內填Y形偏心鋼支撐加固RC框架結構設計方法

趙寶成，王軍良，于安林，顧 強

（蘇州科技學院江蘇省結構工程重點實驗室 江蘇 蘇州 215011）

一些在役的RC框架結構，由于建造時間早，其水平承載力或抗側剛度明顯存在不足，一旦遭受強烈地震，必然導致大量人員傷亡和巨額財產損失．為提高這些RC框架的抗震性能及抗地震倒塌能力，需對其進行抗震加固．考慮到Y形偏心支撐耗能能力較好，耗能段獨立于框架之外，內填于RC框架后，可通過耗能段耗能，從而提高結構的抗震性能．Ghobarah、Elfath[1]對內填鋼支撐的三層RC框架結構進行了抗震性能研究．RC框架分別內填中心支撐和Y形偏心鋼支撐，分析表明同樣地震水平作用下內填Y形偏心鋼支撐的RC框架破壞部位主要集中在耗能梁段，整個結構破壞較小，相比之下內填鋼中心支撐RC框架破壞程度較大．Sola、Luis[2]研究了Y形鋼支撐加固RC框架結構抗震性能，并對其與該地區采用剪力墻加固RC框架的受力性能加以對比．Mazzolani[3]分別應用 Y 形鋼支撐、防屈曲支撐以及鋼板剪力墻對實際的RC框架進行加固，試驗結果表明Y形鋼支撐加固RC框架是最經濟有效的方法．

楊禹丞[4]試驗研究了循環荷載作用下的2榀單層單跨1/3縮尺RC框架內填Y形鋼支撐結構和1榀RC框架的滯回性能．結果表明，RC框架結構內填Y形鋼支撐后，其抗側剛度比純框架的抗側剛度提高較多．趙寶成等[5]進行了耗能段與 RC框架梁采用不同連接節點形式的2榀1/3縮尺Y形鋼支撐RC框架的低周反復荷載試驗．結果表明：U形外包鋼的加固方法可靠性高．薛黎明[6]進行了2榀單層單跨1/3縮尺內填Y形鋼支撐RC框架結構的擬動力試驗研究．結果表明，外包鋼長度對結構耗能能力有影響，耗能段與框架梁連接節點處需仔細研究確定，確保耗能段先發生剪切破壞．趙寶成等[7]進行了3榀2層單跨1/2縮尺Y形鋼支撐加固RC框架試件的低周反復荷載試驗．結果表明，Y形鋼支撐承擔了結構的大部分水平荷載，試驗中耗能段與混凝土梁的連接采用外包鋼的連接節點沒有發生破壞，節點構造合理．邵寅[8]，盛邵山[9]分別試驗研究了耗能段與樓板連接或不連接的情況下，連接節點的滯回性能．

由以往的試驗研究可知，RC框架內填Y形偏心鋼支撐后抗側剛度高、耗能能力好，Y形鋼支撐與RC框架僅三點相連，施工方便，目前對其設計方法研究較少，因而提出內填Y形偏心鋼支撐加固RC框架的設計方法，為設計人員提供設計依據非常必要．已建的RC框架梁截面尺寸已經確定，耗能段與框架梁之間連接節點的承載力是制約內填Y形偏心鋼支撐大小的決定因素，本文提出基于耗能段與框架梁連接節點承載能力的 Y形偏心支撐加固RC框架的設計方法和構造措施．

1 耗能段與框架梁連接節點設計

1.1 連接節點構造

文獻[4-5]中框架梁分別采用底部加鋼板和外包 U型鋼的形式對框架梁進行加固，試驗結果表明，框架梁采用底部加鋼板進行加固，耗能段還沒有發揮作用，混凝土梁與底板相交的部位已發生破壞(圖1)，連接節點破壞導致結構耗能不充分．U型外包鋼加固混凝土梁時(圖2)，連接節點沒有破壞，耗能段充分進入塑性耗能，最終耗能段與支撐連接節點發生破壞(圖3)，導致結構失效．采用圖2形式的外包鋼由于下部鋼板較長，兩端部對混凝土梁擠壓比較嚴重，為了減少底部鋼板對混凝土梁的擠壓，可采取減少下部鋼板的長度，側面鋼板采用梯形截面的辦法來解決(圖4)．文獻[8-9]比較了側面為梯形的 U型外包鋼分別與樓板連接和不連接兩種構造方式對節點滯回性能的影響，試驗結果表明，U型外包鋼與樓板連接時，對混凝土梁破壞小，節點的抗震性能好．

圖1 混凝土脫落Fig.1 Concrete breaking off

圖2 外包鋼節點Fig.2 Steel-encased concrete node

根據文獻[4-9]試驗結果，本文提出圖5兩種加固節點連接構造方式，外包鋼采用對穿螺栓分別與梁和樓板連接，梁、樓板與外包鋼之間會存在縫隙，為了使外包鋼板與混凝土之間貼合緊密，在縫隙之間灌注環氧樹脂．第1種構造方式底板與側板采用高強螺栓，現場施工方便，第2種連接方式底板與側板之間采用焊接連接，節省材料，節點剛度大．

圖3 耗能段斷裂Fig.3 Failure of link beam

圖4 梯形外包鋼節點Fig.4 Trapezoidal steel-encased concrete node

圖5 加固節點構造Fig.5 Construction of the reinforce node

1.2 連接節點承載力計算

已建 RC框架結構框架梁具有相應的截面尺寸，根據現有框架梁的截面尺寸和混凝土標號，確定外包鋼大小、螺栓的布置及混凝土的局壓承載能力，加固的連接節點承載能力與現有梁截面尺寸相關，加固節點的承載能力成為設計內填Y形偏心鋼支撐的制約因素．采用內填 Y形偏心鋼支撐加固RC框架時，首先需要確定耗能段與混凝土梁連接節點的承載力，根據連接節點承載力的大小設計內填Y形偏心鋼支撐的截面尺寸．

RC框架內填Y形鋼支撐，耗能段主要承受剪力，為了簡化計算，假定每個螺栓只承受水平方向的剪力，考慮到彎矩和各個螺栓分配的力不均勻的影響，對計算得到的剪力乘以0.85的折減系數．加固節點承受剪力的能力由螺栓和混凝土局壓最小值確定，螺栓群的抗剪承載能力由(1)計算，螺栓對混凝土梁的局壓承載力[10]由(4)計算，加固節點的承載能力由(5)計算．

式中：nb、 nf分別為與混凝土梁和樓板相連的螺栓個數；分別為與混凝土梁和樓板相連1個螺栓的抗剪承載力；為螺栓受剪面數目，分別取2和1；d螺栓直徑；螺栓抗剪強度設計值．

式中：βc為混凝土強度影響系數，當混凝土強度不超過C50混凝土時，βc取1.0，當混凝土強度等級為C80時，βc取0.8，其間按線性內插法確定；βl混凝土局部受壓時強度提高系數，取 1.0；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值；Aln為混凝土梁上螺栓孔壁受壓面積，為混凝土梁的寬度，bf為樓板厚度．

底板與側板之間的螺栓或焊接連接按文獻[11]給出的公式進行計算．

2 內填Y形鋼支撐設計

2.1 耗能段截面選取

2.1.1 耗能段腹板尺寸的確定

耗能段承擔的剪力根據耗能段與框架梁連接節點的承載能力進行確定．為保證地震作用下耗能段與梁的連接節點不發生破壞，設計耗能段截面時，對耗能段與框架梁連接節點的抗剪承載力V進行折減，參考《建筑抗震設計規范》，建議 8度設防烈度及以下時，折減系數取0.7，9度時取0.65．折減后的抗剪承載能力即為耗能段所承擔塑性剪力設計值 Vp，假定耗能段的剪力由耗能段的腹板承擔，按文獻[12]規定的耗能段腹板高厚比限值，確定腹板的厚度和寬度．

2.1.2 耗能段長度的確定

耗能段分為剪切屈服型和彎曲屈服型，剪切屈服型耗能段耗能性能優于彎曲屈服型，在水平荷載的作用下，剪切屈服型耗能段形成剪切塑性鉸．由于鋼支撐組成的三角形桁架的側向剛度遠大于柱的側向剛度，則RC框架內填Y形偏心鋼支撐的塑性機構如圖6所示．圖中θ代表框架的層間側移角，e為耗能段的長度．耗能段的轉動能力用參數γ(耗能段的轉角)表示，由圖中幾何關系可得：

上式中h為結構的層高．設耗能段的極限轉動能力為γp，根據文獻[2]的研究成果，γp可取為0.1rad．式(6)中參數 γ可由γp代替，θ由θp代替，θp為《建筑抗震設計規范》中多、高層鋼結構彈塑性層間側移角限值，式(6)采用式(7)表達，其中el為所需耗能段的最小長度．

圖6 RC框架內填Y形支撐的塑性機構Fig.6 RC frames filled with Y-steel bracing plastic mechanism

2.1.3 耗能段翼緣尺寸的確定

剪切屈服型耗能段的長度根據公式(8)確定，式中 Mp為耗能段的塑性抗彎承載力，Vp為耗能段的塑性抗剪承載力．

當耗能段的長度以及腹板的尺寸確定以后，通過式(8)得到耗能段承擔的塑性彎矩，根據塑性彎矩可以確定耗能段翼緣的尺寸．

2.1.4 耗能段與支撐連接節點的構造

文獻[4-7]試驗結果表明，耗能段采用端板與支撐連接時，耗能段與端板之間應力集中，容易發生撕裂破壞(圖 7a)，結構耗能能力有限，文獻[7]YBRCF-3試件采用“一體式”節點形式，避免了應力集中處焊縫容易脆性破壞的弊端(圖7b)，轉移了焊縫位置，較為合理可靠．試驗中試件主要通過Y形偏心鋼支撐的耗能段耗散能量，試件耗能能力好．

為了便于耗能段安裝及震后耗能梁段的修復與更換，本文提出兩種連接構造形式，耗能段及支撐連接部位仍然采用“一體式”連接形式，耗能梁段與支撐之間的翼緣采用對接焊縫，腹板采用拼接板和螺栓(圖8a)；耗能梁段與支撐之間翼緣和腹板的連接全部采用拼接板和高強螺栓(圖8b)．支撐在受力過程中應保證不發生強度破壞和失穩，連接節點的設計采用等強設計，即斷開截面處翼緣和腹板相應的拼接材料和連接件所能傳遞的力不應低于翼緣和腹板所能傳遞的最大內力．

圖7 耗能段與支撐連接Fig.7 Link and brace connection

圖8 連接構造Fig.8 Connection construction

2.2 鋼支撐截面選取

Y形鋼支撐在受力的過程中始終保持彈性，在水平荷載作用下，鋼支撐的受力簡圖如圖 9所示，由耗能段承擔的塑性剪力 Vp可以計算得到鋼支撐的軸力，為了確保Y形鋼支撐在耗能段進入塑性耗能后不發生屈曲，鋼支撐的軸力設計值不應小于耗能段達到極限承載力時鋼支撐的軸力．支撐在地震作用下不進入塑性，每一個鋼支撐的設計軸力可按式(9)計算，按支撐構件設計截面[12]．

圖9 支撐受力簡圖Fig.9 Force diagram of brace

式中：α為支撐與水平面的夾角，η為內力增大系數，根據文獻[12]，在 8度設防烈度及以下時不應小于1.4，9度時不應小于1.5．

初選Y形鋼支撐的截面后，對內填Y形鋼支撐加固RC框架結構進行有限元計算，根據計算內力校核鋼支撐及耗能段的截面及連接節點的承載能力．

3 支撐與框架連接節點設計

3.1 連接節點構造

為了避免植筋造成框架梁柱截面的削弱，鋼支撐與框架梁柱的連接節點采用圖 10兩種形式，文獻[7]采用圖10a的連接方式，混凝土梁由鋼板外包，由對拉螺栓連接鋼柱的外包鋼板，節點連接性能較好，混凝土框架節點域破壞較?。疄榱嗽黾舆B接的剛度，本文同時提出圖10b的連接方式，柱采用鋼板整體包裹，并在鋼板與梁柱之間的縫隙灌填環氧樹脂嵌實．

圖10 支撐與梁柱連接節點Fig.10 Brace-beam and column nodes

3.2 連接節點計算

連接節點主要承受鋼支撐傳來的力，把鋼支撐傳來的軸力分解為豎直方向和水平方向，分別由(10)式和(11)式計算．根據連接節點的受力特點，假定豎直方向的力全部由與梁相連的螺栓承擔，水平方向的力全部由與框架柱相連的螺栓承擔．一個螺栓承擔的拉力由式(12)計算，由總的承載力即可計算所需要螺栓的數量．支撐與節點板之間的焊縫連接按文獻[11]的方法計算．

4 Y形偏心鋼支撐布置

采用設計軟件計算原RC框架層間側移比和抗側剛度，根據剛度不足對其進行補強．將已確定的Y形鋼支撐內填RC框架內，結構平面布置時，Y形鋼支撐要規則、對稱，使結構的剛度中心與質量中心一致，在同一樓層，各榀內填Y形鋼支撐的變形相同，各榀Y形鋼支撐承擔的水平荷載一致，方便設計和施工．

圖11 Y形鋼支撐布置形式Fig.11 Brace-beam and column nodes

Y形鋼支撐在1榀框架內的豎向布置應注意剛度均勻連續，避免剛度突變或內填Y形鋼支撐不連續．豎向布置中可采用圖11兩種布置方式，圖11b布置方式加固的節點較少，對原結構損傷少，施工便捷．應用本文提出的設計方法，設計了內填Y形鋼支撐加固RC框架結構的計算模型[13]，并進行了有限元分析，分析結果表明，本文提出的設計方法簡單實用．

5 結語

在已有試驗的基礎上，結合現有研究成果，提出了基于耗能段與框架梁連接節點承載能力的內填Y形偏心鋼支撐加固現有RC框架的設計方法．

(1) 給出了耗能段與框架梁之間的合理連接構造及連接節點的簡化計算公式．

(2) 分析了內填Y形鋼支撐RC框架的塑性機構，確定了耗能段截面尺寸的選取方法，提出了耗能段與支撐之間的連接節點構造形式．

(3) 確定了鋼支撐截面選取方法及鋼支撐的內力放大系數．

(4) 提出了支撐與框架梁柱之間的連接構造及連接點的承載力計算方法．

(5) 給出了內填Y形鋼支撐平面布置原則及豎向布置方式．本文提出的設計方法為Y形偏心鋼支撐加固RC框架結構的設計提供了參考．

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