准钢筋混凝土伸拉试样。

在钢材表面贴上应变片，测量出钢材的弹性模量，并利用拉力测试仪器，分析钢材试样材料的力学性能[6]，钢材的力学参数见表2。

表2 框架中应用钢材的力学参数

由表2 可知，纵筋、Φ3 mm 箍筋、Φ4 mm 箍筋、角钢、箍板、钢套箍、约束钢管等钢材试样屈服强度、抗拉强度、弹性模量、延伸率等指标均在框架结构所需的要求范围内，可保证框架结构的稳定性。为了符合装配式结构的需求，本文使用胶黏剂对各个框架构件进行黏结，其步骤为：首先，清洁构件表面，去除油脂、灰尘、污垢等物质，以确保胶黏剂在两个表面之间完全传递并形成均匀的黏合。其次，根据框架构件所用材料的不同，选择适当的胶黏剂种类，例如聚氨酯、双组分环氧树脂等高强度胶黏剂，且需均匀涂抹胶黏剂。定位装配结构构件，并使用夹具或其他装置将其固定在一起，直到胶黏剂干燥。最后，待胶黏剂静置24 h 后，对黏结质量进行检测。胶黏剂具有足够的黏结强度，能够抵抗各个构件的黏结老化问题[7]。根据钢筋混凝土框架结构的抗震需求，本文将胶黏剂的抗拉强度设定为42.06 MPa，不挥发物的含量占99.3%，以保证框架结构的基本性能。

2 试验方法

本文对试件在水平地震力作用下的可靠性分析是在实验室进行的，采用液压伺服动作器进行水平加载，并且将该装置固定在实验室内的钢筋混凝土框架试件上，液压伺服动作器的最大出力约620 kN，最大位移为±200 mm。试验中利用框架梁结构与杆结构来传递装置施加的水平力[8]。侧向约束钢管用来约束框架结构的平面形变，4 根角钢组成的约束钢框架固定在立柱底端，并与SJ-1 或SJ-2 相连。选用直径为18 mm 的螺杆与角钢相连接，连接的部位作为SJ-1 或SJ-2 的中心，对约束框架结构的侧向约束刚度进行分析。本次试验选取框架水平位移、滞回性能、能量耗散、刚度退化等指标完成其可靠性分析[9]。为防止试验过程中数据丢失，本文在装置端头放置了传感装置，以掌握试验数据。在框架结构中，分别将8 个纵筋应变片贴在框架结构的柱上端与下端，框架梁的左、右两端各布置4 个应变片。通过DH3816 静态应变仪器，手动采集框架的应变数据，并将其与每个加载数据同步采集，保证采集数据的精准度。布置好相关仪器后，对框架结构在水平地震力作用下的荷载-位移情况进行分析，见图2。

图2 水平地震力作用下框架结构荷载-位移曲线

由图2 可知，在SJ-1 与SJ-2 中施加水平力，当水平力达到350 kN 时，均未发生明显变化。SJ-1 的水平位移在0～50 mm 之间变化，水平力在500 kN范围内变化；SJ-2 的水平位移在0～90 mm 范围内变化，水平力在0～400 kN 范围内变化。试验中，当施加的水平力达到400 kN 后，SJ-2 出现了梁顶界面微小开裂的现象。当施加的水平力＞450 kN 时，出现界面随向上/下位移角在梁顶或梁张开的现象[10]。当水平力＞500 kN 时，灌浆槽的边缘出现了小裂缝，裂缝宽度＜0.1 mm 时，此时界面随向上/下位移角在梁顶或梁张开，受到的压力增加。与SJ-2 不同，SJ-1在加载水平力＞400 kN 时，仅出现了梁顶界面微小开裂的现象。在相同条件下，对框架结构的荷载-位移骨架情况进行分析，见图3。

图3 水平地震力作用下框架结构荷载－位移骨架曲线

由图3 可知，SJ-1 在钢筋全部拉断的情况下，界面持续转动，受到压力的混凝土框架区域减小，框架结构的延伸微小，裂缝宽度基本保持不变，最大宽度保持在0.22 mm 左右，并不随着界面的张开或闭合而发生变化，此时荷载略有下降。当位移至0时，裂缝不可见。SJ-2 在钢筋全部拉断的条件下，仅依靠钢绞线的作用，框架结构的荷载出现上升，界面持续转动，受压区域高度增加，其裂缝也开始增加，裂缝宽度会随着界面的张开或闭合而变化。当位移至0 时，裂缝仍可看见。SJ-1 在水平位移中，水平力相对较低，框架的水平压力随之减小；在正向的水平位移中，水平力相对较高，能够将对框架结构施加的水平压力转变为推动力，以此来避免框架出现裂纹、坍塌等危害。SJ-2 在反向水平位移的水平力较高，正向水平力较低，不可避免地出现了侧向裂纹，影响其继续使用。SJ-1 与SJ-2 在骨架曲线中的屈服位移相差较小，表明试件的初始刚度基本相同，在水平位移与水平力的影响下，出现了屈服位移、屈服荷载变化差距增加的现象。SJ-2 受到钢筋的约束作用较弱，可能对试件的抗震性能产生一定程度的影响。框架结构的构件在水平荷载下的耗能情况是抗震性能分析的直观体现，SJ-1 与SJ-2在循环多次的荷载作用下，累积的单圈滞回耗能情况见图4。

图4 两试件累积耗能曲线

由图4 可知，SJ-1 的累积耗能始终高于SJ-2，并随着循环圈数增加而增加。SJ-2 在15 次循环往复时水平荷载累积耗能达到了60 kN/mm，该试件的控制位移较低，更容易在震害中出现滞回现象，从而影响试件对框架侧向约束能力。在SJ-1 中，梁端裂缝的分布范围较小，且其最大的裂缝宽度＜0.1 mm。随着位移角度的增加，梁端裂缝的宽度变化不明显，并且在完全卸载后裂缝变得不可见。而SJ-2扭转变形较大，试件的角钢边缘混凝土保护层出现了起皮现象，并在灌浆垫层出现70 mm 的水平裂缝，试件顶端与底端均存在不同程度的损伤，抗震性能不佳。可根据核心耗能段的极限应变来判断试件的极限应变，公式如下：

式（1）中：δc，t为试件的极限应变；εmc，mt为受压极限与受拉极限的轴向形变；Lk为支撑核心耗能段的长度，mm。计算出δc，t值之后，根据该值的变化情况，对试件刚度退化现象进行分析，见图5。

图5 两试件刚度退化曲线（%）

由图5 可知，SJ-2 因扭转变形显著而导致骨架曲线与SJ-1 存在明显差异，由此导致SJ-2 出现初始配重增加的现象，骨架曲线的偏差约5%，不利于试件的延性。受到初始扭矩的影响，试件退化刚度的差异在初始时已经十分明显。SJ-1 的位移角为-3.0%时，等效黏滞阻尼系数在5%左右；在位移角为0 时，等效黏滞阻尼系数趋近于0；在位移角为+3.0%时，等效黏滞阻尼系数在5%左右。由此可见，试件在位移角的-3.0%～+3.0%的范围内变化时，等效黏滞阻尼系数变化不大，表明试件具有良好的轻损伤特性。而SJ-2 的位移角为-3.0%时，等效黏滞阻尼系数在18%左右；在位移角为0 时，等效黏滞阻尼系数在5%左右；在位移角为+3.0%时，等效黏滞阻尼系数在10%左右。由此可见，试件在位移角-3.0%～+3.0%内变化时，等效黏滞阻尼系数变化较大，表明试件存在较大的损伤，抗震性能不佳。

3 试验结果

本文结合SJ-1 与SJ-2 的前后总累积耗能，反映2 个试件在水平地震力作用下的整体抗震性能。在其达到屈服点、峰值点、极限点等特征点之后，抗震耗能的滞回耗能越小，抗震性能越佳，两框架试件的抗震耗能指标见表3。

表3 在水平地震力下试件框架抗震耗能分析

由表3 可知，一般情况下，框架结构在同级位移下循环2 次消耗的能量基本相同，各个特征点对应的单圈滞回耗能达到的能量耗散越快，越不容易抵抗震害。SJ-1 的屈服点、峰值点、极限点的滞回耗能相对较低，框架结构的极限位移则显著减小，屈服荷载则有一定程度的提高，故该试件的单圈滞回耗能明显大于SJ-2。因此，加固后的框架结构，其抗震性能更佳，建筑结构的稳定性随之增加。框架结构的等效黏滞阻尼系数变化指标见表4。

表4 不同位移下框架等效黏滞阻尼系数变化分析

由表4 可知，在框架结构水平位移为20 mm时，SJ-1 的等效黏滞阻尼系数低于SJ-2；在框架结构水平位移为60 mm 时，SJ-2 的等效黏滞阻尼系数低于SJ-1。由此证明，在相同水平位移下，等效黏滞阻尼系数越低，钢筋强度等级对框架抗震影响越小，需要依靠后续框架结构的加固，才能保证结构的抗震效果。

4 结语

近年来，建筑结构面对地震灾害时表现出的缺乏延展性与耗能的问题，容易导致建筑结构受到灾害影响出现严重破坏。考虑到框架结构未进行竖向荷载抵抗设计，框架结构的滞回耗能相应增加，导致框架结构的抗剪能力降低，整体抗震性能不足。装配式结构能够相应更换减震构件，将各个构件现场浇筑，并装配在一起，框架结构的安全性得以保证，从而满足建筑结构的抗震需求。本文针对装配式建筑的钢筋混凝土框架结构，分析其在水平地震力作用下的可靠性，以试验的方式，分析结构耗能、阻尼系数等指标，结果表明，加固后的框架结构，抗震性能更佳，建筑结构的稳定性随之增加，对于建筑稳定建设具有重要作用。