陳 廉 汪訓(xùn)流

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)老齡化的發(fā)展、原有建筑使用功能的改變、抗震設(shè)防要求的提高以及災(zāi)變作用的影響等諸多因素,促使大量既有建筑不斷產(chǎn)生各種安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)現(xiàn)存的各種建筑物總面積在100億m2以上,有一半以上投入使用已超過(guò)20年,需加固維修的建筑物約為25億m2,其中絕大多數(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)[1]。有資料表明,建筑物加固改造比新建可節(jié)約投資約40%、縮短工期約50%、比收回投資的速度快 3倍～4倍[2]。因此,建筑結(jié)構(gòu)加固改造已成為我國(guó)建筑業(yè)一個(gè)新的發(fā)展熱點(diǎn),與之相應(yīng)的混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)及方案的研發(fā)和應(yīng)用也已成為結(jié)構(gòu)工程的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。粘鋼加固是混凝土結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的一種典型加固方法,其對(duì)結(jié)構(gòu)的自重影響不大,可應(yīng)用于梁、柱、板的承載力加固。為方便材料采購(gòu)、便于加固施工以及基于對(duì)加固計(jì)算不確定性的考量,實(shí)際工程中粘鋼加固設(shè)計(jì)時(shí)往往會(huì)統(tǒng)一鋼板規(guī)格并加大鋼板用量,從而導(dǎo)致鋼板用量的無(wú)謂增加,即實(shí)際用量遠(yuǎn)大于計(jì)算用量。針對(duì)這種現(xiàn)象,本文以一混凝土框架為例,對(duì)加固用鋼量變化給予結(jié)構(gòu)抗震性能的影響作了一些初步探討。

1 粘鋼加固方法

粘鋼加固法,是指用專用粘結(jié)劑(粘鋼膠)把鋼板粘貼在混凝土構(gòu)件的表面,形成一種“混凝土—膠—鋼”三相復(fù)合體系,從而使鋼板與混凝土協(xié)同工作的一種加固方法,可用于混凝土構(gòu)件的抗彎和抗剪加固。主要特點(diǎn)是施工速度快、不影響結(jié)構(gòu)外形,但鋼板自重及剛度較大、施工較困難?；臼┕すに嚵鞒虨?基層打磨→鉆孔→植膨脹螺栓/化學(xué)錨栓→涂刷底膠(界面劑)→涂刷粘鋼膠→粘貼鋼板→固定膨脹螺栓/化學(xué)錨栓→噴涂防護(hù)涂料。

2 算例分析

本文采用已開(kāi)發(fā)的三維桿系結(jié)構(gòu)纖維模型程序NAM-PC/RC[3,4],對(duì)文獻(xiàn)[6]算例的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在五種不同加固用鋼量下的抗震性能進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 程序NAM-PC/RC

程序NAM-PC/RC是基于MSC.MARC開(kāi)發(fā)的纖維模型程序,以空間梁?jiǎn)卧?單元截面特性由纖維模型確定,已應(yīng)用于復(fù)雜受力狀態(tài)下鋼筋混凝土(RC)及預(yù)應(yīng)力混凝土(PC)桿系結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的非線性計(jì)算分析[3,4],取得了良好的計(jì)算精度。

2.2 數(shù)值計(jì)算與結(jié)果

文獻(xiàn)[6]算例為某8度區(qū)一棟3層鋼筋混凝土框架辦公樓因需要改做密集柜書(shū)庫(kù),二、三層樓面使用活荷載由2.0 kN/m2提高到12.0 kN/m2,經(jīng)計(jì)算需對(duì)部分梁柱進(jìn)行加固處理。梁柱尺寸及配筋、材料強(qiáng)度等級(jí)見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。采取五種加固用鋼板用量對(duì)該框架進(jìn)行粘鋼加固,如表1所示,鋼板均沿構(gòu)件通長(zhǎng)布置,并與構(gòu)件同寬。其中,第一種加固用鋼板用量按鋼筋等強(qiáng)加固原則并結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求得到。

表1 加固用鋼量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用頂層位移加載對(duì)五種不同加固用鋼量下框架的滯回性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,最大加載位移為框架總高度的1/75,可認(rèn)為是對(duì)中震作用狀態(tài)下結(jié)構(gòu)受力性能的近似模擬。圖1～圖4為不同加固用鋼量下結(jié)構(gòu)基于頂層加載點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。其中,圖1為滯回曲線的比較,圖2為相對(duì)承載力的比較,圖3為相對(duì)剛度的比較,圖4為相對(duì)累計(jì)滯回耗能的比較。

先考察加固后結(jié)構(gòu)的承載力和加載剛度。由圖2可知,結(jié)構(gòu)的承載力隨加固用鋼量的增大而增大,但增長(zhǎng)幅度逐步減小,主要原因在于隨著用鋼量的增大結(jié)構(gòu)被加固構(gòu)件逐步進(jìn)入超筋狀態(tài),超筋狀態(tài)下混凝土構(gòu)件的最終承載力取決于壓區(qū)混凝土的強(qiáng)度、用量以及變形性能而非取決于拉區(qū)的用鋼量。由圖3可知,結(jié)構(gòu)的加載剛度隨加固用鋼量的增大而基本呈線性增長(zhǎng),表明加固用鋼量對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的貢獻(xiàn)與其用量基本成正比。

就耗能能力而言,圖4比較了不同加固用鋼量下的累計(jì)滯回耗能能力,由圖4可知,耗能能力并不隨用鋼量呈增長(zhǎng)關(guān)系卻呈現(xiàn)出某種程度的遞減趨勢(shì),表明進(jìn)入超筋狀態(tài)后的鋼筋混凝土構(gòu)件的耗能能力將受諸多因素的影響而并不主要依賴于用鋼量。圖中后續(xù)接近平直的曲線表明,中震作用狀態(tài)下超筋結(jié)構(gòu)的耗能能力主要取決于壓區(qū)混凝土的材料及變形性能,當(dāng)混凝土材料不變時(shí),耗能能力將趨于一定值。

綜合比較圖3,圖4可知,加固用鋼量的增加帶來(lái)了結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度的增大卻導(dǎo)致了其耗能能力的降低,而地震中地震作用的分布往往與剛度相關(guān)。這一關(guān)系表明,增加的加固用鋼量使得被加固構(gòu)件吸引了更多的地震能量卻不能完全依靠自身進(jìn)行耗散而要借助相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷或毀壞來(lái)加以消耗,從而大大增加了地震破壞的不確定性和復(fù)雜性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同加固用鋼量下框架滯回性能的數(shù)值模擬可見(jiàn),加固用鋼量的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生較大影響。其中,承載力、加載剛度隨著用鋼量的增大而增大,且加載剛度基本隨加固用鋼量成線性增長(zhǎng);而隨著超筋狀態(tài)的不斷推進(jìn),被加固結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的耗能能力卻隨著用鋼量的增大而減小并很快趨于定值。地震中,剛度增加所帶來(lái)的更多地震能量則因被加固構(gòu)件自身耗能能力的降低而不得不依靠相鄰結(jié)構(gòu)構(gòu)件或非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷甚至毀壞來(lái)加以消耗,這導(dǎo)致了地震破壞的不確定性和復(fù)雜性,不利于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。特別是現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中,尚無(wú)有效方法和手段對(duì)加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面合理的抗震驗(yàn)算,這就更加導(dǎo)致了剛度無(wú)謂增加所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)安全隱患的隱蔽性。因此,結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格控制加固用鋼量,盡量避免用鋼量的無(wú)謂增加。

[1]張益多,劉榮桂.混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究及應(yīng)用綜述[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,24(6):91-94.

[2]何朝陽(yáng),徐春恒,楊太文.建筑物維修加固技術(shù)綜述[J].基建優(yōu)化,2005,26(3):92-94.

[3]汪訓(xùn)流.配置高強(qiáng)鋼絞線無(wú)粘結(jié)筋混凝土柱復(fù)位性能的研究[D].北京:清華大學(xué),2007.

[4]汪訓(xùn)流,陸新征,葉列平.往復(fù)荷載下鋼筋混凝土柱受力性能的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué),2007,24(12):76-81.

[5]武建立.框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震反應(yīng)分析[J].山西建筑,2008,34(28):94-95.

[6]Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysis on Seismic Performance ofRC FrameunderDifferent Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(35):158-161.