二次受力下自密实混凝土加固框架节点抗震性能试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 5 期 2012 年 5 月 Vol. 33No. 5May 2012 019 文章编号 1000-6869 2012 05-0150-07 二次受力下自密实混凝土加固框架节点 抗震性能试验研究 郑建岚，吴文达 福州大学 土木工程学院，福建福州 350108 摘要 通过对3 个自密实混凝土加固框架中节点和1 个未加固的对比框架节点进行二次受力下自密实混凝土框架节点的拟 静力试验， 研究不同初始受力对自密实混凝土加固节点抗震性能的影响。柱轴压比为 0. 3， 梁端初始力为 0、 0. 25、 0. 50 倍 的被加固试件预估梁端开裂荷载。通过对试件破坏过程、 新老钢筋应变、 荷载位移滞回曲线等试验结果的分析得出 采用 自密实混凝土增大截面法加固框架节点， 新老混凝土的协同工作性能良好; 考虑初始受力的影响， 加固节点的极限荷载、 极 限位移、 梁端位移延性系数等都会降低， 且降低的程度随梁端初始荷载的增大而增大， 在加固设计中应予以考虑。 关键词 框架节点;自密实混凝土;加固;二次受力;拟静力试验;抗震性能 中图分类号 TU375. 402TU317. 1文献标志码 A Experimental study on seismic perance of frame joints strengthened by self-compacting concrete under secondary load ZHENG Jianlan，WU Wenda College of Civil Engineering，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China AbstractThree frame joints strengthened by self- compacting concrete and one unstrengthened joint were produced for comparison． Static tests using MTS servo loading system on the frame joints under secondary load were carried out to study the influence of different initial forces on the seismic perance． The initial column axial load ratio was 0． 3， and the initial forces of the beam were 0，0． 25 and 0． 50 times the estimated cracking load of the unstrengthened specimen beam end． The results of the damage process，strain of the old steel and new steel，the load- displacement hysteretic loops were analyzed． It is found that the interactive perance of the old concrete and new concrete is good when using self- compacting concrete to strengthen the frame joints． Considering the impact of the initial load of the beam end， the ultimate strength， displacement， and beam end displacement ductility coefficient of the reinforced joints etc． are reduced． The degree of reduction increases with the initial load，which should be considered in the design of strengthening． Keywordsframe joint; self- compacting concrete; strengthening; secondary load; quasi- static test; seismic perance 基金项目 国家自然科学基金项目 50978060 ， 福建省科技厅重点项目 2009H0027 。 作者简介 郑建岚 1962 ， 男， 福建平潭人， 工学博士， 教授。E- mail jianlan fzu. edu. cn 收稿日期 2011 年 5 月 051 0引言 梁柱节点是钢筋混凝土框架结构的重要组成部 分。包括汶川地震在内的国内外震害表明 ［1 ］， 钢筋 混凝土框架结构在强烈地震作用下发生破坏或倒 塌， 很多是由节点破坏引起的。同时数量众多的既 有建筑， 其框架节点常常不能满足现行抗震规范要 求， 或由于使用功能的改变而无法满足新的使用要 求， 都需要采取措施进行结构加固。 增大截面加固法由于其施工简便、 适应性强、 耐 久性好， 在加固工程中被广泛应用 ［2 ］。但目前多数 采用普通混凝土施工， 由于节点区域钢筋密集， 加固 工程质量常常得不到保证。自密实混凝土以其高流 动性的优势， 近年来在钢筋混凝土框架的加固工程 中得到很好的应用 ［3 ］。但缺乏相关的试验验证、 理 论研究， 特别是加固结构的抗震性能试验研究。加 固试件属于二次受力， 近年来不少学者进行了相关 研究 ［4-8 ］， 但关于自密实混凝土加固试件的二次受力 研究还很少， 文献［ 9］ 进行了自密实混凝土加固柱的 试验研究。本文选取自密实混凝土加固框架中节 点， 对其进行二次受力下进行抗震性能试验， 研究其 破坏形态、 承载力、 延性和刚度退化等抗震性能， 为 加固工程设计提供参考。 1试验概况 1. 1试件设计与加固方法 试验共制作了 4 个足尺的中层框架中节点试 件， 其中 3 个为加固节点， 编号分别为 J- 1、 J- 2、 J- 3， 1 个为未加固节点试件 J-0， 加固节点的变化参数为初 始受力。未加固试件 J-0 的柱截面尺寸为 250 mm 250 mm， 梁为 150 mm 300 mm， 详见图1。试件 J- 1 ～ J- 3 按 GB 503672006混凝土结构加固技术规范 进行加固设计。其中柱采用四面围套加固， 加固厚 度为 60 m; 梁采用 U 形加固， 梁宽度两侧加固厚度为 60 mm， 梁底为100 mm。为保证新老混凝土界面粘结 性能， 在老混凝土表面进行凿毛处理。为避免在现 有试件上钻孔过多， 梁纵筋在节点采取绕过的处理 方式。加固试件 J- 1 ～ J- 3 尺寸及配筋见图 2。试件 参数见表 1。 表 1试件参数 Table 1Parameters of specimen 试件编号J-0J- 1J- 2J- 3 梁端初始受力 0．25Pcr00．25Pcr0．50Pcr 注 Pcr为未加固梁端开裂荷载， 计算得 Pcr 14 kN。 图 1试件 J- 0 基本尺寸及配筋详图 Fig． 1Dimension of unstrengthed and reinforcement details 图 2试件加固尺寸与配筋详图 Fig． 2Dimension of strengthened specimens and reinforcement details 为了在初始受力下进行节点的加固施工， 先将 被加固试件固定于反力架上， 通过对柱四角的精加 工钢条施加轴力实现柱的初始受力， 通过安装在梁 端的吊篮实现梁的初始受力。保持初始荷载稳定 24 h后浇筑自密实混凝土。加固梁时， 采用赶浆法直 接浇筑; 加固柱时， 采用分段浇筑和柱两侧对称浇筑 的方法。 1. 2试验材料 被加固试件混凝土采用搅拌站提供的商品混凝 土， 实测立方体抗压强度为 58. 53 MPa; 加固自密实 混凝土采用 42． 5 普通硅酸盐水泥、 Ⅱ级粉煤灰、粒 151 径为 5 ～10 mm 级配碎石、 细度模数为 2． 4 的中砂和 高效减水剂等配制， 实测立方体抗压强度见表 2。纵 筋和箍筋分别采用 HRB335 级和 HPB235 级钢筋， 其 材性实测值如表 3 所示。 表 2混凝土材性实测值 Table 2Measured concrete material property data 试件 编号 立方体抗压 强度/MPa 加固混凝土 强度/MPa 劈拉强度/ MPa 弹性模量/ MPa J-058． 533．603． 61 104 J- 158． 5368．345．225． 34 104 J- 258． 5372．485．895． 48 104 J- 358． 5363．795．135． 21 104 表 3钢筋材性实测值 Table 3Measured steel reinforcement bars material property data 规格 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 弹性模量/ MPa 83505312． 04 105 143955302． 00 105 163755802． 01 105 203905852． 00 105 1. 3加载装置与加载方法 为保证试验过程中梁的初始受力不变， 采用吊 篮加载方法， 各试件的梁端初始荷载具体加载值如 表 1 所示。采用与试件上下端钢板连接的 4 根精加 工钢条施加预拉力来实现柱的初始受力， 并加载至 预定的轴压比， 如图 3a 所示。在试验过程中保持轴 压力不变。 在初始荷载不变的情况下对试件进行加固和养 护， 待试件养护达到设计强度 表 1 时对试件进行二 次加载， 加固试件持载养护时间分别为 37 d、 33 d、 35 d。采用 MTS 伺服加载系统进行拟静力加载。预 加载后， 对梁两端作动器施加低周反复荷载， 以试件 左端作动器向下作为正向， 如图 3a ～3c 所示。屈服 前按受拉纵筋屈服计算的梁端屈服荷载 P1y、 P2y的 0. 75 倍施加荷载; 屈服后， 按位移控制加载， 以屈服 位移倍数进行加载， 每级循环 3 次， 直到试件最终承 载能力下降至最大承载能力的 85 或滞回环出现不 稳定状态时终止试验。 1. 4量测内容与量测布置 1 通过油压千斤顶与柱顶钢铰之间的应变式 传感器量测柱顶轴压力， 并由静态电阻应变仪对整 个加载过程进行监控， 以保证轴力恒定不变。通过 MTS 电液伺服结构试验系统直接量测两梁外端荷载 值及竖向位移值， 得到框架节点左侧梁端和右侧梁 端 P- Δ 滞回曲线。 2 通过静态电阻应变仪记录各级荷载作用下 a加载示意图 b实物加载 c加载简图 图 3试件加载示意图及加载简图 Fig． 3Test setup and loading diagram 新老混凝土、 新老钢筋的应变值。为测定对比加固 新老混凝土、 新老钢筋在加载过程中的变形情况， 在 对比点均布置有电阻应变片， 应变片编号及布置位 置如图 4、 5 所示。 3 采用位移计测梁外端相对于节点核心区的 竖向变形、 柱外端相对于节点核心区的水平变形; 采 用导杆引伸仪器量测节点核心区的剪切变形。 4 用裂缝测宽仪观察试验过程当中裂缝宽度 及裂缝的发展情况， 量测裂缝间距， 并用笔在裂缝的 旁边描出裂缝的方向和形状。 所有的试验数据均通过英国 Salatron 公司的 IMP 数据采集系统采集。 251 图 4试件 J- 0 钢筋应变片布置示意图 Fig． 4Layout of reinforcement strain gauge in old comparativespecimen 图 5加固层钢筋应变片布置示意图 Fig． 5Layout of reinforcement strain gauge in strengthened layer 2试验结果与分析 2. 1破坏过程 试件 J- 0、J- 1、 J- 2、 J- 3 分别在荷载为6 kN、 20 kN、 20 kN、 15 kN 时， 梁端上部出现第 1 条裂缝; 荷载为 12 kN、 51 kN、 39 kN、 36 kN 时， 梁上部纵筋屈服; P1加 载位移为 50 mm、 60 mm、 54 mm、 40 mm 时， 梁根部混 凝土被压碎。破坏时梁根部裂缝宽度达 5 ～8 mm， 梁 端塑性铰主裂缝间混凝土剥离严重， 钢筋外露。所 有试件的最终破坏均为梁端弯曲破坏， 如图 6 所示。 a试件 J- 1 b试件 J- 3 图 6试件的破坏形态 Fig． 6Failure modes of specimens 试验结束后， 凿开加固部分的混凝土， 发现在核 心区和梁中的老混凝土中都有与加固试件表面对应 的主裂缝， 新老混凝土间没有发生剥离和滑移， 说明 自密实混凝土与老混凝土具有较好的协同工作性能。 2. 2滞回曲线和骨架曲线 各试件的梁端荷载- 位移 P- Δ滞回曲线和骨 架曲线见图 7。对比梁端初始受力分别为 0kN、 0. 25Pcr、 0. 50Pcr的试件 J- 1、 J- 2、 J- 3 可以看出， 梁端 的初始受力越大， 其滞回曲线的“捏拢” 现象越严重， 滞回环越不饱满， 耗能能力越低。对比梁端初始受 力同为0. 25Pcr的试件 J-0 和 J- 2 可以看出， 加固试件 与未加固试件相比， 其滞回曲线的“捏拢” 现象有较 大改善， 耗能能力有明显提高。 从图 7e 的骨架曲线可以看出， 在弹性范围内， 初 始受力对节点受力性能的影响并不明显， 进入弹塑 性阶段后， 初始受力越大， 其刚度降低越快， 承载力 越小。 图 7滞回曲线及骨架曲线 Fig． 7Hysteresis loops and skeleton curves 2. 3钢筋应变分析 2. 3. 1梁端顶部纵向钢筋应变 加固试件梁端顶部纵筋应变如图 8 所示。可以 看出， 加载过程中， 被加固试件的纵筋应变始终大于 加固层纵筋的应变， 且初始荷载越大， 加固钢筋的应 351 变滞后现象越明显。初始荷载最大的节点试件 J- 3， 当位移达到 35 mm 时， 其原有纵筋与加固纵筋应变 差值达 到 1 100 10 －6， 与 试 件 J- 1 相 比 增 大 了 83. 3。有初始受力的加固试件， 被加固试件钢筋屈 服较早， 荷载由加固钢筋承担， 最终加固钢筋也达到 屈服。因此二次受力的加固节点其梁端承载力较不 考虑初始受力的加固节点低。 a试件 J- 1 b试件 J- 2 c试件 J- 3 图 8节点梁端顶部钢筋应变 Fig． 8Reinforcement strain in top of beam end 从图 8 中还可看到， 没有初始受力的试件 J- 1 存 在程度较轻的加固钢筋应变滞后现象， 表明虽然在 老混凝土表面进行了凿毛处理， 但与整浇试件相比， 试件的整体工作性能较差， 这是因为新老混凝土界面 凿毛处理虽黏结较好， 但仍无法完全传递界面应力。 2. 3. 2核心区箍筋应变 在二次受力下， 加固层箍筋应变也明显滞后于 被加固试件箍筋应变， 图 9 给出了没有初始受力的 试件 J- 1 和初始受力最大的试件 J- 3 的箍筋应变对比 情况 应变测点位于核心区中部的柱箍筋上 。由图 9 可见， 当位移为50 mm 时， 试件 J- 3 中被加固试件箍 筋与加固箍筋应变差值达到 1 500 10 －6， 比没有初 始受力的试件 J- 1 增大了 60。在荷载控制的加载 阶段， 加固箍筋和被加固试件箍筋应变都较小， 在位 移控制加载后， 被加固试件箍筋应变迅速增长， 直至 屈服， 而加固层箍筋的应变增长较小。 a试件 J- 1 b试件 J- 3 图 9节点核心区箍筋应变 Fig． 9Stirrup strain in joint core areas 2. 4承载力 表 4 为试件主要阶段试验结果， 由表 4 可见， 加 固试件 J- 1、 J- 2、 J- 3 的承载力明显大于未加固的对比 试件 J- 0， 说明采用自密实混凝土进行增大截面法加 固结构， 新老混凝土能够很好地共同工作， 有效提高 试件的承载力。 从表 4 可见， 试件 J- 1、 J- 2、 J- 3 在正向荷载下的 承载力 Pmax分别为 61. 17 kN、 56. 41 kN 和 49. 99 kN。 在二次受力下， 加固试件的承载力降幅随着梁端初始 受力的增大而提高。初始受力为 0. 50Pcr和 0. 25Pcr 的试件 J- 3 和 J- 2， 其 Pmax分别比没有初始受力的试 件 J- 1 降低了 18. 28和 7. 78。 451 表 4特征荷载及位移 Table 4Feature load and displacement 试件编号 初裂屈服峰值破坏 Pcr/kNΔcr/mmPy/kNΔy/mmPmax/kNΔmax/mmPu/kNΔu/mm 位移延性 系数 μ J-061． 6－29． 26－10．4623．1728．1519． 7045．064． 50 J- 1202．3－58． 92－10．1163．0742．1553． 6154．945． 50 J- 2201．2－48． 05－9． 1060．5836．4751． 2048．085． 33 J- 3151．136． 787．9556．9027．8749． 5640．025． 00 2. 5刚度退化 刚度退化是指结构在循环荷载作用下， 试件刚 度随荷载循环次数和位移的不断增大而降低的现 象， 一般采用环线刚度来表示， 其计算式为 ［8 ］ Kj∑ 3 j 1 Pi， j/∑ 3 j 1 Δi， j 1 式中 Kj为环线刚度， kN/mm; Pi， j为第 i 级荷载时第 j 循环的峰值荷载; Δi， j为第 i 级荷载时第 j 循环对应 荷载峰值的位移。 各试件的环线刚度随梁端位移的变化情况如图 10 所示。由图中可见， 各加固试件的刚度退化都比 未加固的对比试件明显改善。在加固试件中， 随着 梁端初始受力的增大， 其刚度退化越明显。梁端初 始受力为 0. 50Pcr和 0. 25Pcr的试件 J- 3 和 J- 2， 其环 线刚度下降分别比梁端没有初始受力的 J- 1 增大了 33. 3和 8. 3。 图 10试件环线刚度曲线 Fig． 10Stiffness degradation factor of specimens 2. 6梁端位移延性系数 将梁最大弯矩处纵筋达到屈服时的梁端位移定 义为屈服位移 Δy，P- Δ 曲线下降段的 0. 85Pmax对应 位移 本文取正反向平均值 定义为极限位移 Δu， 位 移延性系数 μ 可表示为 μ Δu Δy 2 各试件的位移延性系数如表 3 所示。 从表 4 可见， 考虑梁端初始受力作用，Δu将下 降。梁端初始受力为 0. 50Pcr和 0. 25Pcr的试件 J- 3 和 J- 2， 其破坏位移 Δu分别比没有初始受力的试件 J- 1 降低了 27. 17 和 12. 57。说明在其它条件相同 情况下， 试件的延性随着初始受力的增大而降低。 此外， 加固后试件梁端的位移延性系数均明显大于 未加固的节点， 表明加固节点新老混凝土的有效共 同工作使其抗震性能得到明显提高。 梁端初始受力对试件的梁端延性有明显影响。 梁端初始受力越大， 试件梁端的位移延性系数降低 越多。梁端初始受力为 0. 50Pcr和0. 25Pcr的试件 J- 3 和 J- 2， 其梁端的位移延性系数分别比梁端没有初始 受力的试件 J- 1 降低了 9. 09和 3. 09。 3结论 1 采用自密实混凝土加固钢筋混凝土框架节 点能够确保新老混凝土有效协同工作， 直至试件破 坏基本没有出现新老混凝土间剥离和滑移。加固试 件显著提高了其承载力和抗震性能。 2 在二次受力下， 被加固试件的钢筋应变始终 大于加固钢筋的应变， 且梁端初始受力越大， 加固钢 筋的应变滞后越明显。梁端初始受力为 0. 50Pcr和 0. 25Pcr的试件， 其被加固试件纵筋、 箍筋与加固纵 筋、 箍筋的应变差值分别比梁端没有初始受力的试 件增大 83. 3、 60。 3 考虑梁端初始受力的影响， 加固节点的承载 能力降低。梁端初始受力为 0. 50Pcr和 0. 25Pcr的试 件， 峰值荷载分别比没有初始受力的试件降低了 18. 28和 7. 78。 4 梁端初始受力为0. 50Pcr和0. 25Pcr的试件与 梁端没有初始受力的试件对比， 破坏时位移降幅为 27. 17和12. 57; 环线刚度降幅为 33. 3 和 8. 3; 试件的梁端位移延性系数降低了9. 09和3. 09。 参考文献 ［ 1］ 冯远， 刘兰花， 易勇， 等． 多层钢筋混凝土框架柱震 害调查分析与启示［J］ ． 土木工程学报， 2010， 43 10 63- 72． Feng Yuan，Liu Lanhua，Yi Yong， et al． Seismic damages of frame columns in multi- storey reinforced concrete buildingsinvestigation and learning ［ J］ ． China Civil Engineering Journal， 2010， 43 10 63- 72． in Chinese 551 ［ 2］ 罗素蓉，郑建岚． 自密实混凝土在加固工程中的应 用研究［J］ ． 建筑材料学报，2006， 9 3 330- 336． LUOSurong， ZHENGJianlan．Studyonthe application of self- compacting concrete in strengthening engineering［ J］ ． Journal of Building Materials， 2006， 9 3 330- 336． in Chinese ［ 3］ 罗素蓉， 郑建岚， 王国杰． 自密实高性能混凝土力学 性能的研究与应用［J］ ． 工程力学，2005， 22 1 164- 169． LUO Surong， ZHENG Jianlan， WANG Guojie．On mechanical property of self- compacting concreteanditsengineeringapplication ［J ］ ． Engineering Mechanics，2005， 22 1 164- 169． in Chinese ［ 4］ 尚守平， 曾令宏， 戴睿． 钢丝网复合砂浆加固 RC 梁 二次受力受弯试验研究［J］ ． 建筑结构学报，2005， 26 5 74- 80． SHANG Shouping，ZENG Linghong， DAI Rui． Experimental study on flexural behavior of reinforced concrete beams strengthened with ferrocement undersecondaryload［ J］ ．JournalofBuilding Structures， 2005， 26 5 74- 80． in Chinese ［ 5］ 卜良桃， 叶蓁， 周子范， 等． 钢筋网复合砂浆加固受弯 足尺 RC 梁二次受力试验研究［J］ ． 建筑结构学报， 2006， 27 5 93- 100． BU Liangtao，YE Zhen，ZHOU Zifan，et al． Experimental study on RC beam reinforced by reinforcing steel bar mesh mortar subjected to secondary load［J］ ．Journal of Building Structures， 2006， 27 5 93- 100． in Chinese ［ 6］ LONG Bangyun，YUAN Guanglin，ZHU Danyu． RC beam strengthened with pre- stressed CFP under the secondary load［ J］ ． Journal of China University of Ming ＆ Technology， 2008， 18 4 618-622． ［ 7］ 何红霞． 自密实混凝土增大截面法加固轴心受压柱 的研究与应用［D］ ． 长沙 中南大学， 2007． He Hongxia．Theresearchandapplicationofaxial compression columns strengthened by self- compacting concrete［D］ ．ChangshaCentral South University， 2007． in Chinese ［ 8］ 余江滔， 陆洲导，张克纯． 震损钢筋混凝土框架节点 修复后抗震性能试验研究［J］ ． 建筑结构学报， 2010， 31 12 64- 73． YU Jiangtao，LU Zhoudao， ZHANGKechun．Experimentalstudyonseismic behaviorofstrengthenedRCcolumn- beamjoints damaged by simulated earthquake ［J］ ．Journal of Building Structures，2010，31 12 64- 73． in Chinese ［ 9］ 吴波， 王维俊． 碳纤维布加固钢筋混凝土框架节点 的抗震性能试验研究［ J］ ． 土木工程学报，2005，38 4 60- 83． Wu Bo，Wang Weijun． An experimental study on the seismic behavior of beam- column joints strengthened with carbon fiber sheets［J］ ． China Civil Engineering Journal，2005，38 4 60- 83．in Chinese 建筑结构学报 征订启事 建筑结构学报 邮发代号 2- 190 是由中国科学技术协会主管， 中国建筑学会主办的学术性刊 物， 创刊于 1980 年， 自 1992 年起入选为中文核心期刊， 2007 年起被 Ei Compendex 收录， 期刊影响因 子连续多年在国内同类期刊中名列前茅。 建筑结构学报 旨在报道和交流建筑结构领域中代表我国学术水平的最新研究成果， 反映本学 科发展最新动态和趋势， 推动国内外的学术交流。主要刊登建筑结构、 抗震减振、 地基基础等学科的 基础理论研究、 应用研究和科学实验技术的学术论文、 研究报告及最新进展动态， 为我国建筑科学技 术研究的发展服务。 建筑结构学报 读者对象为相关专业的高等院校师生和科研、 设计、 施工单位的工程技术人员， 以及相关科技工作者。 建筑结构学报 现为月刊， 大 16 开本， 144 页， 每期定价 25 元， 全年共 300 元。欢迎您直接汇款 至 建筑结构学报 编辑部订阅本刊， 通过编辑部订阅全年杂志可享受九折优惠并免收邮寄费。 欢迎国内外读者订阅 地址 北京市三里河路 9 号住房和城乡建设部内 建筑结构学报 编辑部 邮编 100835 电话 010 58933734 E-mail ascjgxb126. com 网址 http / /jzjgxb. chinaasc. org 651