曹 聰 吳海英 曹海軍

隨著近年來世界各地頻發(fā)的地震災(zāi)害,對于地震中受損建筑的破壞形態(tài)的研究和加固方法的研究以及對抗震措施的研究也越來越多,對震后損傷結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度退化的研究是其中之一。剛度退化是指在荷載長期作用下,受壓混凝土將發(fā)生徐變,即荷載不增加而變形卻隨時間增長;在配筋率不高的構(gòu)件中,由于裂縫間受拉混凝土的應(yīng)力松弛以及混凝土和鋼筋的徐變滑移,使受拉混凝土不斷退出工作,因而受拉鋼筋平均應(yīng)變和平均應(yīng)力亦將隨時間而增大;同時,由于裂縫不斷向上發(fā)展,使其內(nèi)力臂減小,也將引起鋼筋應(yīng)變和應(yīng)力的某些增大;以上這些情況都會導(dǎo)致曲率增大、剛度降低。此外,由于受拉區(qū)和受壓區(qū)混凝土的收縮不一致,使梁發(fā)生翹曲,亦將導(dǎo)致曲率的增大和剛度的降低,就叫做剛度退化。剛度退化對建筑物的可靠性和安全性有很重要的影響,同時對于分析建筑物的受損情況和確定加固方法及加固量也有重要意義。現(xiàn)通過對一層一跨的平面框架體系進行低周往復(fù)加載水平力的試驗來討論剛度退化的情況。

1 試驗概述

鋼筋混凝土框架是建筑結(jié)構(gòu)中的重要受力結(jié)構(gòu),框架柱是主要的受力構(gòu)件,不僅承擔豎向荷載,而且承擔由地震作用引起的水平剪力。所以在剛度退化的分析中主要考慮柱的剛度退化。試件為一層一跨的平面框架體系,混凝土強度等級采用 C20商品混凝土,縱筋采用 HRB 335級螺紋鋼,箍筋采用 HPB 235級鋼,構(gòu)件中柱截面尺寸為 (180×180×1700)mm,橫梁截面尺寸為(150×250×2400)mm,基礎(chǔ)梁尺寸為(300×300×3400)mm,試件結(jié)構(gòu)形式如圖 1所示,試件各構(gòu)件的配筋如圖 2,圖 3所示。注:圖 2梁與柱均為對稱配筋,且左右兩根柱子的配筋也完全對稱。

實測混凝土的固有力學(xué)性能指標如表 1所示,其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系見圖 4。

表1 混凝土的力學(xué)性能指標

試驗中用到的鋼筋的力學(xué)性能指標見表 2。

表2 鋼筋的力學(xué)性能指標

為了模擬實際框架柱的受力狀態(tài),對構(gòu)件施加一定的軸向壓力,其軸壓比為0.3,試驗過程采用美國 MTS公司生產(chǎn)的電液伺服液壓系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集,正式加載前進行預(yù)加載,正式加載時,屈服前采用力控制加載,屈服后采用位移控制加載,以試件屈服位移為極差進行加載。

2 主要試驗數(shù)據(jù)及分析

反復(fù)荷載作用下柱的滯回曲線如圖 5所示。圖6為反復(fù)加載時試件的骨架曲線。

鋼筋混凝土框架在試驗中量測的滯回曲線的形狀可以分析構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗震滯回特性。鋼筋在屈服以前,構(gòu)件上雖然已經(jīng)出現(xiàn)了裂縫和混凝土的塑性應(yīng)變,但總變形不大,加載曲線的斜率變化小,卸載后的殘余應(yīng)變也小,正反向卸載各一次所構(gòu)成的滯回環(huán)不明顯。構(gòu)件的受拉鋼筋屈服以后,荷載繼續(xù)地往復(fù)作用,混凝土受拉裂縫不斷地開展和延伸,鋼筋的拉應(yīng)變和混凝土的壓應(yīng)變逐漸地積累增大,總變形持續(xù)地增大,而承載力變化不大。此時,試件的正反向加、卸載曲線呈現(xiàn)下列一些特點:

加載曲線——每一次加載過程中,曲線的斜率隨荷載的增大而減小,且減小的程度在加快;比較各次同向加載曲線,后次比前次的斜率逐漸減小,說明了反復(fù)荷載下構(gòu)件的剛度退化。數(shù)次反復(fù)荷載以后,加載曲線上出現(xiàn)了拐點(見圖 5中的K,E兩點),形成了捏攏現(xiàn)象,而且捏攏現(xiàn)象逐次增大。

卸載曲線——剛開始卸載時曲線陡峭,恢復(fù)變形很小。荷載減小后曲線趨向平緩,恢復(fù)變形逐漸加快,即所謂的恢復(fù)變形滯后現(xiàn)象。曲線的斜率隨反復(fù)加卸載次數(shù)而減小,表明了結(jié)構(gòu)卸載剛度的退化。全部卸載后,構(gòu)件留有殘余變形(見圖 5中的 J,D兩點),其值隨反復(fù)加卸載次數(shù)不斷地積累增大。

3 試件的剛度退化情況及計算

我們知道在地震過程中,隨著地震能量的輸入,結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系不斷開裂,剛度下降,結(jié)構(gòu)變?nèi)?結(jié)構(gòu)的自振周期增大,其受力性能將發(fā)生變化:一方面是結(jié)構(gòu)體系吸收的地震能量將隨之減少,使得結(jié)構(gòu)安全系數(shù)增大;另一方面是結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力亦將隨之減小。

4 結(jié)語

目前對于損傷結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固計算多是根據(jù)強度來確定加固量,但對加固構(gòu)件的剛度計算方法的研究卻很少,本文僅在理論上對剛度的退化進行分析,要在實際工程中得到運用還需進一步的研究。

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