加层改造结构节点部位受力性能试验研究

任焕娇 曹福生 赵梦飞 李昊 李仙俄 梁皖鄂

（1.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

0 引言

在城市的快速发展中，越来越多的老旧建筑物已不能很好地满足人们工作和生活的需要。拆除重建不仅周期长、造价高，所产生的建筑垃圾对生态环境也存在着较大的污染，对周边建筑物和交通的影响也是不可避免的。城市更新行动是国家“十四五”规划中重要的工程项目，在此行动中强调了坚持绿色低碳发展。加层改造不仅能够实现城市的更新，促进城市的发展，还能全面贯彻绿色发展方针。

目前已有国内外学者对加层改造结构进行了研究与探索[1]，但是以往的研究主要聚焦于加层改造后整体结构的静力与动力性能分析，多以承重构件的竖向承载力为设计依据，少有对加层节点部位的受力性能展开专门的研究。在工程改造过程中，由于缺少必要的理论支持与技术支撑[2]，加层改造工程事故频发。

基于此，本文重点分析加层改造结构节点部位的受力性能，揭示节点部位在水平和竖向荷载共同作用下的破坏机理，为我国在此类工程安全建造方面提供理论依据和技术参考[3]。

1 试验概况

1.1 试件设计

本试验模型按照1∶3 缩尺设计制作，混凝土柱截面尺寸为200mm×200mm，柱高为300mm，两端通过梁延伸固定，以便开展节点变化情况的探究，内部植入4根半径为5mm 的锚栓，通过植筋胶与两端固定。上部焊接H 型钢柱，高度为700mm，截面尺寸为100mm×80mm×12mm×14mm，混凝土强度等级采用C30，H 型钢柱采用Q235B钢，梁的纵向钢筋均采用直径为12mm的HRB400 型，柱的竖向钢筋均采用直径为14mm 的HRB400型，梁柱箍筋均采用HPB300，具体模型设计及尺寸见图1。

图1 试件配筋图

1.2 试件制作

通过阅读相关的文献参考[4]，学习植筋技术的关键所在，采用圆管包裹钢筋后进行整体浇筑，待养护完毕后去除圆管，清理内壁打磨光滑后进行植筋，待植筋部分稳定后，利用C50 无收缩混凝土进行找平将植筋锚杆开丝与上部H 型钢底座相连，拧紧螺栓使连接处无空隙，保证试验准确性。

1.3 加载方案

试件的制作与养护均在北方民族大学结构力学试验室进行，加载装置采用MTS液压作动器，分别对竖向加载轴压比为0.3的柱端荷载，水平方向通过MTS液压作动器在柱端通过夹具连接，通过施加水平往复位移的方式模拟地震作用，位移加载方式见图2 所示。试验整个过程均在作动器正常工作范围内，加载位移以作动器压力为正，拉力为负，每次增长位移为5mm，待达到钢筋屈服或混凝土结构明显破坏时，停止加载。

图2 试验加载制度

1.4 试验内容

主要测试对象为梁柱节点，包括混凝土的柱顶位移（通过位移计测量）、植筋部分的钢筋应变，以及核心区域钢筋与箍筋部分的应变。

2 试验结果及分析

2.1 试验现象

在往复荷载作用下，试件上裂缝的变化情况见表1，裂缝开展变化情况见图3。在整个加载过程中，上部H 型钢变形较小，连接部位的螺栓未出现分离现象，H型钢焊接部位未出现开焊现象，夹具及固定端约束状态良好。

表1 试件裂缝变化情况

图3 不同加载步骤裂缝开展变化图

2.2 柱端位移分析

通过图4 分析可知，随着水平往复位移的加载，柱两端的位移变化情况开始时几乎成对称变化，受力状态良好；随着水平往复位移的加大，柱端位移向柱右端开始倾斜，其倾斜变化情况较为明显，倾斜阶段恰好为柱右端混凝土产生破坏阶段，此时可判定为结构遭受破坏，结构不宜再继续承受荷载，停止加载。

图4 柱端位移变化图

2.3 植筋部分的钢筋应变

对于加层改造结构而言，植筋部分的钢筋受力情况尤为重要，植筋部分的施工工艺、锚固程度均会影响上部加层结构。由图5分析可知，随着水平往复位移的加载，植筋钢筋受力变化情况较为敏感，加载至25～30mm时，植筋钢筋的应变产生突变，与出现混凝土局部破坏退出工作相吻合。植筋技术作为最为传统的加层节点处理方法，其可靠程度可通过植筋应变图得以验证，植筋钢筋是节点上部抵抗结构水平荷载的主要构件，是连接上下部分的关键部位，植筋钢筋在往复荷载作用下，正向移动应变均大于逆向移动应变，水平往复位移加载越大，相差效果越明显，从植筋受力情况分析，这种现象符合“包辛格效应”的特点。

图5 植筋应变图

2.4 柱端箍筋应变

箍筋起到抵抗截面剪应力并固定主筋，联合混凝土和主筋共同工作的作用。同时，箍筋起着提高连接强度，限制构件表面裂缝开展，能较为有效地改善钢筋延性的作用。加层结构中，加层节点部分箍筋的作用更为重要。为探究箍筋的重要地位，本试件在加层节点部分加密箍筋，按二层进行划分，分别绘制顶层箍筋、底层箍筋的应变图，如图6所示。

图6 箍筋应变图

由图6 分析可知，随水平加载往复位移变化的箍筋应变图可知，顶层、底层箍筋与同侧植筋应变变化同步，说明箍筋对于抵抗偶然荷载起着关键作用，顶层箍筋应变明显大于底层箍筋，说明在水平往复荷载作用下，顶层混凝土破坏趋势明显，有成为薄弱部位破坏的可能，适当加密加层部分顶层箍筋数量是必要的[5]。

3 结束语

本文对加层改造结构的节点部位在往复荷载作用下的受力性能进行综合研究，通过对试验结果进行分析得出以下结论：

（1）对于加层改造结构，在加层节点部位处理上，采用植筋技术能较为有效的连接上下结构，力的传递途径较为简单，但在水平往复荷载作用下，柱端混凝土部分最先破坏，节点连接部位仍为结构的薄弱部位，连接点应变较大，不符合“强柱若梁”设计标准，节点核心部位仍需加固。

（2）从加层部位箍筋应变情况进行分析，上部箍筋变形明显大于底部箍筋，证明在往复荷载作用下柱顶混凝土受压力和拉力较大，顶部混凝土部分相对薄弱，在加层结构中应采取相应的措施加强顶部混凝土的保护。

（3）对本试验进行综合分析可知，节点核心区域和上部外包柱脚混凝土部分为结构薄弱部位，在高烈度地区进行加层改造工程时，在充分考虑结构使用功能和施工难度后，建议采用外包纤维混凝土、粘贴钢板、粘贴碳纤维板、布等加固措施对节点核心区域进行加固。