高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固鋼筋混凝土框架抗震性能試驗(yàn)研究

1高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)的發(fā)展鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)是框架結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，在傳遞、分配和保證結(jié)構(gòu)完整性方面發(fā)揮著重要作用。國內(nèi)外大量的震例表明,鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的破壞比較明顯,當(dāng)前的建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程對于框架節(jié)點(diǎn)的抗震加固還沒有明確規(guī)定。目前對于框架節(jié)點(diǎn)的抗震加固,有粘貼碳纖維、粘鋼板等加固方法,但是由于粘貼碳纖維和粘鋼板的粘結(jié)膠屬于有機(jī)材料,其耐高溫性能和耐火性能相對較差,其耐久性能也有待改善。高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)是近幾年來在國內(nèi)外發(fā)展起來的新型技術(shù)。高強(qiáng)鋼絞線具有強(qiáng)度高、不易銹蝕、柔軟性好、運(yùn)輸及施工方便等優(yōu)點(diǎn),聚合物砂漿為水性材料,無有害揮發(fā)性氣體,對環(huán)境和人無影響,與混凝土材料粘結(jié)性能良好,且耐久性、耐火性好。因此高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固技術(shù)具有技術(shù)先進(jìn)、耐久抗火、無毒環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。目前關(guān)于該加固技術(shù)的主要研究成果有:清華大學(xué)聶建國教授等采用高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿對鋼筋混凝土梁分別進(jìn)行了抗彎加固和抗剪加固的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明加固后梁的承載力可以得到顯著提高,抗彎剛度也得到提高,而且可以較好地約束裂縫的發(fā)展;中國建筑科學(xué)研究院運(yùn)用該技術(shù)進(jìn)行了加固鋼筋混凝土柱的試驗(yàn)研究,加固后柱的承載力、耗能能力和延性系數(shù)都得到了明顯提高;中國建筑科學(xué)研究院王亞勇教授等進(jìn)行了高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固15片磚墻的試驗(yàn)研究,結(jié)果表明磚墻的抗剪承載力可以提高50%以上。中國美術(shù)館和廈門鄭成功紀(jì)念館等多項(xiàng)加固改造工程已經(jīng)應(yīng)用了該加固技術(shù)。這種加固技術(shù)在我國的研究還剛起步,大多數(shù)研究所用加固材料是從國外進(jìn)口的,目前國內(nèi)外尚未見到有關(guān)該加固技術(shù)用于梁柱節(jié)點(diǎn)抗震加固的試驗(yàn)研究報道,因此很有必要在我國進(jìn)行該加固技術(shù)的進(jìn)一步研究。本文采用我國自行研發(fā)的加固材料進(jìn)行高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿抗震加固鋼筋混凝土板-梁-柱框架節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究,其主要目的在于研究梁柱節(jié)點(diǎn)采用該技術(shù)加固后的受力性能,以推廣該加固技術(shù)的工程應(yīng)用。2試驗(yàn)計(jì)劃2.1節(jié)點(diǎn)錨索試件設(shè)計(jì)本試驗(yàn)的試件為5個鋼筋混凝土框架中間節(jié)點(diǎn)。為了如實(shí)體現(xiàn)加固節(jié)點(diǎn)的效果和加固后節(jié)點(diǎn)的抗震性能,考慮到實(shí)際工程中的樓板會對加固方式和加固效果產(chǎn)生影響,因此試件設(shè)計(jì)為帶樓板的梁柱節(jié)點(diǎn)。試件的幾何尺寸與一般框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)尺寸的比例為1/2左右,同時梁長和柱高考慮了現(xiàn)有試驗(yàn)加載設(shè)備的限制。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?試件的配筋按照“弱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)構(gòu)件”設(shè)計(jì),共制作了5個節(jié)點(diǎn)試件,每個試件的幾何尺寸和配筋都相同,具體見圖1。為了提高各試件的可比性,所有試件均采用C25的商品混凝土一次性澆注好。2.2高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)法本次試驗(yàn)的主要參數(shù)為加固前是否震損和不同加固方式。表1列出了各節(jié)點(diǎn)試件加固方案的主要參數(shù)。首先對兩個試件J4、J5模擬中等地震作用下的震損,震損程度為節(jié)點(diǎn)核心區(qū)出現(xiàn)交叉的斜裂縫,然后再對試件J2、J3、J4、J5采用高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿進(jìn)行加固。兩種加固方式鋼絞線網(wǎng)的布置方式見圖2。加固的區(qū)域主要在核心區(qū)的前、后側(cè)面和梁端、柱端。與加固方式1不同的是,加固方式2還把核心區(qū)的鋼絞線網(wǎng)分別向左右梁端、下柱各延伸1/2的梁截面高度(150mm),以期改善節(jié)點(diǎn)的抗震性能。由于梁與柱的截面寬度不同,在施工時加固方式2需要把梁柱相接處的凹角先用環(huán)氧砂漿填實(shí)。加固的主要工序包括:剔除加固部位混凝土基層表面的疏松部分;按照加固方式布置鋼絞線網(wǎng),并用特制的錨固釘固定好;在加固部位刷界面劑,以保證砂漿與原混凝土之間良好的粘結(jié);在鋼絞線網(wǎng)的外面抹聚合物砂漿,砂漿的厚度為20mm。2.3材料及實(shí)驗(yàn)方案試件中鋼筋的力學(xué)性能見表2。試驗(yàn)時實(shí)測的混凝土立方體抗壓強(qiáng)度平均值為32.3MPa。本文加固所用的鋼絞線網(wǎng)、聚合物乳液和界面劑等加固材料由中國建筑科學(xué)研究院提供,并指導(dǎo)施工。鋼絞線的公稱直徑為3.05mm,實(shí)測截面面積為4.68mm,極限強(qiáng)度為1641MPa,鋼絞線網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸為30mm×200mm。聚合物砂漿標(biāo)準(zhǔn)試塊28天的抗壓強(qiáng)度平均值為11.6MPa。文獻(xiàn)中加固材料從國外進(jìn)口,本文所用的加固材料全部由國內(nèi)開發(fā)生產(chǎn),特別是聚合物砂漿的沙和水泥采用一般工地通常所用的黃沙和水泥,可降低材料的造價,以利于該加固技術(shù)的推廣應(yīng)用。2.4試驗(yàn)加載制度為了研究各節(jié)點(diǎn)的抗震性能,在節(jié)點(diǎn)加固一個月后對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見圖3。首先在柱頂通過液壓加載器施加恒定的豎向荷載,柱的軸壓比保持在0.136左右,然后在梁的左右兩個自由端施加同步的反對稱低周反復(fù)荷載。試驗(yàn)加載制度根據(jù)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(GBJ101—96)確定,試件屈服前采用荷載控制,屈服后采用變形控制。屈服前每級荷載反復(fù)一次,屈服后每級反復(fù)三次。當(dāng)試件所承受的峰值荷載下降至極限荷載的85%后,認(rèn)為試件已破壞。試驗(yàn)量測和觀察的內(nèi)容主要有:(1)梁端施加的荷載和豎向位移;(2)裂縫的發(fā)展和破壞形態(tài);(3)梁、柱縱筋的應(yīng)變、核心區(qū)箍筋的應(yīng)變和鋼絞線的應(yīng)變等。3試驗(yàn)結(jié)果和分析3.1節(jié)點(diǎn)核心區(qū)裂縫發(fā)展各試件的破壞形態(tài)如圖4所示。對比試件J1的破壞形態(tài)為核心區(qū)剪切破壞,破壞時的裂縫發(fā)展主要集中在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)部位;試件J2、J3的破壞形態(tài)為梁端彎曲破壞,且J3核心區(qū)的裂縫比J2更加細(xì)密;試件J4、J5在破壞時,雖然在核心區(qū)也有剪切破壞的跡象,但梁端彎曲破壞更明顯;而且J3、J5梁的破壞截面離開節(jié)點(diǎn)核心區(qū)有一段距離。3.2驗(yàn)結(jié)果表1各試件的屈服荷載、極限荷載和位移延性等主要試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知,加固后節(jié)點(diǎn)的屈服荷載提高了15%左右,極限荷載提高了19%左右,試件J3、J5的位移延性系數(shù)分別提高到5和4。3.3加固效果各節(jié)點(diǎn)試件的梁端荷載-梁端位移滯回曲線和骨架曲線分別見圖5、圖6。從圖中可以看出:(1)加固后試件的滯回性能明顯得到了改善;(2)震損開裂降低了節(jié)點(diǎn)的加固效果;(3)加固節(jié)點(diǎn)的滯回曲線的捏縮現(xiàn)象有所改善,說明加固后提高了節(jié)點(diǎn)的耗能能力。3.4環(huán)的荷載載荷結(jié)構(gòu)的退化性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)積累損傷的影響,是結(jié)構(gòu)抗震性能的重要組成部分。強(qiáng)度退化可以用承載力降低系數(shù)λi來衡量,λi=Pi33i/Pi11i,式中Pi33i和Pi11i分別為第i級位移加載時第3和第1循環(huán)的荷載峰值。剛度退化可以用環(huán)線剛度Ki來衡量,Ki=Σj=13Pij/Σj=13ΔijΚi=Σj=13Ρji/Σj=13Δji,式中Δijji為第i級荷載時第j循環(huán)對應(yīng)荷載峰值的位移。各試件的強(qiáng)度降低系數(shù)和剛度降低系數(shù)隨梁端位移的變化情況分別如圖7、圖8所示。由圖7、圖8可見,加固試件J2、J3的強(qiáng)度退化和剛度退化都比對比試件J1的有所改善,而且試件J3比J2改善的效果更明顯;而震損后再加固試件J4、J5的強(qiáng)度退化都比未加固試件J1明顯,說明震損對于節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度退化有明顯影響;試件J4、J5加固后的剛度退化都有所改善,而且試件J5比J4改善得更明顯,說明采用加固方式2的試件的抗震性能更好。3.5鋼絞線的應(yīng)變試件J5核心區(qū)的箍筋應(yīng)變與對應(yīng)位置處鋼絞線的應(yīng)變比較見圖9。由圖9可見,在加載前期鋼絞線的應(yīng)變低于箍筋的應(yīng)變,鋼絞線的作用與箍筋的作用相比存在滯后性,然而在加載后期通裂后鋼絞線的應(yīng)變明顯增大,鋼絞線的應(yīng)變超過了箍筋的應(yīng)變,鋼絞線的作用增強(qiáng),同時還可以看到節(jié)點(diǎn)破壞時鋼絞線的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其名義屈服強(qiáng)度。3.6抗震加固技術(shù)總之,從破壞形態(tài)、受剪承載力、耗能性能和延性等方面來評價節(jié)點(diǎn)的抗震性能,加固試件達(dá)到了現(xiàn)行規(guī)范中抗震框架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo),即在結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)計(jì)的最不利非彈性反應(yīng)狀態(tài)之前不出現(xiàn)剪切失效,因此可以采用該加固技術(shù)對框架的梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震加固。從耗能和延性方面來看,加固方式2加固的效果更理想,同時震損裂縫將降低節(jié)點(diǎn)加固后的抗震性能。4節(jié)點(diǎn)加固連接成本的計(jì)算4.1心區(qū)混凝土斜壓開裂在鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)中形成的傳力機(jī)構(gòu)主要有斜壓桿機(jī)構(gòu)、桁架機(jī)構(gòu)和約束機(jī)構(gòu)等:梁、柱端受壓區(qū)混凝土的壓力大部分將在節(jié)點(diǎn)核心區(qū)斜向一定寬度范圍內(nèi)合成為斜向壓力,從而形成以傳遞斜向壓力為功能的斜壓桿機(jī)構(gòu);在核心區(qū)混凝土斜壓開裂前,核心區(qū)混凝土將承受桁架機(jī)構(gòu)斜向主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力的作用,當(dāng)節(jié)點(diǎn)開裂后,主壓應(yīng)力由混凝土承擔(dān),主拉應(yīng)力則由節(jié)點(diǎn)水平箍筋和同一平面內(nèi)的豎向柱筋分擔(dān);同時箍筋還可以約束核心區(qū)斜壓混凝土,維持斜壓桿機(jī)構(gòu)的抗剪作用,間接參與抵抗節(jié)點(diǎn)作用剪力。在采用鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)中,節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的水平鋼絞線網(wǎng)的作用類似于節(jié)點(diǎn)中的箍筋,一方面可直接分擔(dān)節(jié)點(diǎn)所承受的剪力,同時也可增強(qiáng)對核心區(qū)混凝土的約束作用,從而達(dá)到提高節(jié)點(diǎn)受剪承載力、延性系數(shù)和耗能能力等效果。在梁柱端部布置鋼絞線網(wǎng)的作用是,約束受壓混凝土,并約束縱向受壓鋼筋,防止其過早壓屈,滿足規(guī)范中梁柱端箍筋加密的抗震構(gòu)造要求。4.2節(jié)點(diǎn)受剪承載力由上面的分析可知,采用鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固的框架節(jié)點(diǎn)的受剪承載力可以由三部分組成:混凝土的貢獻(xiàn)、箍筋的貢獻(xiàn)、核心區(qū)水平鋼絞線的貢獻(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)受剪承載力的計(jì)算公式,加固節(jié)點(diǎn)的受剪承載力可以按如下公式計(jì)算Vcsw=Vcs+Vw(1)Vcs=1.1ηjftbjhj+0.05ηjN+fyvAsvj(hb0?a′s)/s(2)Vw=βwβdfywAw(hb0?a′s)/sw(3)Vcsw=Vcs+Vw(1)Vcs=1.1ηjftbjhj+0.05ηjΝ+fyvAsvj(hb0-a′s)/s(2)Vw=βwβdfywAw(hb0-a′s)/sw(3)式(1)中,Vcsw為鋼絞線網(wǎng)加固鋼筋混凝土節(jié)點(diǎn)的受剪承載力,Vcs和Vw分別為鋼筋混凝土和鋼絞線網(wǎng)提供的受剪承載力;式(2)為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2002)中鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)的受剪承載力計(jì)算公式,公式中各符號的含義詳見規(guī)范;式(3)中βw為鋼絞線應(yīng)力發(fā)揮系數(shù),βd為鋼絞線網(wǎng)與原節(jié)點(diǎn)的共同工作系數(shù),fyw為鋼絞線的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,取其極限抗拉強(qiáng)度的85%,Aw為核心區(qū)同一截面驗(yàn)算方向鋼絞線的全部截面面積,hb0為梁的有效截面高度,sw為鋼絞線的間距,在本試驗(yàn)中sw為30mm。節(jié)點(diǎn)的受剪承載力的試驗(yàn)值可以按下式進(jìn)行計(jì)算Vt=Pt×L×2hb0?a′s(1?hb0?a′sHc?hb)(4)Vt=Ρt×L×2hb0-as′(1-hb0-as′Ηc-hb)(4)上式中Pt和L分別為節(jié)點(diǎn)屈服時梁端的荷載及其到柱邊的距離,Hc為節(jié)點(diǎn)上柱和下柱支座之間的距離,在本試驗(yàn)中L和Hc分別為1.5m和1.7m。由文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果分析,并且通過對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多次試算,建議βw取值為0.31,βd的值對完好加固和震損加固的試件分別取1.0和0.7。將各試件的數(shù)據(jù)代入上面節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪承載力的計(jì)算公式(1)～(3),則本文節(jié)點(diǎn)的受剪承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值見表4?？梢娝峁降挠?jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合良好。5節(jié)點(diǎn)受剪承載力計(jì)算方法的初步確立(1)采用高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固原非抗震的節(jié)點(diǎn)后,可以有效提高節(jié)點(diǎn)的抗震受剪承載力和抗震性能,加固后可以達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范中抗震框架節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo),因此該加固技術(shù)可以在框架加