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        水平地震力作用下預(yù)制鋼筋混凝土框架可靠性分析

        2023-11-16 07:53:38
        北方建筑 2023年5期
        關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu)阻尼抗震

        李 江 燕

        (鄭州理工職業(yè)學(xué)院建筑工程學(xué)院,河南 鄭州 451150)

        0 引言

        地震會給人們的生命財產(chǎn)安全帶來極大的威脅。因此,在地震帶的建筑中,結(jié)構(gòu)的抗震能力和可靠性顯得尤為重要。裝配式建筑因其建造成本低、污染小等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用,但其建造質(zhì)量受到預(yù)制構(gòu)件的影響較大,其中影響其抗震性能的構(gòu)件為預(yù)制鋼筋混凝土框架。水平地震力是一種存在于地震災(zāi)害中的作用力,會對建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大的破壞作用。在水平地震力作用下,預(yù)制鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的可靠性受到多重因素的影響,如結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地震荷載、建筑物的地基狀況等。為提升其抗震性能,本文對其框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,闡述框架結(jié)構(gòu)的震害機(jī)理,以期從源頭上減輕震害對建筑造成的威脅。

        在實際建筑施工過程中,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)變化及其用途制定出減小混凝土梁形變的方案,可在最大限度上保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[1]。在抗震設(shè)計規(guī)范中,應(yīng)基于“小震不壞、中震能修、大震不倒”的原則完成建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。在地震等大型災(zāi)害來臨時,框架結(jié)構(gòu)可能因為構(gòu)件損傷而出現(xiàn)形變的情況,導(dǎo)致其難以繼續(xù)使用[2]。應(yīng)對其在水平地震力作用下的可靠性進(jìn)行精準(zhǔn)分析,以實現(xiàn)震后建筑結(jié)構(gòu)正常狀態(tài)的快速恢復(fù)。掌握水平地震力作用下裝配式鋼筋混凝土可靠性分析結(jié)果,有利于提高建筑結(jié)構(gòu)的安全性[3]?;诖耍疚拈_展水平地震力作用下預(yù)制鋼筋混凝土框架可靠性分析。

        1 試驗材料性能分析

        本次試驗選用的框架結(jié)構(gòu)體積較大,可使用同一批次的C20 強(qiáng)度鋼筋混凝土進(jìn)行澆筑。選用的水泥材料是普通的硅酸鹽材料,選用的石子粒徑為5 mm~16 mm,以實驗室自來水拌制?;炷翝仓r預(yù)留出2 個150 mm×150 mm×150 mm 的試件,并將其分別編為SJ-1 與SJ-2,澆筑完畢后的試件實物見圖1。

        圖1 混凝土試件實物圖

        SJ-1 采用28 d 立方體混凝土強(qiáng)度加固,SJ-2不加固,加固步驟如下。

        1)準(zhǔn)備原試件:將需要加固的原試件表面清理干凈,去除灰塵、松散物等雜質(zhì)。

        2)制作模板:根據(jù)加固方案和試件的尺寸,制作適當(dāng)大小的木工模板,確保其能夠完全包裹住試件,并留出足夠的空間來澆筑混凝土。

        3)固定模板:將制作好的木工模板固定在原試件的外部,確保其與原試件緊密接觸、無明顯縫隙。

        4)加固混凝土澆筑:將準(zhǔn)備好的28 d 立方體混凝土攪拌均勻并澆筑到模板中,使其填充整個模板,并使用器具將混凝土充實、振實,確?;炷僚c原試件之間緊密貼合,無明顯的空隙和孔洞[4]。

        5)養(yǎng)護(hù)加固:在混凝土澆筑結(jié)束后,進(jìn)行加固部分的養(yǎng)護(hù)。具體養(yǎng)護(hù)時間需要根據(jù)混凝土強(qiáng)度、養(yǎng)護(hù)方式和環(huán)境條件等因素進(jìn)行定期檢查,確?;炷恋膹?qiáng)度、密實性和穩(wěn)定性[5]。

        6)拆除模板:在加固混凝土養(yǎng)護(hù)完畢且達(dá)到最終強(qiáng)度后,從模板中取出混凝土加固部分,并將木工模板拆卸下來。

        由于試件并非標(biāo)準(zhǔn)框架結(jié)構(gòu),在本次試驗中將抗壓強(qiáng)度×系數(shù)(0.95),以保證試驗的真實性。2 個試件的配合比見表1。

        表1 混凝土配合比設(shè)置

        按照表1 的混凝土配合比,通過利用縱筋、箍筋、角鋼、箍板等材料,經(jīng)過切割鋼筋、彎曲鋼筋、組裝模板、組裝鋼筋、安裝錨具、澆筑混凝土等步驟制作出標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土伸拉試樣。

        在鋼材表面貼上應(yīng)變片,測量出鋼材的彈性模量,并利用拉力測試儀器,分析鋼材試樣材料的力學(xué)性能[6],鋼材的力學(xué)參數(shù)見表2。

        表2 框架中應(yīng)用鋼材的力學(xué)參數(shù)

        由表2 可知,縱筋、Φ3 mm 箍筋、Φ4 mm 箍筋、角鋼、箍板、鋼套箍、約束鋼管等鋼材試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、延伸率等指標(biāo)均在框架結(jié)構(gòu)所需的要求范圍內(nèi),可保證框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了符合裝配式結(jié)構(gòu)的需求,本文使用膠黏劑對各個框架構(gòu)件進(jìn)行黏結(jié),其步驟為:首先,清潔構(gòu)件表面,去除油脂、灰塵、污垢等物質(zhì),以確保膠黏劑在兩個表面之間完全傳遞并形成均勻的黏合。其次,根據(jù)框架構(gòu)件所用材料的不同,選擇適當(dāng)?shù)哪z黏劑種類,例如聚氨酯、雙組分環(huán)氧樹脂等高強(qiáng)度膠黏劑,且需均勻涂抹膠黏劑。定位裝配結(jié)構(gòu)構(gòu)件,并使用夾具或其他裝置將其固定在一起,直到膠黏劑干燥。最后,待膠黏劑靜置24 h 后,對黏結(jié)質(zhì)量進(jìn)行檢測。膠黏劑具有足夠的黏結(jié)強(qiáng)度,能夠抵抗各個構(gòu)件的黏結(jié)老化問題[7]。根據(jù)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震需求,本文將膠黏劑的抗拉強(qiáng)度設(shè)定為42.06 MPa,不揮發(fā)物的含量占99.3%,以保證框架結(jié)構(gòu)的基本性能。

        2 試驗方法

        本文對試件在水平地震力作用下的可靠性分析是在實驗室進(jìn)行的,采用液壓伺服動作器進(jìn)行水平加載,并且將該裝置固定在實驗室內(nèi)的鋼筋混凝土框架試件上,液壓伺服動作器的最大出力約620 kN,最大位移為±200 mm。試驗中利用框架梁結(jié)構(gòu)與桿結(jié)構(gòu)來傳遞裝置施加的水平力[8]。側(cè)向約束鋼管用來約束框架結(jié)構(gòu)的平面形變,4 根角鋼組成的約束鋼框架固定在立柱底端,并與SJ-1 或SJ-2 相連。選用直徑為18 mm 的螺桿與角鋼相連接,連接的部位作為SJ-1 或SJ-2 的中心,對約束框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束剛度進(jìn)行分析。本次試驗選取框架水平位移、滯回性能、能量耗散、剛度退化等指標(biāo)完成其可靠性分析[9]。為防止試驗過程中數(shù)據(jù)丟失,本文在裝置端頭放置了傳感裝置,以掌握試驗數(shù)據(jù)。在框架結(jié)構(gòu)中,分別將8 個縱筋應(yīng)變片貼在框架結(jié)構(gòu)的柱上端與下端,框架梁的左、右兩端各布置4 個應(yīng)變片。通過DH3816 靜態(tài)應(yīng)變儀器,手動采集框架的應(yīng)變數(shù)據(jù),并將其與每個加載數(shù)據(jù)同步采集,保證采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。布置好相關(guān)儀器后,對框架結(jié)構(gòu)在水平地震力作用下的荷載-位移情況進(jìn)行分析,見圖2。

        圖2 水平地震力作用下框架結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

        由圖2 可知,在SJ-1 與SJ-2 中施加水平力,當(dāng)水平力達(dá)到350 kN 時,均未發(fā)生明顯變化。SJ-1 的水平位移在0~50 mm 之間變化,水平力在500 kN范圍內(nèi)變化;SJ-2 的水平位移在0~90 mm 范圍內(nèi)變化,水平力在0~400 kN 范圍內(nèi)變化。試驗中,當(dāng)施加的水平力達(dá)到400 kN 后,SJ-2 出現(xiàn)了梁頂界面微小開裂的現(xiàn)象。當(dāng)施加的水平力>450 kN 時,出現(xiàn)界面隨向上/下位移角在梁頂或梁張開的現(xiàn)象[10]。當(dāng)水平力>500 kN 時,灌漿槽的邊緣出現(xiàn)了小裂縫,裂縫寬度<0.1 mm 時,此時界面隨向上/下位移角在梁頂或梁張開,受到的壓力增加。與SJ-2 不同,SJ-1在加載水平力>400 kN 時,僅出現(xiàn)了梁頂界面微小開裂的現(xiàn)象。在相同條件下,對框架結(jié)構(gòu)的荷載-位移骨架情況進(jìn)行分析,見圖3。

        圖3 水平地震力作用下框架結(jié)構(gòu)荷載-位移骨架曲線

        由圖3 可知,SJ-1 在鋼筋全部拉斷的情況下,界面持續(xù)轉(zhuǎn)動,受到壓力的混凝土框架區(qū)域減小,框架結(jié)構(gòu)的延伸微小,裂縫寬度基本保持不變,最大寬度保持在0.22 mm 左右,并不隨著界面的張開或閉合而發(fā)生變化,此時荷載略有下降。當(dāng)位移至0時,裂縫不可見。SJ-2 在鋼筋全部拉斷的條件下,僅依靠鋼絞線的作用,框架結(jié)構(gòu)的荷載出現(xiàn)上升,界面持續(xù)轉(zhuǎn)動,受壓區(qū)域高度增加,其裂縫也開始增加,裂縫寬度會隨著界面的張開或閉合而變化。當(dāng)位移至0 時,裂縫仍可看見。SJ-1 在水平位移中,水平力相對較低,框架的水平壓力隨之減?。辉谡虻乃轿灰浦?,水平力相對較高,能夠?qū)蚣芙Y(jié)構(gòu)施加的水平壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橥苿恿?,以此來避免框架出現(xiàn)裂紋、坍塌等危害。SJ-2 在反向水平位移的水平力較高,正向水平力較低,不可避免地出現(xiàn)了側(cè)向裂紋,影響其繼續(xù)使用。SJ-1 與SJ-2 在骨架曲線中的屈服位移相差較小,表明試件的初始剛度基本相同,在水平位移與水平力的影響下,出現(xiàn)了屈服位移、屈服荷載變化差距增加的現(xiàn)象。SJ-2 受到鋼筋的約束作用較弱,可能對試件的抗震性能產(chǎn)生一定程度的影響??蚣芙Y(jié)構(gòu)的構(gòu)件在水平荷載下的耗能情況是抗震性能分析的直觀體現(xiàn),SJ-1 與SJ-2在循環(huán)多次的荷載作用下,累積的單圈滯回耗能情況見圖4。

        圖4 兩試件累積耗能曲線

        由圖4 可知,SJ-1 的累積耗能始終高于SJ-2,并隨著循環(huán)圈數(shù)增加而增加。SJ-2 在15 次循環(huán)往復(fù)時水平荷載累積耗能達(dá)到了60 kN/mm,該試件的控制位移較低,更容易在震害中出現(xiàn)滯回現(xiàn)象,從而影響試件對框架側(cè)向約束能力。在SJ-1 中,梁端裂縫的分布范圍較小,且其最大的裂縫寬度<0.1 mm。隨著位移角度的增加,梁端裂縫的寬度變化不明顯,并且在完全卸載后裂縫變得不可見。而SJ-2扭轉(zhuǎn)變形較大,試件的角鋼邊緣混凝土保護(hù)層出現(xiàn)了起皮現(xiàn)象,并在灌漿墊層出現(xiàn)70 mm 的水平裂縫,試件頂端與底端均存在不同程度的損傷,抗震性能不佳??筛鶕?jù)核心耗能段的極限應(yīng)變來判斷試件的極限應(yīng)變,公式如下:

        式(1)中:δc,t為試件的極限應(yīng)變;εmc,mt為受壓極限與受拉極限的軸向形變;Lk為支撐核心耗能段的長度,mm。計算出δc,t值之后,根據(jù)該值的變化情況,對試件剛度退化現(xiàn)象進(jìn)行分析,見圖5。

        圖5 兩試件剛度退化曲線(%)

        由圖5 可知,SJ-2 因扭轉(zhuǎn)變形顯著而導(dǎo)致骨架曲線與SJ-1 存在明顯差異,由此導(dǎo)致SJ-2 出現(xiàn)初始配重增加的現(xiàn)象,骨架曲線的偏差約5%,不利于試件的延性。受到初始扭矩的影響,試件退化剛度的差異在初始時已經(jīng)十分明顯。SJ-1 的位移角為-3.0%時,等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右;在位移角為0 時,等效黏滯阻尼系數(shù)趨近于0;在位移角為+3.0%時,等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右。由此可見,試件在位移角的-3.0%~+3.0%的范圍內(nèi)變化時,等效黏滯阻尼系數(shù)變化不大,表明試件具有良好的輕損傷特性。而SJ-2 的位移角為-3.0%時,等效黏滯阻尼系數(shù)在18%左右;在位移角為0 時,等效黏滯阻尼系數(shù)在5%左右;在位移角為+3.0%時,等效黏滯阻尼系數(shù)在10%左右。由此可見,試件在位移角-3.0%~+3.0%內(nèi)變化時,等效黏滯阻尼系數(shù)變化較大,表明試件存在較大的損傷,抗震性能不佳。

        3 試驗結(jié)果

        本文結(jié)合SJ-1 與SJ-2 的前后總累積耗能,反映2 個試件在水平地震力作用下的整體抗震性能。在其達(dá)到屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)等特征點(diǎn)之后,抗震耗能的滯回耗能越小,抗震性能越佳,兩框架試件的抗震耗能指標(biāo)見表3。

        表3 在水平地震力下試件框架抗震耗能分析

        由表3 可知,一般情況下,框架結(jié)構(gòu)在同級位移下循環(huán)2 次消耗的能量基本相同,各個特征點(diǎn)對應(yīng)的單圈滯回耗能達(dá)到的能量耗散越快,越不容易抵抗震害。SJ-1 的屈服點(diǎn)、峰值點(diǎn)、極限點(diǎn)的滯回耗能相對較低,框架結(jié)構(gòu)的極限位移則顯著減小,屈服荷載則有一定程度的提高,故該試件的單圈滯回耗能明顯大于SJ-2。因此,加固后的框架結(jié)構(gòu),其抗震性能更佳,建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨之增加??蚣芙Y(jié)構(gòu)的等效黏滯阻尼系數(shù)變化指標(biāo)見表4。

        表4 不同位移下框架等效黏滯阻尼系數(shù)變化分析

        由表4 可知,在框架結(jié)構(gòu)水平位移為20 mm時,SJ-1 的等效黏滯阻尼系數(shù)低于SJ-2;在框架結(jié)構(gòu)水平位移為60 mm 時,SJ-2 的等效黏滯阻尼系數(shù)低于SJ-1。由此證明,在相同水平位移下,等效黏滯阻尼系數(shù)越低,鋼筋強(qiáng)度等級對框架抗震影響越小,需要依靠后續(xù)框架結(jié)構(gòu)的加固,才能保證結(jié)構(gòu)的抗震效果。

        4 結(jié)語

        近年來,建筑結(jié)構(gòu)面對地震災(zāi)害時表現(xiàn)出的缺乏延展性與耗能的問題,容易導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)受到災(zāi)害影響出現(xiàn)嚴(yán)重破壞。考慮到框架結(jié)構(gòu)未進(jìn)行豎向荷載抵抗設(shè)計,框架結(jié)構(gòu)的滯回耗能相應(yīng)增加,導(dǎo)致框架結(jié)構(gòu)的抗剪能力降低,整體抗震性能不足。裝配式結(jié)構(gòu)能夠相應(yīng)更換減震構(gòu)件,將各個構(gòu)件現(xiàn)場澆筑,并裝配在一起,框架結(jié)構(gòu)的安全性得以保證,從而滿足建筑結(jié)構(gòu)的抗震需求。本文針對裝配式建筑的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),分析其在水平地震力作用下的可靠性,以試驗的方式,分析結(jié)構(gòu)耗能、阻尼系數(shù)等指標(biāo),結(jié)果表明,加固后的框架結(jié)構(gòu),抗震性能更佳,建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性隨之增加,對于建筑穩(wěn)定建設(shè)具有重要作用。

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