王國林, 楊冀錕, 祁尚遠(yuǎn),2, 陳明珠,3, 張 普

(1. 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 城市建設(shè)與安全工程學(xué)院, 上海 201418;2. 上海奉賢城鄉(xiāng)建設(shè)投資開發(fā)有限公司, 上海 201499;3. 湖北中醫(yī)藥大學(xué) 采購與招投標(biāo)辦, 湖北 武漢 430065;4. 鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 河南 鄭州 450001)

0 引言

鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(下文簡稱“RC節(jié)點”)起著傳遞內(nèi)力和保持結(jié)構(gòu)整體性的作用。在水平地震作用下,節(jié)點受力非常復(fù)雜,核心區(qū)所受剪力可高達(dá)相鄰柱端截面剪力的4～6倍[1],易發(fā)生剪切破壞而引起整個建筑破壞。早期建造的框架節(jié)點往往存在核心區(qū)箍筋配置不足等典型問題,而部分按現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計的節(jié)點也因建筑功能的改變、抗震設(shè)防烈度調(diào)整等經(jīng)常導(dǎo)致承載力不足。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)量大、面廣,對這些抗震性能不足的RC節(jié)點采取有效抗震加固具有重要的社會意義。

對于RC節(jié)點的抗震加固,已有大量的研究和工程實踐,既有加固方法主要有加大截面、粘貼鋼板、外包型鋼和粘貼纖維復(fù)合材(FRP)等[2]。其中,FRP加固方法憑借強度高、重量小、易施工、耐久性好等優(yōu)點,自20世紀(jì)末用于RC節(jié)點的抗震性能提升以來一直是研究熱點和難點[3]。學(xué)者們從不同角度對FRP加固RC節(jié)點的抗震性能展開了大量研究工作,并取得了豐碩成果[4]。研究表明,通過FRP外貼、環(huán)包加固節(jié)點的方法可以有效提升節(jié)點的抗震性能,但FRP剝離破壞現(xiàn)象普遍存在,影響了其補強效果的進(jìn)一步發(fā)揮[5]。

針對此問題,FRP筋材嵌入式(Near-surface mounted,簡稱NSM)加固技術(shù)提供了解決方法,即先在加固構(gòu)件保護層內(nèi)開槽,然后利用結(jié)構(gòu)膠將FRP筋材嵌入槽中,以此提高構(gòu)件承載力[6]。目前,FRP筋材嵌入式加固構(gòu)件的研究和應(yīng)用主要集中在梁、柱及墻等構(gòu)件[7],而在RC節(jié)點的抗震加固方面研究較少[5,8-9]?；谒苄糟q外移的抗震設(shè)計理念,課題組前期開展了CFRP板條嵌入式加固T形RC空節(jié)點的抗震性能試驗研究,結(jié)果顯示,通過在核心區(qū)及其鄰近梁端嵌入CFRP板條,可以顯著提升節(jié)點的抗震性能,改變破壞模式,實現(xiàn)梁鉸轉(zhuǎn)移[5]。

然而,CFRP板條嵌入式抗震加固方法對于十字形RC節(jié)點效果如何,還有待進(jìn)一步驗證。鑒于此,本文擬采用此加固方法對十字形RC節(jié)點的抗震加固效果展開試驗研究,并利用試驗校驗的有限元模型分析板條面積、板條間距、延伸長度及混凝土強度等節(jié)點加固主要設(shè)計參數(shù)的影響,以驗證CFRP板條嵌入式抗震加固方法的適用性,為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

圖1 試件尺寸及截面配筋(單位:mm)Fig.1 Specimen size and section reinforcement (Unit:mm)

加固試件INDS在核心區(qū)及其梁端側(cè)面保護層內(nèi)嵌入三道板條,板條分別由3或4根單片板條膠合而成,開槽尺寸、板條布置、面積及延伸長度等加固設(shè)計參數(shù)如圖2所示。CFRP板條抗拉強度為2 460 MPa,彈性模量為148 GPa,伸長率為1.7%,單片板條截面尺寸為2 mm×16 mm(厚度×寬度)。試驗用粘結(jié)膠為Sikadur330CN。

圖2 試件INDS加固方案(單位:mm)Fig.2 Strengthening scheme of specimen INDS (Unit:mm)

1.2 加載及量測方案

試驗在上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)1 000 t電液伺服多功能結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)上完成(圖3)。該系統(tǒng)具有水平跟動功能,即豎向作動器可以始終隨著柱頂作來回往復(fù)運動,很好地模擬了節(jié)點的真實受力狀態(tài)。采用柱端水平低周反復(fù)加載方式。

注:1:150 t水平作動器;2:1 000 t豎向作動器;3:節(jié)點構(gòu)件;4:梁端支撐;5:梁端上下滾軸;6:柱端鉸支座圖3 試驗加載裝置Fig.3 Loading device used in the test

在正式加載前,預(yù)加載180 kN軸力和4 kN水平荷載,儀表工作檢查無誤后,卸載并進(jìn)入正式加載。正式加載時,先進(jìn)行荷載控制,待試件屈服后改用位移控制。在荷載控制階段,在構(gòu)件開裂前每級荷載2 kN;出現(xiàn)受彎裂縫后,每級荷載10 kN;當(dāng)接近屈服荷載時,每級荷載降為5 kN。在位移控制階段,按1倍屈服位移為級差進(jìn)行加載。在加載的上升段,通過調(diào)整位移加載速率,保持10 kN/min的荷載增長速度,在下降段,保持20 kN/min卸載速度。

試驗量測方案如下:(1)利用加載設(shè)備自帶力傳感器監(jiān)測柱軸力和水平加載;(2)利用LVDT測量梁、柱的水平側(cè)移、梁塑性鉸變形以及核心區(qū)剪切變形;(3)利用應(yīng)變片測量鋼筋和CFRP板條應(yīng)變,位移及應(yīng)變測點布置如圖4所示。這些數(shù)據(jù)均采用IMP高速靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行同步采集。

圖4 測點布置圖Fig.4 Layout of measuring points

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 破壞形態(tài)

試件IND發(fā)生了核心區(qū)剪切破壞,而加固試件INDS發(fā)生了梁受彎破壞,且梁鉸發(fā)生了轉(zhuǎn)移。破壞形態(tài)如圖5所示。對于節(jié)點IND,當(dāng)荷載達(dá)到12 kN時,在梁端出現(xiàn)受彎裂縫;當(dāng)加載位移達(dá)到35 mm時,核心區(qū)出現(xiàn)斜裂縫。隨著荷載增加,梁端受彎縫發(fā)展為彎剪斜縫并貫穿整個梁截面,但寬度較小,而核心區(qū)斜裂縫貫通密集,將核心區(qū)混凝土劃分成若干區(qū)域。在反復(fù)擠壓下,核心區(qū)混凝土大片壓潰剝落,構(gòu)件最終發(fā)生核心區(qū)剪切破壞,如圖5(a)。

圖5 構(gòu)件破壞模態(tài)Fig.5 Failure modes of test specimens

對于加固節(jié)點INDS,當(dāng)荷載達(dá)到13 kN時,在梁端出現(xiàn)受彎裂縫;當(dāng)位移加至35 mm時,核心區(qū)出現(xiàn)細(xì)小斜裂縫;當(dāng)位移加至70 mm時,CFRP板條端部梁截面處的受彎縫不斷延伸變寬,形成彎剪斜裂縫并貫通梁高呈“X”狀,周邊混凝土壓潰剝落明顯,顯示該處塑性鉸形成,而與此同時其余位置的彎曲和斜裂縫發(fā)展基本停止,如圖5(b)。

2.2 荷載-位移曲線

荷載-位移曲線如圖6所示,屈服荷載Py、極限荷載Pu、延性系數(shù)等主要試驗結(jié)果列于表1。兩個構(gòu)件的梁縱筋均發(fā)生了屈服,但屈服范圍不同。對于試件IND,僅是柱邊的梁縱筋達(dá)到屈服,而對于構(gòu)件INDS,梁縱筋屈服首先發(fā)生于柱邊,而后向兩側(cè)延伸,核心區(qū)及CFRP板條端處的梁筋均達(dá)到了屈服。構(gòu)件INDS因為CFRP板條的貢獻(xiàn),梁筋與混凝土間的粘結(jié)退化減緩。到達(dá)極限荷載后,構(gòu)件IND因核心區(qū)壓潰而發(fā)生剪切破壞,加固構(gòu)件INDS則因塑性鉸破壞而發(fā)生受彎破壞。

由表1可見,與試件IND相比,試件INDS的承載力和延性均有所提高,承載力提高了16.3%,而延性系數(shù)提高13.7%。可見,在核心區(qū)及相鄰梁端嵌入CFRP板條,不但加強了核心區(qū)抗剪強度,還對相鄰梁端起到抗彎作用,促進(jìn)了塑性鉸轉(zhuǎn)移,改變了試件的破壞模態(tài),有效提高了節(jié)點的承載力和延性。

注:1.梁筋首次屈服;2.荷載峰值;3.屈服延伸至核心區(qū);4.正向骨架曲線;5.反向骨架曲線圖6 構(gòu)件荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of specimens

表1 主要試驗結(jié)果

2.3 CFRP板條應(yīng)變分析

在節(jié)點INDS兩側(cè)各布置了三道CFRP板條。本文以中部板條為例,說明CFRP板條應(yīng)變發(fā)展情況,如圖7。由圖可見,板條應(yīng)變的分布規(guī)律為核心區(qū)應(yīng)變大于梁端,即呈現(xiàn)中間大、兩端小的分布趨勢。這是由于在水平荷載作用下核心區(qū)所受的剪力最大,同時也表明了板條加固的有效性。同時,由圖7所見,加載初期,應(yīng)變隨著荷載增加而增加,在加載位移達(dá)到2Δy時(μ=2),板條應(yīng)變達(dá)到峰值(2 200 με);隨后逐漸減小,這主要是因為破壞逐步形成于板條端部的梁鉸區(qū)域,而使得核心區(qū)裂縫發(fā)展緩慢甚而停止。

圖7 試件INDS中部CFRP板條應(yīng)變發(fā)展Fig.7 Strain development of CFRP laminate in the middle of specimen INDS

可見,CFRP板條起到了類似箍筋的抗剪作用,不但承擔(dān)了部分核心區(qū)剪力,還對核心區(qū)混凝土起到了約束作用。這與課題組前期針對“T”形節(jié)點研究結(jié)論一致[5]。

此外,試驗發(fā)現(xiàn),由于CFRP板條對核心區(qū)及梁端混凝土起到了良好約束作用,試件INDS累積耗能能力一直高于構(gòu)件IND[10]。

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3 有限元模型的建立

3.1 單元模型的選取

采用ABAQUS建立3D非線性有限元模型,其中混凝土、加載板、CFRP板條均采用六面體減縮積分單元(C3D8R),箍筋及縱筋采用直線桁架單元(T3D2)。

3.2 材料本構(gòu)模型的選取

混凝土采用損傷塑性模型(Damaged plasticity model,DP)。通過驗算對比,選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB 50010—2010)》[11]中的本構(gòu)關(guān)系。混凝土受壓、受拉狀態(tài)下塑性應(yīng)變與非彈性應(yīng)變之比分別0.4和0.9,其他相關(guān)參數(shù)列于表2。

表2 DP模型主要參數(shù)取值

鋼筋采用全彈塑性及硬化三折線模型(強化階段為水平段),極限應(yīng)變?nèi)?.1,泊松比0.3,彈性模量、屈服應(yīng)變均由試驗值確定。對于CFRP板條,試驗研究發(fā)現(xiàn),其在整個試驗過程中始終處于彈性狀態(tài),而粘結(jié)破壞主要發(fā)生于混凝土保護層內(nèi)。因此,CFRP采用理想的線彈性模型。

3.3 粘結(jié)滑移的考慮

試驗研究發(fā)現(xiàn)[5],CFRP板條因強度高、彈性恢復(fù)力強,對混凝土起到了良好的約束作用,因此,未發(fā)現(xiàn)CFRP板條的粘結(jié)滑移現(xiàn)象,鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移也不明顯。同時,對于粘結(jié)滑移模擬,對比研究發(fā)現(xiàn),修正本構(gòu)關(guān)系法與引入彈簧單元法差別在5%以內(nèi)[12]。因此,本文采用“embed”連接方式,通過調(diào)整混凝土的受拉軟化曲線來模擬鋼筋-混凝土間的粘結(jié)滑移效應(yīng),計算結(jié)果準(zhǔn)確性高且收斂性好[12]。

4 非線性有限元模型驗證

4.1 破壞模式模擬

對比圖5和圖8可見,有限元模擬的破壞模態(tài)與試驗結(jié)果基本一致,即構(gòu)件IND破壞主要集中于核心區(qū),最終發(fā)生剪切破壞,而構(gòu)件INDS因CFRP板條的作用則發(fā)生受彎破壞,且塑性鉸發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

圖8 構(gòu)件模擬破壞模態(tài)Fig.8 Failure modes of specimens from FEM

4.2 荷載-位移曲線對比分析

模擬荷載-位移曲線與試驗骨架曲線對比(只取正向曲線)如圖9所示?？梢?有限元模型可精確地反映試件的整體受力行為,承載力試驗值與模擬結(jié)果比值達(dá)0.98,表明模型具有較高的預(yù)測精度。同時可見,有限元模擬曲線的初始剛度略偏大,可能因為在試驗過程中存在連接件(如對拉螺桿)的彈性變形或其間存在空隙等原因。

圖9 荷載-位移對比Fig.9 Comparison between load-displacement curves

4.3 CFRP板條應(yīng)力對比分析

圖10顯示了試件INDS的中部CFRP板條在水平加載位移為1倍Δy時的應(yīng)變分布對比情況,其中,橫坐標(biāo)為距離柱中線的距離,縱坐標(biāo)為板條應(yīng)變。由圖可見,有限元模型精確地模擬了應(yīng)變分布情況。模擬最大應(yīng)變?yōu)? 265 με,位于板條中位,當(dāng)加載至峰值時,該處應(yīng)變達(dá)到2 359 με,與試驗結(jié)果比值為1.07。可見,模型能較好地模擬CFRP板條在受力過程中的應(yīng)變分布和發(fā)展規(guī)律。同時,也表明了在模型中關(guān)于粘結(jié)滑移的考慮方式是可行的。

圖10 中部CFRP板條應(yīng)變對比Fig.10 Comparison between strain of middle CFRP laminate

5 基于有限元的加固設(shè)計參數(shù)分析

板條面積變化參數(shù)列于表3,對應(yīng)的荷載-位移曲線如圖11(a)所示。在加載前期,各構(gòu)件曲線幾乎重合,此時構(gòu)件損傷小,混凝土、鋼筋、CFRP板條共同工作,CFRP板條的貢獻(xiàn)不明顯。當(dāng)鋼筋屈服后,混凝土開裂發(fā)展,CFRP板條逐步發(fā)揮作用,承載力隨板條面積增大而提高。

表3 設(shè)計板條面積

圖11 影響參數(shù)分析Fig.11 Parameter analysis

對于板條間距,保持CFRP板條面積相同,設(shè)計了三種間距(表4)。由圖11(b)可見,板條面積相同時,試件承載力隨著板條間距的增加而降低。這是因為板條間距過大,板條間的混凝土得不到有效約束,核心區(qū)易先于梁端發(fā)生受剪破壞。若板條間距過小,也將一定程度上削弱節(jié)點,因此建議板條間距取100 mm。

表4 設(shè)計板條間距

板條延伸長度影響試件的破壞模式:延伸長度過短,塑性鉸易出現(xiàn)于柱邊,導(dǎo)致在后續(xù)反復(fù)加載過程中梁筋屈服延伸至核心區(qū);而延伸長度過長,則會使梁端抗彎加強過長,不易形成梁鉸。本文設(shè)計了三種長度,即150 mm、200 mm和250 mm。由圖11(c)可見,三種長度對應(yīng)的荷載-位移曲線整體趨勢基本一致,在荷載上升段差距很小(未在圖中畫出),在峰值附近,隨延伸長度的提高而稍微增大。因此建議延伸長度取0.5～1倍有效梁高。

對于基體混凝土強度,取C30、C40和C50三種類別,荷載-位移曲線如圖11(d)所示。由圖可見,在加載初期,試件處于彈性階段,混凝土強度無明顯影響;當(dāng)試件進(jìn)入彈塑性階段后,承載力隨混凝土強度的提高而提高。待加固構(gòu)件的混凝土強度往往偏低,需要注意采用有效措施防止其發(fā)生斜壓破壞。

6 結(jié)論

通過試驗研究和有限元模擬分析,驗證了CFRP板條嵌入式加固RC框架節(jié)點的有效性。主要結(jié)論如下:

(1) 試驗研究表明,在核心區(qū)及相鄰梁端嵌入CFRP板條,不但起到了類似箍筋的抗剪和約束作用,還能對相鄰梁端起到抗彎作用,促進(jìn)塑性鉸轉(zhuǎn)移,從而提高加固節(jié)點的抗震性能。

(2) 數(shù)值模擬所得破壞模態(tài)、荷載-位移曲線、板條應(yīng)變發(fā)展和分布規(guī)律均與試驗值接近,極限承載力誤差不超過5%,說明有限元模型可較精確的反映試件的整體受力行為。

(3) 節(jié)點試件承載力隨著板條面積的增大、板條間距的減小及混凝土強度的提高而提升。在實際加固過程中,過小的板條間距不經(jīng)濟且還可能削弱核心區(qū)混凝土,建議取100 mm。

(4) 板條延伸長度對節(jié)點試件承載力影響不大,但合理的延伸長度有助于塑性鉸外移,建議取0.5～1倍有效梁高。