混凝土框架应力加固研究
2015-07-29
一、前言
近年来，体外预应力加固法在框架结构的加固工程实践中已经得到了较多的应用。体外预应力加固的特点是传力明确、布置灵活，可以根据竖向荷载的分布情况灵活的设置力筋布置形式，使其等效荷载能够抵消大部分外荷载的作用，并充分发挥各种结构材料的强度。国内外有关研究表明，体外预应力加固框架在竖向荷载下的结构性能比较理想，但其在反复作用的水平荷载(主要是地震荷载)下的结构性能还没有得到充分的研究。工程实践的发展使得对体外预应力加固钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行深入的研究变得十分必要和紧迫。因
此，本次试验的目的就是对框架结构经体外预应力钢绞线加固后在竖向荷载和水平反复荷载的共同作用下的结构性能进行分析研究。
二、试验模型设计
选择单层单跨钢筋砼框架为基本试验对象。原型框架跨度7.5m，层高4.5m。开间6.6m，采用1860级15.24钢绞线进行了体外预应力加固，加固后屋面恒载为9.62。
对缩尺模型进行试验，首先根据试验条件确定模型框架与原型框架的几何比例为l/3，其他比例系数为位移比例系数l/3，弹性模量比例系数1，应力和应变比例系数l，集中荷载和集中力的比例系数1/9。按以上相似比例系数设计试验用的模型框架。
加固原结构使用的力筋为4根1860级15.24钢绞线，张拉控制有效应力为 。按相似比例系数，应使用截面积为15.6的钢绞线。而实际工程上使用的最细的钢绞线12.7的截面积为89.45。因此在模型中使用2根1860级12.7钢绞线，由力筋总拉力的比例系数确定张拉控制有效应力为400N/。模型中预应力钢绞线的张拉控制有效应力虽然远小于原型中的应力值，但在整个加载过程中，原型与模型中的预应力钢绞线都处于线性阶段，可以不考虑应力值的比例，只考虑预应力钢绞线总拉力的相似比例。预应力钢绞线使用的锚具为柳州海维姆出产的v—13锚具。预应力钢绞线的布置形式如表1。转向块为自加工的钢制组合件。到柱轴线的距离为L/3=933mm。
三、加载与数据采集
竖向荷载分两级施加，第一级20kN，第二级30kN。张拉预应力筋时保持竖向荷载不变，分两级两端张拉预应力钢绞线。施加水平荷载时保持竖向荷载不变，对两边伸出的梁端轮流施加水平力。
按抗震规范，考虑Ⅱ级场地远震，8度多遇地震作用下试验框架受到的水平地震力；在8度罕遇地震作用下，。因此，水平力的每一级循环包括右推、归零、左推、归零四个步骤，水平力的施加先按水平力控制，每级20kN；水平荷载作用下试验框架进入屈服平台后按水平位移控制,每级5mm，直至试件破坏。其加载力学简图见图l。
在试验中采取如下测量手段：使用设置在梁端两边的水平力传感器测量水平力，采集的数据输入电子绘图仪绘制水平滞回曲线。使用设置在框架梁中间的位移传感器测量水平位移，采集的数据输入电子绘图仪绘制水平滞回曲线。在框架中的钢筋和预应力钢绞线上粘贴电阻应变片，采集得到的应变数据输入电脑进行处理。此外，在试验中随时观察并测量裂缝延伸的长度和宽度。
四、试验过程及试件破坏形态
本次试验于2012年12月在某省建筑科学研究院重点实验室进行。
1、K1
试验开始时先对K1分级施加竖向荷载。竖向荷载加到30kN时，框架梁跨中附近梁底的裂缝基本出齐，裂缝平均间距为83mm；框架梁跨边上部也出现少量裂缝；框架柱未出现裂缝。施加预应力之后，上述裂缝全部闭合到肉眼观察不到，也未出现新的肉眼可见的裂缝。
水平荷载加到第一级时，框架柱顶外侧出现第一条水平裂缝。此后，随着水平循环荷载的增加，在框架上不断出现新的裂缝，已有裂缝在张开闭合过程中的最大宽度也不断增大。在120kN等级水平荷载的加载中，发现滞回曲线出现很大弯曲，水平位移开始大幅增加。而框架承受的水平力增加到110kN附近就不能上升。从此时开始按位移控制，每一级控制循环两轮，第一级控制水平位移为25mm，此后每级增加5mm。水平位移控制开始后，框架中的裂缝得到充分发展，在柱底首先出现了裂宽大于2mm的裂缝，此时的大部分裂缝在水平位移归零时并不能完全闭合，少数裂缝在反向荷载下也不能完全闭合。当水平位移加到35mm时，梁端紧靠梁柱节点区处上下裂缝已经完全贯通，柱顶和节点区都出现大量交叉裂缝，柱底开始出现砼剥落现象。从滞回曲线来看．加固后结构的水平承载并没有下降，主滞回曲线出现一道很长的基本水平的屈服台阶。当水平位移达到65mm时，结构的水平承载力下降到9lkN。由于试验设施的限制，对K1的试验结束，其最终破坏。
2、K2
试验框架K2的试验过程接近K1。竖向荷载加到30kN时，框架粱跨中附近梁底裂缝基本出齐，裂缝平均间距为84mm；框架梁跨边上部和框架柱外侧也出现少量裂缝。
在水平力作用下，K2的水平位移发展的比Kl快。在施加第五级水平力荷载(100kN)时，加固后结构的主滞回曲线出现很大弯曲，水平位移迅速发展。正方向水平力达到95kN即不再增大，曲线出现短暂的水平屈服台阶。此时即改为水平位移控制，确定水平位移控制的第一级为30mm。水平位移控制开始时框架中的裂缝已发展的很充分，柱底砼开始出现剥落现象。在水平位移达到45一以前，加固后结构的水平承载力基本能维持在第一级水平位移控制时的值；当水平位移达到50mm时，加固后结构的水平承载力下降到90kN；在水平位移达到试验设施所允许的最大值55mm时，加固后结构的水平承载力下降到87kN。
3、K3
对试验框架K3不施加预应力以体现预应力加固对于框架结构性能的影响。对K3施加完竖向荷载后，保持竖向荷载不变直接施加水平荷载。在施加第五级水平荷载时，加固后结构的水平承载力上升到90kN左右就不再上升，转入水平位移控制，第一级控制水平位移取为25mm。在水平位移控制的初始阶段，框架结构中的裂缝迅速发展，柱底砼出现剥落现象。框架的水平承载力在水平位移达到45mm以前没有出现下降，一直在90kN附近波动。此后结构的水平承载力开始下降，水平位移为50mm时，最大水平承载力为89kN；水平位移为55mm时，最大水平承载力为86kN。
4、K4
竖向荷载达到30kN时，框架梁跨中附近梁底裂缝全部出齐，裂缝平均间距为79r一；框架柱外侧未出现可见裂缝。框架梁跨中挠度为3．5mm施加预应力以后，上部裂缝全部闭合。框架梁、柱未出现新的裂缝。框架梁跨中挠度变为1.2mm。
施加完预应力以后立即对K4继续分级施加竖向荷载直至破坏。当竖向荷载达到50kN每点时，大部分施加预应力时闭合的裂缝二度张开，框架梁跨中挠度达到3.0mm，此后框架粱的跨中基本不再出现新的裂缝。加载至140N，框架柱上部出现明显的向外鼓出弯曲，框架梁跨中挠度变为10.5mm。在施加下一级荷载时，加固后结构的承载力达不到预期施加的150kN，试验框架破坏。
五、滞回曲线分析
由于加固预应力的作用，试验框架K1抵抗水平荷载的能力要超过K3约20％，试验框架K2的抵抗水平荷载的能力也要超过K3达10％。与普通钢筋砼框架的滞回曲线相类似的，试验框架Kl的滞回曲线的卸载段有较大的斜率；但在从刚刚开始反向加载到位移归零的阶段内，滞回曲线的斜率变小(尤其在发生大位移时比较明显)，这又接近于普通预应力砼框架的性能。总体上预应力加固框架的滞回曲线兼有钢筋砼框架和预应力砼框架的性质，曲线呈两头宽、中间窄的特殊形状。由于Kl的滞回曲线斜率大于K3，滞回曲线的卸载段就要比K3“丰满”一些；而且由于K1的极限抗弯承载力较大，滞回曲线的最大高度大于K3，总的说来，K1在水平荷载作用下的耗能能力大于K3。K4的主要破坏原因是框架柱外侧出现较多裂缝，框架柱曲率过大，在轴力与弯矩共同作用下失稳破坏。这主要是因为竖向荷载在单层单跨的试验框架的框架柱上半部分产生了相当大的弯矩。
而在真实框架结构中，竖向荷载一般不会在框架柱上产生如此大的弯矩，体外预应力加固又可以保证框架各截面的安全。因此。对于承担竖向荷载为主的框架结构而言，体外预应力加固的结构性能是十分良好的。
六、试验结果分析
通过试验对体外预应力加固框架的结构性能进行了深入的研究，井得出如下几点结论。
（1）在竖向荷载作用下，体外加固力筋可以很好的与被加固结构协同工作，其应力随着竖向外荷载的增大而不断上升，大幅度的提高结构抵抗竖向荷载的承载力，并使框架结构中的应力分布趋向于平均化。
（2）在水平荷载与竖向荷载的共同作用下。体外预应力加固使框架应力分布趋于平均化，混凝土受拉区面积减小，框架的整体强度与刚度上升，最大水平承载力超过未经加固的框架结构约20%。加固后结构在达到最大水平承载力后进入一较长的屈服平台。加固预应力的作用提高了试验框架在水平荷载作用下的耗能能力。有限元分析的结果与试验得出的结论相一致：针对竖向荷载进行的体外预应力加固可以基本满足各种强度的钢筋混凝土框架结构小震不坏，大震不倒的抗震要求。
（3）体外预应力加固对于框架的加固作用主要体现在框架梁的强度提高上。设计加固时必须验算是否满足强柱弱梁的抗震要求，如不满足则须对框架柱采取措施进行加固。
