陳 廉 汪訓(xùn)流

0 引言

復(fù)位性能以控制結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的殘余變形為目標(biāo),是研究受力(如地震、風(fēng)載、爆炸等)后或受損(如材料老化、環(huán)境變遷等)后結(jié)構(gòu)或構(gòu)件可修復(fù)性的性能指標(biāo)。實(shí)際震害表明,結(jié)構(gòu)震后殘余變形過(guò)大,會(huì)因無(wú)法修復(fù)到正常使用狀態(tài)而被最終拆除。如1995年日本阪神大地震中,因殘余位移角超限,約100個(gè)橋柱被拆除重建[1]。而房屋建筑中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底層柱底塑性鉸的出現(xiàn)難以避免[2],過(guò)大的塑性變形也會(huì)使結(jié)構(gòu)無(wú)法修復(fù)而被拆除。

我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)受老齡化、使用功能改變、抗震設(shè)防提高及災(zāi)變作用等多因素影響,正大量步入待加固改造行列,成為結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)意義上的“老建筑”。將復(fù)位性能的研究延伸到加固改造領(lǐng)域,是全面評(píng)估既有“老建筑”抗震性能、有效避免重復(fù)加固與維修,節(jié)約資金資源,實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保目標(biāo)的一條可行途徑。本文以因使用功能改變導(dǎo)致承載力不足的一混凝土框架為例,結(jié)合加固領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的粘鋼加固方法,對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)位性能參數(shù)在加固計(jì)算分析中的初步應(yīng)用進(jìn)行一些簡(jiǎn)單探討。

1 復(fù)位性能與參數(shù)

1.1 基本概念

荷載作用卸載后,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有使自身從荷載作用時(shí)的最大變形狀態(tài)向荷載作用前的初始狀態(tài)回復(fù)的能力,將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的這種向初始狀態(tài)回復(fù)的能力稱(chēng)為“復(fù)位能力”,并稱(chēng)這種性能為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的“復(fù)位性能”[4]。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力與其變形能力既有聯(lián)系又有區(qū)別。變形能力是指在維持一定承載能力的情況下結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所能承受的最大變形,是目前基于位移抗震設(shè)計(jì)方法的研究重點(diǎn)。而復(fù)位能力則以結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的殘余變形為目標(biāo),同時(shí)考察相應(yīng)的最大變形,所以復(fù)位能力的研究是對(duì)基于位移抗震設(shè)計(jì)方法研究的發(fā)展和補(bǔ)充。

1.2 主要參數(shù)

其中,Dr為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用后的殘余變形;Dm為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在荷載作用(同一荷載循環(huán))時(shí)的最大變形。

復(fù)位能力系數(shù)γ反映了結(jié)構(gòu)或構(gòu)件復(fù)位能力的大小,γ越大則復(fù)位能力越大,一般0≤γ≤1。通常 γ＞0,除非結(jié)構(gòu)倒塌破壞;而當(dāng) γ=1時(shí) Dr=0,表明結(jié)構(gòu)或構(gòu)件具有完全復(fù)位能力,如彈性受力狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

結(jié)構(gòu)或構(gòu)件存在多種力—變形曲線,如彎矩—曲率曲線、彎矩—轉(zhuǎn)角曲線、荷載—撓度曲線、層間剪力—層間側(cè)移曲線、基底剪力—頂點(diǎn)側(cè)移曲線等。對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的力—變形曲線,復(fù)位能力系數(shù) γ可為構(gòu)件的曲率型復(fù)位能力系數(shù)γφ、轉(zhuǎn)角型復(fù)位能力系數(shù)γθ、撓度型復(fù)位能力系數(shù) γf或結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移型復(fù)位能力系數(shù)γδ、頂點(diǎn)側(cè)移型復(fù)位能力系數(shù) γΔ等,即:

為反映復(fù)位能力大小,定義復(fù)位能力系數(shù)γ[4]:

其中,相應(yīng)符號(hào)是將式(1)中的變形D分別取構(gòu)件的曲率φ、轉(zhuǎn)角θ、撓度 f、結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移δ和頂點(diǎn)側(cè)移Δ。

2 加固計(jì)算與分析

2.1 加固算例

文獻(xiàn)[6]算例為某8度區(qū)一棟3層鋼筋混凝土框架辦公樓因需要改作密集柜書(shū)庫(kù),二、三層樓面使用活荷載由2.0 k N/m2提高到12.0 kN/m2,經(jīng)計(jì)算需對(duì)部分梁柱進(jìn)行加固處理。采取五種加固用鋼量對(duì)該框架進(jìn)行粘鋼加固,如表1所示,鋼板均沿構(gòu)件通長(zhǎng)布置,并與構(gòu)件同寬。其中,第一種加固用鋼量按鋼筋等強(qiáng)加固原則并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求得到,可稱(chēng)為“基本加固用鋼量”。

表1 加固量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用頂層位移加載對(duì)五種不同加固用鋼量下框架的受力性能進(jìn)行數(shù)值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認(rèn)為是對(duì)中震作用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力特性的近似模擬?？蚣艿牧褐叽?、配筋、材料強(qiáng)度等級(jí)及加載方式見(jiàn)文獻(xiàn)[6],計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖1為克服滯回曲線對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)位性能表征的不足,引入復(fù)位能力系數(shù)來(lái)表達(dá)不同加固用鋼量下結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能比較?？紤]論文篇幅因素,圖中只給出了最大荷載循環(huán)時(shí)基于式(2)頂點(diǎn)側(cè)移Δ下的復(fù)位能力系數(shù)γΔ的比較。由圖1可知,隨著加固用鋼量的增大,γΔ先增大后減小,當(dāng)用鋼量為“基本加固用鋼量”2倍左右時(shí) γΔ達(dá)最大值。

復(fù)位能力系數(shù)增大的主要原因可以解釋為,處于彈性受力狀態(tài)的鋼材成分因用鋼量的增大而增多,從而促進(jìn)了荷載作用結(jié)束后結(jié)構(gòu)的彈性恢復(fù)。而復(fù)位能力系數(shù)具有的極值型非單調(diào)且非線性遞增特性表明,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力不僅受材料構(gòu)成中的彈性成分影響,還與其他非線性或塑性成分(如混凝土的受拉開(kāi)裂、受壓軟化等)相關(guān),也說(shuō)明了復(fù)位能力系數(shù)可以綜合反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)在的彈性恢復(fù)特性。具體到本文算例,因結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)部的截面應(yīng)力重分布和塑性內(nèi)力重分布,加固用鋼量的增加并不能夠帶來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)位能力系數(shù)的持續(xù)增長(zhǎng)。因此,對(duì)于加固改造領(lǐng)域,應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)的復(fù)位性能和滯回性能(如耗能能力),尋求最優(yōu)加固量,以最大限度保障結(jié)構(gòu)受力或受損后的使用功能。

3 結(jié)語(yǔ)

1)滯回曲線及與之相關(guān)的已有力學(xué)和變形參數(shù)尚不能有效反映結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位能力,需要引入新的計(jì)量參數(shù)來(lái)進(jìn)行復(fù)位性能的研究;

2)復(fù)位能力系數(shù)可以綜合反映材料構(gòu)成中彈性成分、非線性成分及塑性成分等不同因素對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件復(fù)位能力的影響,是研究復(fù)位性能的基本參數(shù);

3)復(fù)位能力系數(shù)并不隨加固用鋼量的增加呈單調(diào)遞增趨勢(shì)而卻存在極值,表明即使就復(fù)位單項(xiàng)性能而言,結(jié)構(gòu)或構(gòu)件也存在一個(gè)最佳加固量;

4)加固改造領(lǐng)域計(jì)算分析中,應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的復(fù)位性能和滯回及其他傳統(tǒng)意義上的性能指標(biāo),尋求最優(yōu)加固量,以實(shí)現(xiàn)資金資源的節(jié)約;

5)復(fù)位能力系數(shù)的影響因素分析及指標(biāo)定級(jí)如中震指標(biāo)、大震指標(biāo)等,應(yīng)是今后在該領(lǐng)域進(jìn)行研究的方向。

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[2] Paulay T,Priestley M JN.Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings[J].John Wiley and Sons Inc,1992(3):98-106.

[3] Priestley M J N.Myths and fallacy in earthquake engineeringconflicts between design and reality[J].Concrete International,1997(11):54-63.

[4] 汪訓(xùn)流.配置高強(qiáng)鋼絞線無(wú)粘結(jié)筋混凝土柱復(fù)位性能的研究[D].北京:清華大學(xué)博士學(xué)位論文,2007.

[5] 汪訓(xùn)流,陸新征,葉列平.往復(fù)荷載下鋼筋混凝土柱受力性能的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué),2007,24(12):76-81.

[6] Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysison Seismic Performance of RC Frame under Different Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(7):158-161.