加固用鋼量對框架結構抗震性能的影響

陳 廉 汪訓流

0 引言

建筑結構老齡化的發展、原有建筑使用功能的改變、抗震設防要求的提高以及災變作用的影響等諸多因素,促使大量既有建筑不斷產生各種安全隱患。據統計,我國現存的各種建筑物總面積在100億m2以上,有一半以上投入使用已超過20年,需加固維修的建筑物約為25億m2,其中絕大多數為混凝土結構[1]。有資料表明,建筑物加固改造比新建可節約投資約40%、縮短工期約50%、比收回投資的速度快 3倍～4倍[2]。因此,建筑結構加固改造已成為我國建筑業一個新的發展熱點,與之相應的混凝土結構加固技術及方案的研發和應用也已成為結構工程的重點領域之一。粘鋼加固是混凝土結構加固領域的一種典型加固方法,其對結構的自重影響不大,可應用于梁、柱、板的承載力加固。為方便材料采購、便于加固施工以及基于對加固計算不確定性的考量,實際工程中粘鋼加固設計時往往會統一鋼板規格并加大鋼板用量,從而導致鋼板用量的無謂增加,即實際用量遠大于計算用量。針對這種現象,本文以一混凝土框架為例,對加固用鋼量變化給予結構抗震性能的影響作了一些初步探討。

1 粘鋼加固方法

粘鋼加固法,是指用專用粘結劑(粘鋼膠)把鋼板粘貼在混凝土構件的表面,形成一種“混凝土—膠—鋼”三相復合體系,從而使鋼板與混凝土協同工作的一種加固方法,可用于混凝土構件的抗彎和抗剪加固。主要特點是施工速度快、不影響結構外形,但鋼板自重及剛度較大、施工較困難。基本施工工藝流程為:基層打磨→鉆孔→植膨脹螺栓/化學錨栓→涂刷底膠(界面劑)→涂刷粘鋼膠→粘貼鋼板→固定膨脹螺栓/化學錨栓→噴涂防護涂料。

2 算例分析

本文采用已開發的三維桿系結構纖維模型程序NAM-PC/RC[3,4],對文獻[6]算例的鋼筋混凝土框架結構在五種不同加固用鋼量下的抗震性能進行計算分析。

2.1 程序NAM-PC/RC

程序NAM-PC/RC是基于MSC.MARC開發的纖維模型程序,以空間梁單元建模,單元截面特性由纖維模型確定,已應用于復雜受力狀態下鋼筋混凝土(RC)及預應力混凝土(PC)桿系結構或構件的非線性計算分析[3,4],取得了良好的計算精度。

2.2 數值計算與結果

文獻[6]算例為某8度區一棟3層鋼筋混凝土框架辦公樓因需要改做密集柜書庫,二、三層樓面使用活荷載由2.0 kN/m2提高到12.0 kN/m2,經計算需對部分梁柱進行加固處理。梁柱尺寸及配筋、材料強度等級見文獻[6]。采取五種加固用鋼板用量對該框架進行粘鋼加固,如表1所示,鋼板均沿構件通長布置,并與構件同寬。其中,第一種加固用鋼板用量按鋼筋等強加固原則并結合相關規范要求得到。

表1 加固用鋼量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用頂層位移加載對五種不同加固用鋼量下框架的滯回性能進行了數值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認為是對中震作用狀態下結構受力性能的近似模擬。圖1～圖4為不同加固用鋼量下結構基于頂層加載點的計算結果。其中,圖1為滯回曲線的比較,圖2為相對承載力的比較,圖3為相對剛度的比較,圖4為相對累計滯回耗能的比較。

先考察加固后結構的承載力和加載剛度。由圖2可知,結構的承載力隨加固用鋼量的增大而增大,但增長幅度逐步減小,主要原因在于隨著用鋼量的增大結構被加固構件逐步進入超筋狀態,超筋狀態下混凝土構件的最終承載力取決于壓區混凝土的強度、用量以及變形性能而非取決于拉區的用鋼量。由圖3可知,結構的加載剛度隨加固用鋼量的增大而基本呈線性增長,表明加固用鋼量對于結構剛度的貢獻與其用量基本成正比。

就耗能能力而言,圖4比較了不同加固用鋼量下的累計滯回耗能能力,由圖4可知,耗能能力并不隨用鋼量呈增長關系卻呈現出某種程度的遞減趨勢,表明進入超筋狀態后的鋼筋混凝土構件的耗能能力將受諸多因素的影響而并不主要依賴于用鋼量。圖中后續接近平直的曲線表明,中震作用狀態下超筋結構的耗能能力主要取決于壓區混凝土的材料及變形性能,當混凝土材料不變時,耗能能力將趨于一定值。

綜合比較圖3,圖4可知,加固用鋼量的增加帶來了結構構件剛度的增大卻導致了其耗能能力的降低,而地震中地震作用的分布往往與剛度相關。這一關系表明,增加的加固用鋼量使得被加固構件吸引了更多的地震能量卻不能完全依靠自身進行耗散而要借助相鄰結構構件或非結構構件的損傷或毀壞來加以消耗,從而大大增加了地震破壞的不確定性和復雜性。

3 結語

通過對不同加固用鋼量下框架滯回性能的數值模擬可見,加固用鋼量的大小對結構的受力性能產生較大影響。其中,承載力、加載剛度隨著用鋼量的增大而增大,且加載剛度基本隨加固用鋼量成線性增長;而隨著超筋狀態的不斷推進,被加固結構或構件的耗能能力卻隨著用鋼量的增大而減小并很快趨于定值。地震中,剛度增加所帶來的更多地震能量則因被加固構件自身耗能能力的降低而不得不依靠相鄰結構構件或非結構構件的損傷甚至毀壞來加以消耗,這導致了地震破壞的不確定性和復雜性,不利于結構的抗震設計。特別是現階段結構加固設計中,尚無有效方法和手段對加固后結構進行全面合理的抗震驗算,這就更加導致了剛度無謂增加所帶來的結構安全隱患的隱蔽性。因此,結構加固設計中應嚴格控制加固用鋼量,盡量避免用鋼量的無謂增加。

[1]張益多,劉榮桂.混凝土結構加固技術研究及應用綜述[J].江蘇大學學報(自然科學版),2003,24(6):91-94.

[2]何朝陽,徐春恒,楊太文.建筑物維修加固技術綜述[J].基建優化,2005,26(3):92-94.

[3]汪訓流.配置高強鋼絞線無粘結筋混凝土柱復位性能的研究[D].北京:清華大學,2007.

[4]汪訓流,陸新征,葉列平.往復荷載下鋼筋混凝土柱受力性能的數值模擬[J].工程力學,2007,24(12):76-81.

[5]武建立.框架結構基礎隔震反應分析[J].山西建筑,2008,34(28):94-95.

[6]Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysis on Seismic Performance ofRC FrameunderDifferent Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(35):158-161.