高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土框架抗震性能试验研究

高强钢绞线网-聚合物砂浆加固钢筋混凝土框架抗震性能试验研究

1高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术的发展钢筋混凝土节点是框架结构中的重要组成部分，在传递、分配和保证结构完整性方面发挥着重要作用。国内外大量的震例表明,钢筋混凝土框架节点的破坏比较明显,当前的建筑抗震加固技术规程对于框架节点的抗震加固还没有明确规定。目前对于框架节点的抗震加固,有粘贴碳纤维、粘钢板等加固方法,但是由于粘贴碳纤维和粘钢板的粘结胶属于有机材料,其耐高温性能和耐火性能相对较差,其耐久性能也有待改善。高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术是近几年来在国内外发展起来的新型技术。高强钢绞线具有强度高、不易锈蚀、柔软性好、运输及施工方便等优点,聚合物砂浆为水性材料,无有害挥发性气体,对环境和人无影响,与混凝土材料粘结性能良好,且耐久性、耐火性好。因此高强钢绞线网-聚合物砂浆加固技术具有技术先进、耐久抗火、无毒环保等优点。目前关于该加固技术的主要研究成果有:清华大学聂建国教授等采用高强钢绞线网-聚合物砂浆对钢筋混凝土梁分别进行了抗弯加固和抗剪加固的试验研究,结果表明加固后梁的承载力可以得到显著提高,抗弯刚度也得到提高,而且可以较好地约束裂缝的发展;中国建筑科学研究院运用该技术进行了加固钢筋混凝土柱的试验研究,加固后柱的承载力、耗能能力和延性系数都得到了明显提高;中国建筑科学研究院王亚勇教授等进行了高强钢绞线网-聚合物砂浆加固15片砖墙的试验研究,结果表明砖墙的抗剪承载力可以提高50%以上。中国美术馆和厦门郑成功纪念馆等多项加固改造工程已经应用了该加固技术。这种加固技术在我国的研究还刚起步,大多数研究所用加固材料是从国外进口的,目前国内外尚未见到有关该加固技术用于梁柱节点抗震加固的试验研究报道,因此很有必要在我国进行该加固技术的进一步研究。本文采用我国自行研发的加固材料进行高强钢绞线网-聚合物砂浆抗震加固钢筋混凝土板-梁-柱框架节点的试验研究,其主要目的在于研究梁柱节点采用该技术加固后的受力性能,以推广该加固技术的工程应用。2试验计划2.1节点锚索试件设计本试验的试件为5个钢筋混凝土框架中间节点。为了如实体现加固节点的效果和加固后节点的抗震性能,考虑到实际工程中的楼板会对加固方式和加固效果产生影响,因此试件设计为带楼板的梁柱节点。试件的几何尺寸与一般框架结构节点尺寸的比例为1/2左右,同时梁长和柱高考虑了现有试验加载设备的限制。根据试验目的,试件的配筋按照“弱节点强构件”设计,共制作了5个节点试件,每个试件的几何尺寸和配筋都相同,具体见图1。为了提高各试件的可比性,所有试件均采用C25的商品混凝土一次性浇注好。2.2高强钢绞线网法本次试验的主要参数为加固前是否震损和不同加固方式。表1列出了各节点试件加固方案的主要参数。首先对两个试件J4、J5模拟中等地震作用下的震损,震损程度为节点核心区出现交叉的斜裂缝,然后再对试件J2、J3、J4、J5采用高强钢绞线网-聚合物砂浆进行加固。两种加固方式钢绞线网的布置方式见图2。加固的区域主要在核心区的前、后侧面和梁端、柱端。与加固方式1不同的是,加固方式2还把核心区的钢绞线网分别向左右梁端、下柱各延伸1/2的梁截面高度(150mm),以期改善节点的抗震性能。由于梁与柱的截面宽度不同,在施工时加固方式2需要把梁柱相接处的凹角先用环氧砂浆填实。加固的主要工序包括:剔除加固部位混凝土基层表面的疏松部分;按照加固方式布置钢绞线网,并用特制的锚固钉固定好;在加固部位刷界面剂,以保证砂浆与原混凝土之间良好的粘结;在钢绞线网的外面抹聚合物砂浆,砂浆的厚度为20mm。2.3材料及实验方案试件中钢筋的力学性能见表2。试验时实测的混凝土立方体抗压强度平均值为32.3MPa。本文加固所用的钢绞线网、聚合物乳液和界面剂等加固材料由中国建筑科学研究院提供,并指导施工。钢绞线的公称直径为3.05mm,实测截面面积为4.68mm,极限强度为1641MPa,钢绞线网的网格尺寸为30mm×200mm。聚合物砂浆标准试块28天的抗压强度平均值为11.6MPa。文献中加固材料从国外进口,本文所用的加固材料全部由国内开发生产,特别是聚合物砂浆的沙和水泥采用一般工地通常所用的黄沙和水泥,可降低材料的造价,以利于该加固技术的推广应用。2.4试验加载制度为了研究各节点的抗震性能,在节点加固一个月后对各节点进行了低周反复荷载试验,试验装置见图3。首先在柱顶通过液压加载器施加恒定的竖向荷载,柱的轴压比保持在0.136左右,然后在梁的左右两个自由端施加同步的反对称低周反复荷载。试验加载制度根据《建筑抗震试验方法规程》(GBJ101—96)确定,试件屈服前采用荷载控制,屈服后采用变形控制。屈服前每级荷载反复一次,屈服后每级反复三次。当试件所承受的峰值荷载下降至极限荷载的85%后,认为试件已破坏。试验量测和观察的内容主要有:(1)梁端施加的荷载和竖向位移;(2)裂缝的发展和破坏形态;(3)梁、柱纵筋的应变、核心区箍筋的应变和钢绞线的应变等。3试验结果和分析3.1节点核心区裂缝发展各试件的破坏形态如图4所示。对比试件J1的破坏形态为核心区剪切破坏,破坏时的裂缝发展主要集中在节点核心区部位;试件J2、J3的破坏形态为梁端弯曲破坏,且J3核心区的裂缝比J2更加细密;试件J4、J5在破坏时,虽然在核心区也有剪切破坏的迹象,但梁端弯曲破坏更明显;而且J3、J5梁的破坏截面离开节点核心区有一段距离。3.2验结果表1各试件的屈服荷载、极限荷载和位移延性等主要试验结果见表3。由表3可知,加固后节点的屈服荷载提高了15%左右,极限荷载提高了19%左右,试件J3、J5的位移延性系数分别提高到5和4。3.3加固效果各节点试件的梁端荷载-梁端位移滞回曲线和骨架曲线分别见图5、图6。从图中可以看出:(1)加固后试件的滞回性能明显得到了改善;(2)震损开裂降低了节点的加固效果;(3)加固节点的滞回曲线的捏缩现象有所改善,说明加固后提高了节点的耗能能力。3.4环的荷载载荷结构的退化性质反映结构积累损伤的影响,是结构抗震性能的重要组成部分。强度退化可以用承载力降低系数λi来衡量,λi=Pi33i/Pi11i,式中Pi33i和Pi11i分别为第i级位移加载时第3和第1循环的荷载峰值。刚度退化可以用环线刚度Ki来衡量,Ki=Σj=13Pij/Σj=13ΔijΚi=Σj=13Ρji/Σj=13Δji,式中Δijji为第i级荷载时第j循环对应荷载峰值的位移。各试件的强度降低系数和刚度降低系数随梁端位移的变化情况分别如图7、图8所示。由图7、图8可见,加固试件J2、J3的强度退化和刚度退化都比对比试件J1的有所改善,而且试件J3比J2改善的效果更明显;而震损后再加固试件J4、J5的强度退化都比未加固试件J1明显,说明震损对于节点的强度退化有明显影响;试件J4、J5加固后的刚度退化都有所改善,而且试件J5比J4改善得更明显,说明采用加固方式2的试件的抗震性能更好。3.5钢绞线的应变试件J5核心区的箍筋应变与对应位置处钢绞线的应变比较见图9。由图9可见,在加载前期钢绞线的应变低于箍筋的应变,钢绞线的作用与箍筋的作用相比存在滞后性,然而在加载后期通裂后钢绞线的应变明显增大,钢绞线的应变超过了箍筋的应变,钢绞线的作用增强,同时还可以看到节点破坏时钢绞线的应力远远没有达到其名义屈服强度。3.6抗震加固技术总之,从破坏形态、受剪承载力、耗能性能和延性等方面来评价节点的抗震性能,加固试件达到了现行规范中抗震框架节点的设计目标,即在结构达到预计的最不利非弹性反应状态之前不出现剪切失效,因此可以采用该加固技术对框架的梁柱节点进行抗震加固。从耗能和延性方面来看,加固方式2加固的效果更理想,同时震损裂缝将降低节点加固后的抗震性能。4节点加固连接成本的计算4.1心区混凝土斜压开裂在钢筋混凝土框架节点中形成的传力机构主要有斜压杆机构、桁架机构和约束机构等:梁、柱端受压区混凝土的压力大部分将在节点核心区斜向一定宽度范围内合成为斜向压力,从而形成以传递斜向压力为功能的斜压杆机构;在核心区混凝土斜压开裂前,核心区混凝土将承受桁架机构斜向主压应力和主拉应力的作用,当节点开裂后,主压应力由混凝土承担,主拉应力则由节点水平箍筋和同一平面内的竖向柱筋分担;同时箍筋还可以约束核心区斜压混凝土,维持斜压杆机构的抗剪作用,间接参与抵抗节点作用剪力。在采用钢绞线网-聚合物砂浆加固的钢筋混凝土框架节点中,节点核心区的水平钢绞线网的作用类似于节点中的箍筋,一方面可直接分担节点所承受的剪力,同时也可增强对核心区混凝土的约束作用,从而达到提高节点受剪承载力、延性系数和耗能能力等效果。在梁柱端部布置钢绞线网的作用是,约束受压混凝土,并约束纵向受压钢筋,防止其过早压屈,满足规范中梁柱端箍筋加密的抗震构造要求。4.2节点受剪承载力由上面的分析可知,采用钢绞线网-聚合物砂浆加固的框架节点的受剪承载力可以由三部分组成:混凝土的贡献、箍筋的贡献、核心区水平钢绞线的贡献。根据现行规范中钢筋混凝土框架梁柱节点受剪承载力的计算公式,加固节点的受剪承载力可以按如下公式计算Vcsw=Vcs+Vw(1)Vcs=1.1ηjftbjhj+0.05ηjN+fyvAsvj(hb0−a′s)/s(2)Vw=βwβdfywAw(hb0−a′s)/sw(3)Vcsw=Vcs+Vw(1)Vcs=1.1ηjftbjhj+0.05ηjΝ+fyvAsvj(hb0-a′s)/s(2)Vw=βwβdfywAw(hb0-a′s)/sw(3)式(1)中,Vcsw为钢绞线网加固钢筋混凝土节点的受剪承载力,Vcs和Vw分别为钢筋混凝土和钢绞线网提供的受剪承载力;式(2)为《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)中钢筋混凝土框架节点的受剪承载力计算公式,公式中各符号的含义详见规范;式(3)中βw为钢绞线应力发挥系数,βd为钢绞线网与原节点的共同工作系数,fyw为钢绞线的设计强度,取其极限抗拉强度的85%,Aw为核心区同一截面验算方向钢绞线的全部截面面积,hb0为梁的有效截面高度,sw为钢绞线的间距,在本试验中sw为30mm。节点的受剪承载力的试验值可以按下式进行计算Vt=Pt×L×2hb0−a′s(1−hb0−a′sHc−hb)(4)Vt=Ρt×L×2hb0-as´(1-hb0-as´Ηc-hb)(4)上式中Pt和L分别为节点屈服时梁端的荷载及其到柱边的距离,Hc为节点上柱和下柱支座之间的距离,在本试验中L和Hc分别为1.5m和1.7m。由文献试验结果分析,并且通过对于试验数据的多次试算,建议βw取值为0.31,βd的值对完好加固和震损加固的试件分别取1.0和0.7。将各试件的数据代入上面节点核心区受剪承载力的计算公式(1)～(3),则本文节点的受剪承载力的计算值与试验值见表4。可见所提公式的计算结果与试验结果符合良好。5节点受剪承载力计算方法的初步确立(1)采用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固原非抗震的节点后,可以有效提高节点的抗震受剪承载力和抗震性能,加固后可以达到现行规范中抗震框架节点的设计目标,因此该加固技术可以在框架加