淺析防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結構的局部受力和損傷特性
防屈曲支撐正在被越來越廣泛地應用于我國既有建筑結構的抗震加固和新建建筑的地震防御。與日本、美國等抗震先進國家相比，我國在將防屈曲支撐應用于鋼筋混凝土結構方面進行了更多的工程嘗試。
然而，由于混凝土構件具有局部抗拉性能差的特點，在將鋼制防屈曲支撐在混凝土構件相連時，其連接節(jié)點的受力狀態(tài)較為復雜。國內近年來對此開展了一些有針對性的研究，提出并通過試驗檢驗了在鋼筋混凝土構件內埋置節(jié)點板的連接方式。另一方面，當將防屈曲支撐的節(jié)點板設置于梁、柱節(jié)點的一隅而同時與梁端和柱腳相連接時，框架梁、柱的變形將使節(jié)點板處于復雜的應力狀態(tài)中；節(jié)點板也會對框架梁、柱的變形性能產生影響。為避免這兩方面的不利影響，有學者提出將防屈曲支撐只與梁端相連，而不與框架柱發(fā)生任何接觸，如日本學者提出的采用高強預應力鋼棒將防屈曲支撐節(jié)點板緊固在梁端側壁的做法如；美國學者針對鋼結構提出的“非約束節(jié)點板”的做法。我國《建筑結構消能減震(振)設計》標準圖集(09SG610-2)中也包含僅在梁端連接消能器的做法，但僅針對噸位相對較小的黏彈性消能器。在文獻介紹的工程實例中，則將該方法用于采用防屈曲支撐對既有鋼筋混凝土框架結構進行的抗震加固。本文針對僅在梁端連接防屈曲支撐的做法，提出兩種不同的連接構造形式，并采用梁端局部損傷控制措施，保證連接部位的性能。
1 連接節(jié)點損傷控制方案
本文研究的兩種梁端防屈曲支撐連接節(jié)點方案如圖 1 所示。二者的共同點在于采用類似于文獻[6]提出的“非約束節(jié)點板”的做法，防屈曲支撐節(jié)點板與混凝土柱之間人為的設置一定的間隙，以保證即使當結構發(fā)生較大的側向變形時，節(jié)點板也不會與柱發(fā)生接觸。二者的區(qū)別在于節(jié)點板與梁端的連接形式。其一采用貫穿梁高的高強預應力鋼棒將節(jié)點板底板緊固于混凝土梁表面(圖 1a)；其二則將節(jié)點板延伸預理在混凝土梁端內部，并預埋段設置栓釘以傳遞力(圖 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
對于這種僅將防屈曲支撐與梁端相連的情況，節(jié)點板與柱之間的間隙處的梁段處于非常不利的受力狀態(tài)。當防屈曲支撐受拉時，這一段的梁截面可能同時受到較大的拉力、剪力和彎矩作用，從而使這一部位容易發(fā)生不利的脆性破壞。即使不發(fā)生破壞，如果梁端損傷集中在這一部位(即在此處出現塑性鉸)，會不可避免地對防屈曲支撐連接節(jié)點的受力性能產生不利的影響。為此，有必要通過合理的損傷控制手段，消除隱患，減輕不利影響，以提出連接節(jié)點的的受力性能。【圖1】
本文采用最為簡單直接的調整梁內配筋的方式進行局部損傷控制，即在混凝土鋼原有配筋的基礎上，一方面增加連接節(jié)點部位對應的梁端的縱筋，與此同時適當減少連接節(jié)點以外部分的梁縱筋，使帶有防屈曲支撐的混凝土梁的受力承載力與純框架梁相當，同時將梁端預期塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點以外區(qū)域，具體如圖 2 所示。【圖2】
2 試驗設計
為檢驗上述連接節(jié)點形式與損傷控制方案的有效性，設計如圖 3 所示的包含半跨懸臂梁段和防屈曲支撐節(jié)點板的子結構試驗。由于采用非約束節(jié)點板，混凝土柱對連接節(jié)點的受力性能影響可忽略不計，在試驗中以剛度更大的地梁代替。此外，為簡化試驗加載裝置，不采用實際的防屈曲支撐，而是采用一臺傾斜安裝的力控的作動器模擬防屈曲支撐傳遞給連接節(jié)點的集中軸力。同時采用兩臺并聯的位移控制的作動器在梁跨中反彎點位置(在試驗中即為懸臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁產生變形。
共設計 5 個試驗體。其中 1 個為不含防曲支撐的純框架對比試件。另外 4 個分別采用圖 1 所示的兩種不同的連接節(jié)點形式，對每種連接形式又有調整和不調整梁端配筋兩種情況。梁凈高 1800mm，截面為450x275mm，配筋如圖 2 所示。防屈曲支撐傾角為 40 度，節(jié)點板與混凝土柱(在試驗中即為地梁)表面的間隙為 10mm。假想的防屈曲支撐極限承載力為 500kN。對于采用如圖 1(a)所示的預應力鋼棒連接的試件，采用 6 根直徑 21mm 的高強鋼棒施加合計 1500kN 的預緊力。對于采用如圖 1(b)所示的預埋板連接的試件，預埋板上均勻設置兩面共 24 根直徑 16mm 名義屈服強度 235MPa 的栓釘。各個試件的混凝土圓柱體強度平均值約為 70MPa。
試驗采用擬靜力循環(huán)加載。層間位移角幅值從 1/400 逐漸增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加載兩圈，而在 1/100 和 1/50 下僅各加載 1 圈。在完成 1/50 的加載循環(huán)后，將試驗體沿正方向單調推覆，直到作動器行程用盡。最終各個試驗體對應的最大層間位移角均超過 1/20�！緢D3】
3 試驗現象
限于篇幅，本文僅給出含有防屈曲支撐的試驗體在加載至 1/20 層間位移角時的破損情況，如圖 4 所示。
對于未調整梁端配筋(即未做損傷控制)的 2 號和 3 號試驗體，在正向加載下均在梁根部，即梁與柱相接處發(fā)生集中損傷，形成塑性鉸區(qū)。由于同時受到節(jié)點板傳遞的集中拉力和剪力的作用，這一區(qū)域損傷集中。
對于采用預應力鋼棒連接的 2 號試驗體，節(jié)點板下方區(qū)域由于受到較大的預壓力，裂縫擴展受到抑制，損傷主要集中在預留縫隙對應的狹窄的梁端內。對于采用預埋板連接形式的 3 號試驗體，這一區(qū)域發(fā)生了非常嚴重的混凝土壓潰現象，并導致預埋節(jié)點板向柱側靠近并在較大的層間位移角下與柱表現發(fā)生擠壓。
相比之下，本文采用的調整配筋的損傷控制方式成功地將梁端塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點外側，即遠離梁柱節(jié)點處，如圖 4(c)(d)所示，而防屈曲支撐連接節(jié)點對應的梁端的損傷則相對而言非常輕微，基本保持彈性。這有利于最大限度地保證連接節(jié)點的剛度和連接性能，減小因連接節(jié)點發(fā)生變形而減小防屈曲支撐的有效變形�！緢D4】
4 結論
本文通過含有防屈曲支撐節(jié)點板的半跨懸臂鋼筋混凝土梁的擬靜力試驗，檢驗了采用非約束節(jié)點板進行連接的防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結構的局部受力和損傷特性，同時檢驗了通過調整配筋以轉移梁端損傷部位的局部損傷控制效果。試驗結果表明，采用局部損傷控制的非約束節(jié)點連接形式能夠達到預期的效果。
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鋼筋混凝土裂縫的成因機理及控制策略
混凝土裂縫是鋼筋混凝土施工中常見的問題，沒有規(guī)律，縱橫交錯，分布不均。按裂縫深度的不同，主要有表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫三種。鋼筋混凝土裂縫產生的原因很復雜，采取應對的預防及處置措施也是不同的。在實際施工過程中，需要按照規(guī)定的步驟操作，控制好設計、施工工藝、養(yǎng)護等關鍵環(huán)節(jié)，合理地選擇原材料，采取預防和正確的控制措施，才能更好地控制鋼筋混凝土裂縫的產生，從而保證工程質量的提高。現根據多年來現場施工的實踐經驗和教訓，本文對鋼筋混凝土施工中裂縫的成因和處理措施做一下探討。
1 鋼筋混凝土裂縫的類型
各種鋼筋混凝土的裂縫類型中，最常見的主要有以下 2 種情形：（1）塑性收縮裂縫：日凝結硬化前的混凝土依然在塑性狀態(tài)時，水分從混凝土表面易蒸發(fā)，因失水較快使表面發(fā)生收縮，而內部水化熱過高，澆筑數小時仍處于塑性狀態(tài)，混凝土暴露的表面收縮形成裂縫。裂縫深度一般不大，大多為不規(guī)則短裂縫、網狀或爆裂狀裂縫，呈互不連貫狀態(tài)。這種裂縫大多出現在混凝土澆筑初期。（2）干燥收縮：通常在混凝土養(yǎng)護完以后出現。混凝土硬化后，混凝土表面缺乏水分，由于氣候影響蒸發(fā)引起干縮，混凝土內部硬化程度不夠，產生較大的拉應力，干縮變形因受到內部約束，就會使得混凝土表面被拉裂。一般產生在硁表面很淺的位置，裂縫呈平行線狀或網狀，分布多沿構件的方向，嚴重時可貫穿整個構件截面。
2 裂縫的成因及機理
正確認識和積極的探討鋼筋混凝土裂縫的成因，從而采取相應的預防措施，是控制和減少鋼筋混凝土裂縫產生最有效的途徑之一。
2. 1 水泥溫度變化的影響
鋼筋混凝土施工過程中，水泥水化過程要釋放出一定的熱量，如混凝土結構較厚，因其自身又具有一定的保溫性能，使得水化過程中產生的大量熱量得不到及時散發(fā)，在混凝土內部熱量不斷累積。而混凝土表面水分易蒸發(fā)，溫度冷卻快，導致混凝土結構內部與表面的溫度差增大。內熱外冷導致混凝土表面冷縮，內部熱脹產生的應力，相互約束。
受到外界約束的作用，根據混凝土自身的特性，高溫時彈性變量小，產生的變形較小，混凝土內產生的應力也較小。當混凝土內由于水化熱得不到散發(fā)而膨脹使表面變形，變形會遭到內部應力的約束，但內部應力超出極限值時，變形較大，結構內隨之產生較大應力，應力超過混凝土抗拉強度時，產生溫度裂縫。在后期的降溫過程中，因受到基礎混凝土或老混凝土的約束，也會在混凝土內部出現拉應力。外部氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗拉能力時，就會出現裂縫。
2. 2 鋼筋混凝土材料及配合比的影響
混凝土材料配合比若設計不當將直接影響砼的抗拉強度，造成混凝土開裂。粗細骨料的粒徑越細小、針片含量越多，混凝土的用灰量、用水量越多，收縮量就會越大；混凝土外加劑、礦物摻合料的選擇或者摻加量不當，也會增加混凝土的收縮；水泥品種的原因，礦渣水泥、火山灰水泥干縮性較大，普通水泥、硅酸鹽水泥、粉煤灰干縮性較小；水泥等級及混凝土強度等級的原因，水泥等級越高、細度越小、早期強度越高對混凝土開裂的影響越大；混凝土的設計強度等級越高，混凝土脆性越大、越易開裂。
2. 3 外部氣溫的影響
鋼筋混凝土施工時外部氣溫的影響很大，外部氣溫出現乍冷乍熱，內外層混凝土溫差會急劇增大，溫差大對鋼筋混凝土施工是極為不利的，將直接影響混凝土的質量。因為溫差引起溫度應力的變化，溫差大，隨之溫度應力也會變大。比如在高溫條件下，混凝土表面的水分蒸發(fā)加快，混凝土內部熱量難以消散，內部溫度升高，加上不易散熱，混凝土內部熱量不斷的累積，持續(xù)時間長，內部的體積膨脹，強度不能承受表面的急劇收縮，產生的體積內漲外縮，從而導致裂紋產生。因此，澆筑完成后，應及時養(yǎng)護，盡量消除或減小混凝土內外溫差引起的溫度應力，才能盡可能地避免鋼筋混凝土出現裂縫。
3 控制鋼筋混凝土裂縫對策
控制和預防鋼筋混凝土裂縫是有一定難度的，要盡量避免或者控制在合理范圍內，就一定要從設計、施工工藝、養(yǎng)護等各個階段采取有效措施。了解混凝土內外溫度變化的規(guī)律，尤其是對溫度應力的控制，合理選用混凝土的各種原材料，嚴格控制水泥的用量。在施工過程中，應適量摻加合適的礦物摻合料和外加劑，優(yōu)化混凝土配合比。認真研究混凝土裂縫形成的原因，區(qū)別對待各種不同類型的裂縫，分別采取合理的處理方法。施工中預防措施要做到位，按規(guī)范規(guī)定施工，實時進行溫度監(jiān)測，加強養(yǎng)護，以保證工程的質量。
3. 1 混凝土的配合比
為了防止鋼筋混凝土裂縫的產生，應優(yōu)化混凝土的配合比，具體的措施如下：要嚴格控制集料級配和含泥量，摻加適量的礦物摻合料，選擇恰當的水灰比，并且在滿足強度要求的原則下盡可能的減少混凝土中水泥用量；可加入早強劑、緩凝劑、速凝劑、引氣劑、減水劑等外加劑，改善混凝土的性能；夏天高溫天氣拌合混凝土時可用冰水將碎石冷卻以降低溫度；澆筑厚大體積混凝土時，應選用水化熱較低的水泥；配制高強度混凝土，應選用硅酸鹽水泥。
3. 2 施工工藝
利用施工工藝措施控制溫度應力，在混凝土澆筑時要控制好澆筑層厚度和澆筑的速度以便于散熱。在澆注時，可采用分層分段施工的方法，降低單位澆筑體積，擴大散熱面積，利用澆筑面來散熱�？稍诨炷涟韬衔锇韬嫌盟屑尤氩糠炙楸越档突炷恋臏囟��？刂坪萌肽囟群吞涠�。還可采用人工導熱，預埋冷卻水管用循環(huán)水降低混凝土溫度。
澆筑混凝土前應對鋼筋上的油漬、泥漿等污物和氧化鐵皮進行清除，以免影響粘結力。鋼筋的位置、規(guī)格和保護層厚度要符合設計的要求。模板及支架結構應簡單，制造與裝拆方便，并且應具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性。模板安裝的位置要準確、牢固，在施工中應避免變形�；炷吝\輸、澆筑的全部時間應在混凝土的初凝時間內完成。混凝土振搗操作應合理，過分地振搗對砼的均勻性有害，但振搗不足又不能保證砼應有的密實度，要恰到好處，以使得混凝土表面現出浮漿、不再出現氣泡并不再沉落為準。
3. 3 混凝土養(yǎng)護
混凝土的早期養(yǎng)護，其主要目的在于保持適宜的溫度和濕度條件，以便達到更好效果：首先要使混凝土免受不利溫度、濕度變形的影響，防止有害的收縮；其次要使水泥水化作用順利進行，以期達到設計的強度和性能。
混凝土的保溫要達到的要求如下：控制混凝土內外溫差幅度，以防止混凝土表面裂縫的產生。要防止混凝土溫度超低，使混凝土在施工期的最低溫度不低于混凝土使用期的`穩(wěn)定溫度。防止舊混凝土與新混凝土之間溫差過大，以減少新舊混凝土間的約束。
另外，養(yǎng)護是為了使混凝土正常硬化，強度增長，不受或少受外界影響。常用的養(yǎng)護方法有保濕覆蓋或噴灑養(yǎng)護劑等方式，在雨天或養(yǎng)護水充足的條件下，可采取灑水濕養(yǎng)護方式，對一般的混凝土結構，要減少表面收縮，防止龜裂是可行的。要在達到規(guī)定時間或強度后方可拆模，當氣溫驟降時應進行表面保溫，以免混凝土內外產生過大溫差；施工中長時間暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構，在冬季或寒冷天氣時應采取保溫措施，拆模后要立即覆蓋或及時回填，消減外界氣候的影響。
4 結束語
減少鋼筋混凝土裂縫的產生，就需要嚴格的把好工程的質量關，充分考慮材料組成、施工工藝、養(yǎng)護與溫控等各種因素的影響，采取措施控制溫度應力問題，按照規(guī)定的施工工藝步驟操作，控制好施工過程的各個環(huán)節(jié)，是能夠有效防止裂縫的產生，以提高鋼筋混凝土工程質量。
在具體施工中應多觀察、多比較，當出現問題后要多分析、多總結，并積極采取各種預防處理措施，是可以盡量減少或避免鋼筋混凝土裂縫的產生。
參考文獻：
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鋼筋混凝土異形柱抗震性能試驗研究
隨著我國城市建設發(fā)展腳步的不斷加快，鋼筋混凝土異形柱在建筑工程中的應用也越來越廣泛，如何從根本上確保工程的抗震性能滿足需求也成為了工程建設單位所面臨的一項重大課題。想要確�？拐鹦阅軡M足需求，必要的抗震性能試驗是必不可少的，工程建設單位應該結合工程的實際情況，合理開展試驗工作，以此來為工程建設提供參考，提升工程整體質量。
1 試驗概況
就目前異形柱的分類來看，大致可分為三種類型，即十形柱、L 形柱和 T 形柱。為了確保試驗結果的針對性和全面性，本次試驗共選 12 根異形柱作為試驗對象，每種類型的異形柱各四根，相應的軸壓比分別為 0.182、0.456 和0.730。每個模型柱均嚴格按照我國現行的抗震規(guī)范加密箍筋，各個試件的混凝土強度等級均為 C30，并采用細石混凝土澆筑，縱筋用直徑分別為 10、8、5 的 I 級鋼筋，箍筋用 8# 鐵絲制作。
2 試驗結果及分析
2.1 剛度、承載力和延性實測結果及分析 表 1 給出的是各個試件的初始彈性側移剛度數值與計算數值的對比，從表中我們能夠看出，在軸壓比不斷增加的情況下，側移剛度也會在一定程度上增加。同時，通過對各個試件屈服荷載與極限荷載的試驗我們可以得出，隨著軸壓比的不斷增加，各個試件的屈服剛度也會有所提高，然而相應的延性系數卻會隨之變小。帶暗柱異形柱與普通異形柱相比，在其他條件均相同的情況下，其承載力及延性明顯提高。通過對表 1 給出的各項數值的計算我們能夠得出，在接受試驗的 12 根異形柱中，十形柱 ZXD-4 的承載力和延性系數與 ZXD-3 相比，分別提高了 25.8%和 41.1%。L 形柱 ZLD-4 的正向承載力、負向承載力、正向延性系數和負向延性系數與 ZLD-3 相比，分別提高了 19.2%、12.5%、11.5%和 10.3%。T 形柱 ZTD-4 的正常承載力、負向承載力、正向延性系數和負向延性系數與 ZTD-3 相比，分別提高了 16.3%、28.9%、35.1%和 16.5%。
2.2 滯回曲線及恢復力模型 從本次試驗我們能夠得出，相對于普通異形柱來說，帶暗柱異形柱無論是承載力還是耗能能力，都相對較高，尤其是帶暗柱十形柱與普通十形柱之間的差距，更是非常明顯。鑒于此，為了更好的確保工程的抗震性能，對于規(guī)則的異形柱框架結構，如果采用層模型對其進行分析，應該確保 L 形柱和 T 形柱成對布置，以此來確保滯回曲線的對稱性。然而，對恢復力模型的選擇，則可以以 Clough 模型為主，Clough 模型是表達剛度退化效應的一種雙線模型，如果對開裂點進行充分考慮，那么則可以選擇剛度退化三線型模型。利用這種模型，異形柱的彈性剛度和屈服時的割線剛度都可以通過計算獲得。本次實驗結果可供參考，但需要指出的是，實際取用Clough 模型中的相關數值，應該根據工程所采取的異形柱的實際情況，按照耗能等效的原則或其他方法進行合理確定。
2.3 破壞形態(tài)分析 從本次試驗我們能夠得出，雖然試驗對象為三種不同類型的異形柱，然而三者卻有以下共同特征：首先，都屬于彎曲型破壞，無論是十形柱、L 形柱，還是 T 形柱，其斜裂縫的范圍相對于剪跨比較大的同類異形柱來說，要大一些，且裂縫相對較寬。從柱根部向上其裂縫逐步由水平裂縫變化為斜裂縫，這是彎矩與剪力比值變化的結果。其次，隨著軸壓比的不斷增大，與之相應的塑性鉸域也會隨之增大。再次，相對于普通異形柱來說，帶暗柱異形柱的塑性鉸域要發(fā)展的更加充分，塑性鉸域越大，說明其耗能能力越強。最后，翼緣對腹板裂縫的開展有較強的限制作用。其中帶暗柱 L 形柱、T 形柱與其相同軸壓比的普通 L 形柱和 T 形柱相比，其破壞形態(tài)要表現的更加明顯。
3 結語
綜上所述，異形柱的抗震能力直接關系著工程整體結構的抗震能力，因此，為了確保鋼筋混凝土異形柱工程建設滿足需求，在開展施工作業(yè)之前，必須做好相應的抗震性能試驗與分析工作，以此來為工程的合理建設提供一定的參考依據，促進工程質量的進一步提升。
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鋼筋混凝土結構的原理與設計措施
0 、引言
混凝土作為目前世界上最大的商品之一是因為混凝土具有較好的延性和較高的強度，因此在結構設計中被廣泛使用。在結構設計時應根據結構的具體設計環(huán)境要求選擇混凝土強度等級。由于在設計過程中設計人員的不同而導致設計風格和理念有差異，因此在設計過程中會存在不同的設計方案，結構的質量也會有所差異。
1、 鋼筋混凝土結構的原理
廣義上的鋼筋混凝土結構是由在混凝土中配有一定數量的鋼筋而形成的新型結構。在鋼筋混凝土結構中鋼筋主要承受拉力而混凝土主要承受壓力，混凝土和鋼筋共同工作使鋼筋混凝土結構具有優(yōu)良的抗壓和抗拉性能、延性、耐久性等，使得鋼筋混凝土結構達到使用要求。由于鋼筋混凝土結構具有這些優(yōu)良的性能，尤其在防火性能上遠遠高于鋼結構，因此綜合性價比較高，工程造價較低，在工程上被普遍使用。
1． 1 原理
素混凝土結構是由純混凝土組合而成具有較好的抗壓性能，但是抗拉性能和延性較差，因此為改善混凝土結構的抗拉性能和延性需要在混凝土結構中布置鋼筋，極大改善混凝土結構的受力性能和使用性能，抵抗外部荷載，增加其耐久性能。
1． 2 特性
鋼筋混凝土結構的主要特性表現在其熱脹冷縮和延性等反應中�；炷两Y構在水泥水化反應過程和季節(jié)交替時的熱脹冷縮過程中使得混凝土具有拉應力，混凝土內的鋼筋產生壓應力，這時應對混凝土材料本身進行設計，改善混凝土結構的收縮性能。通�；炷恋难有院突炷恋膹姸扔兄苯雨P系，強度越高延性越差，因此在設計時應根據工程具體情況選擇不同強度的混凝土。一般的混凝土在 － 40 ℃ ～ 60 ℃ 時具有較好的、穩(wěn)定的物理性能，因此在低于或者高于規(guī)定環(huán)境時應對混凝土結構采取一定措施防止混凝土凍害或者膨脹破壞。
2、 設計要求
對于鋼筋混凝土結構設計應根據建筑物所在地區(qū)和所擁有的建筑材料采用合理的設計，如抗震要求、高度限制、地理環(huán)境要求等對混凝土結構進行特殊設計等，但是在結構設計過程中可能會和建筑設計有沖突，因此在結構設計時應和建筑設計綜合考慮，對混凝土結構進行優(yōu)化設計，不失建筑風格的美觀又不失結構的安全性能。相對于建筑設計講，結構設計主要考慮結構的穩(wěn)定性和安全度，尤其對于我國而言主要是提高結構的抗震性能。
根據結構的尺寸比例對混凝土結構進行恰當劃分，對結構進行精確的橫豎向荷載分析，綜合考慮結構所承受的多向應力。
3、 設計措施
3． 1 結構選擇
進行結構設計時，由于建筑所處地勢不同、風俗不同，因此在進行設計時會存在不同的風格和設計理念，因此設計的前提是對當地的風土人情、風俗習慣和地理環(huán)境進行充分的調查，最后根據結構的設防等級和抗震等級進行設計。目前在高層設計中主要使用的是剪力墻結構，剪力墻結構具有抗震性能好、工程造價低、施工周期短、隔音效果好等優(yōu)點而被廣泛使用，盡管剪力墻結構房間開間小，房間面積小，但是并不影響剪力墻結構在結構設計中的應用。
3． 2 剛度處理
隨著社會的發(fā)展和人民的需要，建筑朝著超高層建筑發(fā)展，由于建筑高度的增加對建筑物的整體剛度要求也隨之增加，此時應對結構側移進行一定控制。眾所周知建筑物的豎向荷載對結構的抗震性能有著決定性因素，因此在進行結構設計時應根據結構的具體方案選擇是否提高結構的剛度或提高其延性。在目前的住宅設計中絕大多數采用的是剪力墻結構，由于住宅的房間布置限制使得墻體布置較多，并且在設計時往往采用的剪力墻墻壁較厚，但是并不是所有地區(qū)都需要布置較多的剪力墻和較厚的墻壁，因此相對于有些地區(qū)的結構設計往往會造成許多浪費，因此在結構設計時可以在滿足結構位移的要求下將主體結構設計的相對柔些，不僅滿足抗震要求而且將工程造價降到最低。
3． 3 加固方法的應用
鋼筋混凝土結構出現質量問題時通常采用兩種加固方法進行加固: 1) 碳纖維加固; 2) 預應力加固。采用碳纖維加固的原理是碳纖維抗拉強度高、加入到混凝土中抗裂性能好等。通過碳纖維和環(huán)氧樹脂配合使用可形成一種新型混凝土加固材料，有效提高原混凝土結構的強度和抗裂性能。限制碳纖維加固應用的條件是采用此種加固方法對外界環(huán)境影響較大，施工過后要對加固部分進行防火處理，以免帶來火災隱患。采用預應力加固的原理是通過在結構外部設置拉桿或撐桿對結構進行加固，從而提高結構承載力，分散結構內力達到應力重分布的狀態(tài)。預應力加固法一般廣泛應用于大跨度鋼筋混凝土結構或大型承重型結構等。
4 、結語
工程建設中鋼筋和混凝土成為目前世界上的大宗商品，鋼筋和混凝土的質量好壞成為影響結構穩(wěn)定性和耐久性等的關鍵因素，加上結構設計師對鋼筋和混凝土兩種材料合理組合搭配形成一種具有高度抗拉、抗壓和抗裂等良好性能的建筑材料，從而確保結構穩(wěn)定、安全，為我國建筑行業(yè)乃至全球建筑行業(yè)打下堅實基礎和做出貢獻。
參考文獻:
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少支撐框架結構體系的定義和基本設計原則
建筑地震災害的嚴重性是我國的基本國情之一。近年來發(fā)生的幾次破壞性地震反映出建筑結構抗震能力不足的兩個主要原因：
一方面，我國采用三水準兩階段的抗震設防目標，但近年來發(fā)生的破壞性地震中，強震區(qū)的實際地震烈度經常遠高于當地的設計罕遇地震烈度水平。如我國四川省汶川縣的抗震設防烈度為 6~7 度，而 2008年 512 汶川 8.0 級地震發(fā)生時震中烈度達到 11 度，災區(qū)許多地方的實際烈度超過設計罕遇地震 1~3 度，這是導致許多重災區(qū)建筑結構損壞甚至倒塌的重要原因。在汶川地震后，我國的相關規(guī)范進行修改，提高了部分建筑的抗震設防類別和部分地區(qū)的抗震設防烈度，這樣，要求對災區(qū)既有建筑進行抗震加固以滿足新的抗震設防要求，其中對鋼筋混凝土(RC)框架結構增設少量鋼支撐是有效的抗震加固措施之一。
另一方面，上部 RC 框架結構的主要震害形式為：柱端出鉸、柱剪切破壞、節(jié)點區(qū)破壞、薄弱層嚴重破壞、預制樓板與梁的連接不當引起的破壞、現澆樓梯的破壞等等，由于結構體系布置不合理、現澆樓/屋蓋體系對框架梁抗震性能的影響、現澆樓梯斜跑的抗側貢獻和填充墻對結構抗側剛度的影響等因素，許多既有 RC 框架結構很難實現建筑抗震設計規(guī)范中要求的“強柱弱梁”等理想破壞模式。另外，即使合理設計與施工的 RC 框架結構能夠滿足“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點強錨固”等抗震設計要求的破壞模式，但框架結構存在抗震防線單一、缺乏足夠冗余度的問題。
國內外多次大地震的建筑震害表明，采用純框架結構的房屋，其倒塌率遠遠高于設置剪力墻等的框架結構房屋。汶川地震后，作者在災后現場應急評估中發(fā)現，在 RC 框架結構中設計少量鋼支撐或排架柱間的柱間交叉支撐，就能有效控制結構的側向變形，提高原結構的承載能力和抗地震倒塌能力(圖 1)�！緢D略】
受到這些成功抵御地震作用建筑結構的啟發(fā)，本文作者提出了在框架結構中設置少量鋼支撐的少支撐框架結構體系的概念，目的是改變框架結構的抗側力結構體系，增加框架結構的抗震防線，不僅提高原框架結構的抗側剛度與承載力，保證原結構在設計罕遇地震下不倒塌，而且可以在超越設計罕遇地震的地震作用下不倒塌，從而提高框架結構的抗地震倒塌能力。本文在劉慶志的相關研究基礎上，完成了這種新結構體系的受力機理分析與抗地震倒塌能力的評估，提出了少支撐框架結構體系的定義與基本設計原則建議，供相關研究人員與設計人員參考。
1 現行相關抗震規(guī)范的規(guī)定
對于框架-剪力墻結構體系，在水平力作用下，底層框架承受的地震傾覆力矩與結構總地震傾覆力矩的比值不盡相同，結構的性能也有較大的差別�！陡邔咏ㄖ炷两Y構技術規(guī)程》JGJ 3-2010(后文稱《高規(guī)》)第 8.1.3 條根據在規(guī)定水平力作用下，底層框架的傾覆力矩分擔率對框架-剪力墻結構體系進行了細分，并對每一種結構體系的設計方法和側向位移控制指標作出了較為具體的規(guī)定(見表 1)。朱炳寅建議的結構體系細分的類別和標準與《高規(guī)》的規(guī)定基本一致�！颈�1】
對于框架-支撐框架結構體系，我國《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011—2010(后文稱《抗規(guī)》)第 G.1.3條第 5 款對其有明確的定義：“底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應大于結構總地震傾覆力矩的 50%”。這類結構中鋼支撐框架比較強，支撐屬于強支撐。而當結構中鋼支撐框架比較弱時，框架將承擔較大的地震作用，設置少量鋼支撐的 RC 框架結構與含有少量剪力墻的框架結構類似，但現行規(guī)范中對這種結構體系尚無明確定義。為了能夠合理提出這類結構的定義，本文以一座典型 RC 框架結構為例，分析了設置不同數量鋼支撐后結構抗側剛度、動力特性、底層框架的基底剪力與傾覆力矩分擔率變化等，結合對結構完成的靜力PUSHOVER 分析得到的能力曲線結果等，借鑒現行規(guī)范對框架-剪力墻結構、含有少量剪力墻的框架結構的相關規(guī)定，提出了少支撐框架結構的定義，為這類結構體系的推廣應用特別既有框架結構的抗震結構提供借鑒。
2 RC 框架結構與鋼支撐 RC 框架結構對比
2.1 工程概況及構件設計
某 6 層 RC 框架結構，抗震設防烈度為 8 度(0.20g)，地震分組為第二組，場地類別Ⅱ類。結構縱向 5跨、橫向 3 跨，首層層高 4.0m，其余各層層高 3.6m，如圖 2 所示�？蚣芙Y構的梁、柱、樓板均為現澆，混凝土強度等級均為 C30，鋼筋均采用 HRB400 級熱軋鋼筋�？v向和橫向邊跨框架梁截面尺寸為 250mm×500mm，橫向中跨框架梁截面尺寸為 250mm×300mm；1~4 層框架柱截面尺寸為 500mm×500mm，5~6層為 400mm×400mm；樓板厚度為 100mm。假設樓面地面做法與吊頂等的等效附加恒載標準值為3.0kN/m2，樓面活載標準值取 2.5kN/m2；屋面除結構重量外的等效附加恒載標準值為 3.0kN/m2，屋面不上人，活荷載標準值為 0.5kN/m2。假設建筑外圍維護墻與沿軸線隔斷墻的等效線荷載為 6kN/m，作用于相應的框架梁上，假設結構嵌固在地面，不考慮基礎埋深與回填土的側限。該建筑結構總高為 22.0m，根據《抗規(guī)》規(guī)定，抗震等級為二級。結構分析設計采用 SATEWE軟件完成，對應的結構模型稱為 Model0。【圖2】
在上述 RC 框架結構中增加鋼支撐，成為帶鋼支撐 RC 框架結構。支撐布置在外側四榀框架的中跨，沿結構通高布置(如圖 3 所示)。支撐選用防屈曲支撐(BRB)，芯材選用 Q235 鋼材，工作段鋼芯為一字型截面，非工作段為十字型截面。參考哈爾濱工業(yè)大學馬寧和同濟大學李國強的方法設計 BRB 支撐，使得BRB 鋼芯在層間位移角 1/550 時保持彈性狀態(tài)。設計了四種支撐截面(表 2)，研究支撐剛度與承載力變化對鋼支撐 RC 框架結構性能的影響。對應的結構模型分別稱為 Model1、Model2、Model3 與 Model4�！緢D3.表2】
在原框架結構中增加鋼支撐后，采用 SATEWE 軟件重新分析帶鋼支撐的 RC 框架，框架梁柱的截面尺寸和配筋采用分別按純框架結構和帶鋼支撐 RC 框架結構滿足抗震設計要求條件下的結果設計包絡值。由于鋼支撐的影響，與其相連的框架柱承受更大的軸力和彎矩，柱軸壓比和配筋都增大。其中，增設 4 號支撐后，結構首層與支撐相連的部分框架柱不再滿足《抗規(guī)》中關于軸壓比 0.75 的限值要求，將帶 4 號支撐框架結構 1~4 層與支撐相連的部分框架柱(圖 2 中 1-B、1-C、6-B 及 6-C)截面尺寸放大至 550mm×550mm。
在通用分析平臺 OpenSees中分別建立了上述結構的有限元分析模型。混凝土采用 OpenSees 中的concrete01 材料，采用了 Kent-Scott-Park的骨架曲線和 Karsan-Jirsa加卸載準則，且不考慮混凝土受拉；鋼筋采用 OpenSees 中的 Steel02 材料，骨架曲線為雙折線，并可反映鋼筋的 Bauschinger 效應。表 3 列出了 Model0~Model4 模型沿 Y 方向(橫向)的基本周期、設置鋼支撐后原框架結構剛度及地震基底剪力的變化情況。可以看出，隨著支撐截面面積的增加，支撐對整個結構的剛度貢獻增加，地震作用也增大，地震作用的增幅小于剛度增幅，由此推測增加鋼支撐將有效控制原結構的位移，但是，對鋼支撐導致的剛度增幅需要控制在一定幅度內為好�！颈�3】
2.2 基底剪力及傾覆力矩分擔率分析
1) 彈性階段的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率參考規(guī)范對少墻框架的定義，分析鋼支撐 RC 框架結構彈性階段在指定水平地震作用下的底層框架地震傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率。因為單榀支撐框架的作用類似于一片剪力墻，而在框架-剪力墻結構中，剪力墻以及與墻相連的框架柱看做同一片剪力墻(稱帶端柱剪力墻)(見圖 4 左)，所以鋼支撐 RC 框架的“支撐框架剪力分擔率”和“支撐框架傾覆力矩分擔率”計算時的支撐框架是指支撐本身及與所在跨中與其相連接的框架梁柱(圖 4 右紅色部分)，而“框架剪力分擔率”和“框架傾覆力矩分擔率”計算時的框架是指的其他框架梁柱(圖 4 右黑色部分)。根據反應譜底部剪力法(考慮頂部集中力)得到結構各層的等效水平地震作用，對各結構模型進行小震下彈性分析。Model1~Model4 彈性階段的底層框架傾覆力矩分擔率和基底剪力分擔率見表 4 所示。
可以看出，四個模型中框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過 50%，不屬于框架-支撐框架的范疇，并且隨著支撐抗側剛度的提高而降低。對于 Model3，設置支撐后框架底層抗側剛度增加接近 40%時，框架分擔的傾覆力矩與剪力均接近 60%，由于剛度的增加導致結構的總基底剪力增加在 20%以內。對 Model4，雖然其框架分擔的傾覆力矩與剪力均超過 50%，但是，從支撐用鋼量、框架底層抗側剛度增加均較多，導致結構的總基底剪力增加超過 20%�！颈�4.圖4】
2) 基底剪力分擔率隨結構彈塑性發(fā)展的變化為了研究結構進入非線性狀態(tài)后的內力重分布特征以及結構抗側性能的變化，完成了上述結構模型的靜力推覆分析，水平地震作用沿高度的分布同彈性分析。計算得到各模型的基底剪力-頂點位移能力曲線(圖5)，以及各模型框架部分的基底剪力分擔率隨結構頂點位移的變化過程(圖 6)。從圖 5 看出，結構的基底剪力-頂點位移能力曲線均呈軟化特征，設置支撐后結構的能力明顯提高，支撐是結構中的第一道防線，而采用 BRB，支撐屈服后支撐仍有 1%初始剛度，承載力不會降低，從而保證了結構承載力的發(fā)揮。隨著支撐截面面積的增加，結構的抗側剛度、承載力與延性明顯改善，但是，結構的能力提高與支撐截面的增加不成正比。
從圖 6 看出，結構內部的內力分配分為三個階段：在支撐屈服之前，鋼支撐的剛度不變，而 RC 構件由于混凝土的開裂其剛度逐漸降低，框架部分的剪力分擔率下降，支撐越強下降越多，計算模型的降幅在10％以內；支撐屈服后，支撐的殘余剛度取 1%的初始剛度，支撐的抗側剛度下降幅度比框架的抗側剛度下降更快，所以框架部分的剪力分擔率上升，甚至超過了彈性階段的最大剪力分擔率；RC 框架屈服后，結構達到峰值承載力，之后框架部分的剛度逐漸下降，而支撐仍有殘余的 1%初始剛度，所以框架的剪力分擔率逐漸下降，到頂點位移達 500mm，結構底層框架分擔的基底剪力占總基底剪力的 50％以上。隨著結構側向變形的繼續(xù)增加，支撐框架的剪力分擔率逐漸上升，對結構的防倒塌具有重要的作用�！緢D5-6】
2.3 結構在罕遇地震及超罕遇地震下的性能點分析
對于 8 度(0.2g)抗震設防烈度的結構：《抗規(guī)》規(guī)定罕遇地震下的水平地震影響系數最大值為 0.9；《抗倒塌規(guī)程》建議建筑結構抗地震倒塌計算時，地震影響系數最大值在罕遇地震相關數值(0.9)上乘一個調整系數(1.33)。據美國《混凝土建筑抗震評估和修復》(ATC-40)中的能力譜法對各結構模型進行性能點分析，得到結構對應設計罕遇地震及超罕遇地震的性能點，見表 5。為方便比較，以 Model0 峰值荷載點的基底剪力與頂點位移為參考，計算了各模型對應峰值荷載時的基底剪力和頂部位移分別與 Model0 峰值荷載點的基底剪力和頂點位移的比值，并計算了各模型對應不同性能點時的基底剪力與頂部位移和其峰值荷載點的基底剪力與頂點位移的比值，結果見各列數據后括號中數字�！颈�5】
表 5 表明，少支撐框架結構相比純框架結構，其極限承載力都獲得提高，而對應峰值荷載時的頂點位移變化不同，Model1 與 Model2 對應其峰值承載力時的頂點位移略微小于純框架結構對應的頂點位移，Model3 對應其峰值承載力時的頂點位移略大于純框架結構對應的頂點位移，而 Model4 的承載力與對應頂點位移均較純框架結構的結果明顯提高(分別為 49%與 32%)。分析對應設計罕遇地震與超罕遇地震下結構的性能點結果可以看出，對應設計罕遇地震結構均有性能點，說明模型均滿足大震不倒的性能設計要求；在超罕遇地震下 Model0 沒有性能點，而其他模型均滿足抗震設計要求，可見設置少量支撐后框架結構的抗倒塌能力提高，設置支撐對抗地震倒塌是有效的。
分析對應設計罕遇地震下各計算模型性能點的基底剪力與頂點位移相對其峰值荷載下的結構看出：相對Model0，Model1 中設置的鋼支撐較少，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移大于 Model0 的結果，性能點的基底剪力相對其峰值荷載的比例從 88%增加到 92%，頂點位移相對其峰值荷載時頂點位移的比例從 54%增加到 60%，相對原結構，設置支撐后反而對結構不利，但是，抗倒塌能力略有提高；Model2 對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 54%與 89%，與 Model0 的比例接近，超設計罕遇地震下模型的響應接近其峰值荷載，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力略有提高，抗倒塌能力提高有限；Model3 對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 46%與 85%，比 Model0 的比例略低，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 68%與 96%，響應接近其峰值荷載，但頂點位移控制有效，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高均改善；Model4 的位移響應明顯小于其他模型，對應設計罕遇地震下性能點的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 36%與 80%，超設計罕遇地震下模型的頂點位移與基底剪力分別為其峰值點的 51%與 91%，說明設置鋼支撐后模型的抗震能力與抗倒塌能力提高。為了保證結構在罕遇地震與超罕遇地震下不倒塌，設置的鋼支撐不能過少。
3 少鋼支撐 RC 框架的定義
在 RC 框架結構中加入少量鋼支撐有兩個主要目標：(1) 改變純框架結構的受力模式及破壞次序，使得支撐先屈服，提高結構的延性和抗地震倒塌能力；(2) 增設鋼支撐后結構的抗側剛度增加，導致結構的周期減小，基底水平地震剪力將增加，所以設置支撐后框架結構的抗側剛度不能過度增加，以區(qū)別于框架-支撐框架結構(其中支撐框架作為主要抗側力構件)。第一個目標主要通過合理設計支撐的傾角、工作段長度系數等參數，使支撐在目標屈服位移下屈服，在目標極限位移下不斷裂；第二個目標則是通過合理設計支撐的數量與工作段截面，控制支撐的剛度與承載力貢獻，從而控制框架底部的傾覆力矩分擔率來達到。
在 RC 框架上增加支撐以后，結構剛度增加，地震作用也增大。對于防屈曲支撐，不存在支撐受壓屈曲導致的受壓承載力降低等問題，性能穩(wěn)定，在水平地震作用下隨著結構塑性發(fā)展，結構的抗側剛度下降，但進入彈塑性階段后結構的周期加長，地震作用的增幅小于彈性階段；對于普通鋼支撐，由于受壓支撐屈曲后結構剛度下降相對較多，彈塑性階段實際地震作用增幅遠小于彈性階段。據表 3 和表 4，原結構增加支撐后的剛度增幅小于 40%時，增加支撐帶來的地震力增幅小于 20%，此時框架部分所分擔的地震傾覆力矩略小于 60%。考慮到可能須要對支撐相鄰柱進行加強，這樣支撐框架的地震傾覆力矩分擔率會上升，而框架的地震傾覆力矩分擔率會下降，結合表 5 的結果，建議少鋼支撐 RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率大于 50%�？紤]到支撐很弱時，支撐框架的抗傾覆作用小(不超過 30%)，雖然結構的抗震能力略有提高，但是，結構剛度提高導致地震作用效應提高更加明顯，對抗震反而不利(如 Model1)，建議少鋼支撐RC 框架的底層框架地震傾覆力矩分擔率不超過 70%。將少鋼支撐 RC 框架定義為：在規(guī)定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結構抗側剛度的提高幅度不超過 40%。該定義與《抗規(guī)》對鋼支撐 RC 框架的定義相容。
4 結論
本文主要得到以下結論：
(1) 基于破壞性地震中特別汶川地震中 RC 框架結構的震害與部分設置鋼支撐的框架結構、工業(yè)廠房排架結構的震害特征，提出了少鋼支撐框架結構的概念。
(2) 總結了現行規(guī)范中對框架-剪力墻結構、含有少量剪力墻的框架結構的相關規(guī)定，基于彈性分析和pushover 分析結果，借鑒少墻框架結構的定義方法，建議了少量鋼支撐框架結構的控制指標，提出了少鋼支撐 RC 框架結構的定義：在規(guī)定的水平力作用下，底層的框架部分所承擔的地震傾覆力矩大于結構總地震傾覆力矩的 50%但不超過 70％，且支撐對原框架結構抗側剛度的提高不超過原抗側剛度的 40%。
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FRP加固鋼筋混凝土梁柱框架結構抗連續(xù)倒塌性能的研究
1 引言
重要建筑物如(如軍事指揮所、政府辦公大樓、大型商場)極易成為戰(zhàn)爭攻擊和恐怖襲擊的目標,因為這些建筑物一旦被摧毀,不但可以造成大量人員(特別是重要人物)的傷亡,而且會迅速引起廣大民眾恐慌,瓦解軍心民心.如 2003 年美伊戰(zhàn)爭便是從美國空襲薩達姆當局領導層所在的總統府開始的;而"9-11"事件在造成巨大的人員傷亡和財產損失的同時,也使其民眾人心惶惶.另一方面,通過對海灣戰(zhàn)爭中敘利亞有無填充墻的建筑受導彈攻擊后倒塌規(guī)模的對比[2]和五角大樓遭到襲擊后長時間保持穩(wěn)定[3]可知,具有一定結構冗余度的建筑物能夠有效地阻止倒塌蔓延,降低結構破壞范圍.連續(xù)倒塌作為一種極端的倒塌形式,是指結構在局部構件受到偶然荷載(如戰(zhàn)爭攻擊、恐怖襲擊、汽車沖擊等)發(fā)生倒塌后造成內力重分布,致使相鄰構件接連失效,最終發(fā)生大面積、整體性的倒塌.
隨著攻擊制導武器的日趨精確和恐怖主義蔓延,我國很多重要建筑物的結構冗余度亟待加強,以提升其抗連續(xù)倒塌能力.FRP(Fiber Reinforced Ploymer)是一類應用普遍的新型高強材料,本文運用有限元分析的方法對采用不同 FRP 粘貼方案后鋼筋混凝土梁柱框架結構抗連續(xù)倒塌性能進行對比,探尋最優(yōu)方案.
2 研究綜述
鋼筋混凝土抗連續(xù)倒塌相關研究主要包括分析連續(xù)倒塌工程事故、通過結構倒塌過程試驗總結力的轉換機制、探尋連續(xù)倒塌機理和提出設計方法等方向.英國、歐盟、美國、加拿大等均有自己比較完善的抗連續(xù)倒塌規(guī)范.抗連續(xù)倒塌設計不同于一般結構設計的地方在于其對結構構件的延性提出了更高的要求,且容許結構有一定比例的破壞和一定范圍的變形.比如 DoD2013[4]對于鋼筋混凝土框架結構,為考慮動力效應,在拆除構件法中,當采用非線性靜力分析和變形控制時,應采用以下的荷載組合:
其中 為荷載放大系數,D 和 L 分別為恒載和活載.
FRP 常用于結構構件的抗彎、抗剪和抗壓加固,抗連續(xù)連續(xù)倒塌加固的目的是為了提升構件的耗能能力和延性,需綜合考慮上述加固形式.CFRP(Cabon Fiber Reinforced Ploymer,碳纖維布)與 GFRP(Glass FiberReinforced Ploymer,玻璃纖維布)是兩種常用且發(fā)展成熟的 FRP 加固材料,其比重僅有鋼筋 1/4 到 1/3,拉伸強度卻是鋼筋的 10 倍左右[5].但其延伸率很小,如 T300 的 CFRP 僅有 1.71%的延伸率,且沒有明顯的屈服強度,易發(fā)生脆性斷裂.相對而言 GFRP 較 CFRP 的彈性模量要小、延伸率要大,故變形能力較 CFRP要好.敬登虎[6]通過試驗發(fā)現 GFRP 加固后構件的延性幾乎是 CFRP 的 2.5 倍.目前文獻中對 CFRP 和 GFRP加固鋼筋混凝土結構抗連續(xù)倒塌對比的相關研究較少見.
LS-DYNA 可以模擬結構的大位移大變形等非線性情況.孟一[7]對 LS-DYNA 常用的混凝土材料模型進行了總結對比,發(fā)現新增的 CSCM 模型適合應用在結構倒塌分析領域,并校正了相關材料參數.Jin-WonNam[8]等人對比四種不同的 FRP 布有限元模型,發(fā)現正交異性線彈性模型更適合運用在其對混凝土結構加固的模擬上.
3 算例
3.1 試件設計
本文設計了一棟五層鋼筋混凝土框架結構(如圖 1 所示),并沿底層縱向取出兩跨一層的梁柱框架子結構,假設其中間柱已經失效.梁柱縱筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并按照規(guī)范規(guī)定[1]
進行加密,混凝土采用 C30,保護層厚度為 25mm.此算例旨在為后期現場試驗提供理論支持.
為了探究 FRP 對提高其抗連續(xù)倒塌性能效果最佳加固形式,本文綜合考量其經濟性和加固效果,通過在梁底、梁頂及改變加固長度組合了各種加固方案進行嘗試,選擇典型方案列于表 1.
3.2 建模
本文在 ANSYS 建立了不同加固方案的 1/2 對稱有限元模型(圖 2)后,在 LS-DYNA 中進行相關計算.
其中混凝土、鋼筋和 FRP 的采用的單元類型分別為 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163,材料本構分別為蓋帽模型(*MAT_CSCM)、隨動塑性強化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交異性線彈性彈性模型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC).特別的,為了防止施加荷載時出現應力集中,在中間柱頭上方設置一塊加載墊塊,使用 SOLID164 單元類型和剛體材料本構(*MAT_RIGID),結構與地面(剛體)連接[9].
為證實有限元模型的準確性,本文對湖南大學易偉健等人的平面框架連續(xù)倒塌試驗(圖 3a、圖 3c)[10]
進行模擬,建立了如圖 3b 所示的有限元模型,再現了結構的倒塌過程,通過中柱位移軸力曲線(圖 3d)和豎向水平位移曲線(圖 3e)均可以看出模擬結果有明顯的彈性、拱效應和懸鏈線效應發(fā)展階段,且與試驗結果接近.
3.3 加載
因相關試驗大多采用擬靜力的方式進行加載,本文為了有效驗證有限元模型,亦采用靜力方式進行加載.為了有效控制加載速度,采用位移控制的方式進行加載.為節(jié)約機時,本文采用 1m/s 的速度勻速加至 500mm,其中為保證加載開始結束階段速度不會過大,采用余弦函數進行加載,并關閉混凝土應變率開關.通過觀察對比能量平衡結果,發(fā)現其動能均極小,可以忽略.
3.4 結果比較
3.4.1 破壞特征比較
FRP 加固后的框架子結構有限元模型分別有如圖 4 所示的三種破壞形態(tài).破壞過程依次為為:A、C點混凝土開裂;C 點(CLZ1、GLZ1)或 A 處(CLZ2、GLZ2)FRP 發(fā)生剝離和斷裂破壞;B、D 點混凝土開裂;A、C 點鋼筋達到受拉極限被拉斷.GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 按照先 C 點再 A 點的順序失效.值得注意是,B 和 D 處 FRP 在懸鏈線階段依然發(fā)揮了拉桿效應.環(huán)形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剝離.
3.4.2 數據對比分析
通過觀察圖(5a)所示位移荷載曲線可以發(fā)現,各試件隨著位移增加均呈現出明顯的彈性變形、拱效應、拉壓轉化和懸鏈線效應階段.中柱位移在 20mm 以內為彈性階段,各曲線差別極小,說明此時 FRP 發(fā)揮的作用均有限;而到了拱效應階段,A、C 處 FRP 由于發(fā)生脆性斷裂,沒有起到明顯拉桿效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效應階段承載力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘貼的方式可以在一定程度上延緩 FRP 斷裂,有助于發(fā)揮結構拱效應;中柱位移在 200mm 左右,結構進入懸鏈線階段后,所有加固方案的承載力均有一定程度的提升,以 CL3、GLZ2 和 GLZ3 效果最為明顯,達到了 115KN 荷載設計要求,結合破壞特征推測,FRP 在此階段分擔了一部分拉軸力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 點、A 點鋼筋相繼發(fā)生斷裂,結構也逐漸喪失了承載能力.可將 C 點鋼筋斷裂作為結構懸鏈線階段的結束,結構達到了倒塌極限承載力,則各加固方案的極限承載力分別提升了約 10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3).
通過比較各方案鋼筋斷裂時位移點位置可以發(fā)現,GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,說明其結構延性更好,能夠經受住更大的撓度變形.
各方案輸出的結構總能量與中柱位移(圖 5b)可知,在彈性階段,各試件耗能并沒有明顯區(qū)別;到了200mm 左右(結構進入了懸鏈線效應階段),所有加固方案的耗能均有明顯提升,至鋼筋斷裂,CLZ2 增加較小, CLZ1 與 GLZ1 較 LZ1 大約增加了 6%左右,其他三種加固方案大約增加了 20%左右,說明 FRP 在構件發(fā)生大變形時分擔了部分的耗能任務.
4 結論
本文運用顯式有限元軟件 LS-DYNA 對不同 FRP 加固方案下的鋼筋混凝土框架結構進行了模擬分析,直觀地重現和模擬鋼筋混凝土結構發(fā)生大變形時的倒塌破壞過程.通過對比較不同破壞階段 FRP 發(fā)揮的作用,可以得到如下幾點結論:
1、合理粘貼 FRP 可以明顯提高構件的延性,尤其在大位移情況下,通過在梁上下部均粘貼 FRP 的方式(CLZ3、GLZ3)可以充分發(fā)揮框架梁的懸鏈線效應,提高結構延性和耗能能力,且延展性較好的 GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用較粘于下部(GLZ1)增強效果更明顯;
2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2013 抗連續(xù)倒塌規(guī)范設計荷載,說明通過選擇合理的粘貼材料和組合形式可以在一定程度上提高鋼筋混凝土結構的抗連續(xù)倒塌性能;
3、分析破壞形態(tài)可以發(fā)現在截斷處采用 U 形箍或環(huán)形箍錨固可以有效阻止 FRP 剝離的蔓延,更好發(fā)揮其抗拉性能.
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防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結構的局部受力和損傷特性
防屈曲支撐正在被越來越廣泛地應用于我國既有建筑結構的抗震加固和新建建筑的地震防御。與日本、美國等抗震先進國家相比，我國在將防屈曲支撐應用于鋼筋混凝土結構方面進行了更多的工程嘗試。
然而，由于混凝土構件具有局部抗拉性能差的特點，在將鋼制防屈曲支撐在混凝土構件相連時，其連接節(jié)點的受力狀態(tài)較為復雜。國內近年來對此開展了一些有針對性的研究，提出并通過試驗檢驗了在鋼筋混凝土構件內埋置節(jié)點板的連接方式。另一方面，當將防屈曲支撐的節(jié)點板設置于梁、柱節(jié)點的一隅而同時與梁端和柱腳相連接時，框架梁、柱的變形將使節(jié)點板處于復雜的應力狀態(tài)中；節(jié)點板也會對框架梁、柱的變形性能產生影響。為避免這兩方面的不利影響，有學者提出將防屈曲支撐只與梁端相連，而不與框架柱發(fā)生任何接觸，如日本學者提出的采用高強預應力鋼棒將防屈曲支撐節(jié)點板緊固在梁端側壁的做法如；美國學者針對鋼結構提出的“非約束節(jié)點板”的做法。我國《建筑結構消能減震(振)設計》標準圖集(09SG610-2)中也包含僅在梁端連接消能器的做法，但僅針對噸位相對較小的黏彈性消能器。在文獻介紹的工程實例中，則將該方法用于采用防屈曲支撐對既有鋼筋混凝土框架結構進行的抗震加固。本文針對僅在梁端連接防屈曲支撐的做法，提出兩種不同的連接構造形式，并采用梁端局部損傷控制措施，保證連接部位的性能。
1 連接節(jié)點損傷控制方案
本文研究的兩種梁端防屈曲支撐連接節(jié)點方案如圖 1 所示。二者的共同點在于采用類似于文獻[6]提出的“非約束節(jié)點板”的做法，防屈曲支撐節(jié)點板與混凝土柱之間人為的設置一定的間隙，以保證即使當結構發(fā)生較大的側向變形時，節(jié)點板也不會與柱發(fā)生接觸。二者的區(qū)別在于節(jié)點板與梁端的連接形式。其一采用貫穿梁高的高強預應力鋼棒將節(jié)點板底板緊固于混凝土梁表面(圖 1a)；其二則將節(jié)點板延伸預理在混凝土梁端內部，并預埋段設置栓釘以傳遞力(圖 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
對于這種僅將防屈曲支撐與梁端相連的情況，節(jié)點板與柱之間的間隙處的梁段處于非常不利的受力狀態(tài)。當防屈曲支撐受拉時，這一段的梁截面可能同時受到較大的拉力、剪力和彎矩作用，從而使這一部位容易發(fā)生不利的脆性破壞。即使不發(fā)生破壞，如果梁端損傷集中在這一部位(即在此處出現塑性鉸)，會不可避免地對防屈曲支撐連接節(jié)點的受力性能產生不利的影響。為此，有必要通過合理的損傷控制手段，消除隱患，減輕不利影響，以提出連接節(jié)點的的受力性能�！緢D1】
本文采用最為簡單直接的調整梁內配筋的方式進行局部損傷控制，即在混凝土鋼原有配筋的基礎上，一方面增加連接節(jié)點部位對應的梁端的縱筋，與此同時適當減少連接節(jié)點以外部分的梁縱筋，使帶有防屈曲支撐的混凝土梁的受力承載力與純框架梁相當，同時將梁端預期塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點以外區(qū)域，具體如圖 2 所示�！緢D2】
2 試驗設計
為檢驗上述連接節(jié)點形式與損傷控制方案的有效性，設計如圖 3 所示的包含半跨懸臂梁段和防屈曲支撐節(jié)點板的子結構試驗。由于采用非約束節(jié)點板，混凝土柱對連接節(jié)點的受力性能影響可忽略不計，在試驗中以剛度更大的地梁代替。此外，為簡化試驗加載裝置，不采用實際的防屈曲支撐，而是采用一臺傾斜安裝的力控的作動器模擬防屈曲支撐傳遞給連接節(jié)點的集中軸力。同時采用兩臺并聯的位移控制的作動器在梁跨中反彎點位置(在試驗中即為懸臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁產生變形。
共設計 5 個試驗體。其中 1 個為不含防曲支撐的純框架對比試件。另外 4 個分別采用圖 1 所示的兩種不同的連接節(jié)點形式，對每種連接形式又有調整和不調整梁端配筋兩種情況。梁凈高 1800mm，截面為450x275mm，配筋如圖 2 所示。防屈曲支撐傾角為 40 度，節(jié)點板與混凝土柱(在試驗中即為地梁)表面的間隙為 10mm。假想的防屈曲支撐極限承載力為 500kN。對于采用如圖 1(a)所示的預應力鋼棒連接的試件，采用 6 根直徑 21mm 的高強鋼棒施加合計 1500kN 的預緊力。對于采用如圖 1(b)所示的預埋板連接的試件，預埋板上均勻設置兩面共 24 根直徑 16mm 名義屈服強度 235MPa 的栓釘。各個試件的混凝土圓柱體強度平均值約為 70MPa。
試驗采用擬靜力循環(huán)加載。層間位移角幅值從 1/400 逐漸增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加載兩圈，而在 1/100 和 1/50 下僅各加載 1 圈。在完成 1/50 的加載循環(huán)后，將試驗體沿正方向單調推覆，直到作動器行程用盡。最終各個試驗體對應的最大層間位移角均超過 1/20�！緢D3】
3 試驗現象
限于篇幅，本文僅給出含有防屈曲支撐的試驗體在加載至 1/20 層間位移角時的破損情況，如圖 4 所示。
對于未調整梁端配筋(即未做損傷控制)的 2 號和 3 號試驗體，在正向加載下均在梁根部，即梁與柱相接處發(fā)生集中損傷，形成塑性鉸區(qū)。由于同時受到節(jié)點板傳遞的集中拉力和剪力的作用，這一區(qū)域損傷集中。
對于采用預應力鋼棒連接的 2 號試驗體，節(jié)點板下方區(qū)域由于受到較大的預壓力，裂縫擴展受到抑制，損傷主要集中在預留縫隙對應的狹窄的梁端內。對于采用預埋板連接形式的 3 號試驗體，這一區(qū)域發(fā)生了非常嚴重的混凝土壓潰現象，并導致預埋節(jié)點板向柱側靠近并在較大的層間位移角下與柱表現發(fā)生擠壓。
相比之下，本文采用的調整配筋的損傷控制方式成功地將梁端塑性鉸區(qū)移至連接節(jié)點外側，即遠離梁柱節(jié)點處，如圖 4(c)(d)所示，而防屈曲支撐連接節(jié)點對應的梁端的損傷則相對而言非常輕微，基本保持彈性。這有利于最大限度地保證連接節(jié)點的剛度和連接性能，減小因連接節(jié)點發(fā)生變形而減小防屈曲支撐的有效變形�！緢D4】
4 結論
本文通過含有防屈曲支撐節(jié)點板的半跨懸臂鋼筋混凝土梁的擬靜力試驗，檢驗了采用非約束節(jié)點板進行連接的防屈曲支撐鋼筋混凝土框架結構的局部受力和損傷特性，同時檢驗了通過調整配筋以轉移梁端損傷部位的局部損傷控制效果。試驗結果表明，采用局部損傷控制的非約束節(jié)點連接形式能夠達到預期的效果。
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