趙寶成，王軍良，于安林，顧 強

（蘇州科技學(xué)院江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點實驗室 江蘇 蘇州 215011）

一些在役的RC框架結(jié)構(gòu)，由于建造時間早，其水平承載力或抗側(cè)剛度明顯存在不足，一旦遭受強烈地震，必然導(dǎo)致大量人員傷亡和巨額財產(chǎn)損失．為提高這些RC框架的抗震性能及抗地震倒塌能力，需對其進行抗震加固．考慮到Y(jié)形偏心支撐耗能能力較好，耗能段獨立于框架之外，內(nèi)填于RC框架后，可通過耗能段耗能，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震性能．Ghobarah、Elfath[1]對內(nèi)填鋼支撐的三層RC框架結(jié)構(gòu)進行了抗震性能研究．RC框架分別內(nèi)填中心支撐和Y形偏心鋼支撐，分析表明同樣地震水平作用下內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的RC框架破壞部位主要集中在耗能梁段，整個結(jié)構(gòu)破壞較小，相比之下內(nèi)填鋼中心支撐RC框架破壞程度較大．Sola、Luis[2]研究了Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能，并對其與該地區(qū)采用剪力墻加固RC框架的受力性能加以對比．Mazzolani[3]分別應(yīng)用 Y 形鋼支撐、防屈曲支撐以及鋼板剪力墻對實際的RC框架進行加固，試驗結(jié)果表明Y形鋼支撐加固RC框架是最經(jīng)濟有效的方法．

楊禹丞[4]試驗研究了循環(huán)荷載作用下的2榀單層單跨1/3縮尺RC框架內(nèi)填Y形鋼支撐結(jié)構(gòu)和1榀RC框架的滯回性能．結(jié)果表明，RC框架結(jié)構(gòu)內(nèi)填Y形鋼支撐后，其抗側(cè)剛度比純框架的抗側(cè)剛度提高較多．趙寶成等[5]進行了耗能段與 RC框架梁采用不同連接節(jié)點形式的2榀1/3縮尺Y形鋼支撐RC框架的低周反復(fù)荷載試驗．結(jié)果表明：U形外包鋼的加固方法可靠性高．薛黎明[6]進行了2榀單層單跨1/3縮尺內(nèi)填Y形鋼支撐RC框架結(jié)構(gòu)的擬動力試驗研究．結(jié)果表明，外包鋼長度對結(jié)構(gòu)耗能能力有影響，耗能段與框架梁連接節(jié)點處需仔細研究確定，確保耗能段先發(fā)生剪切破壞．趙寶成等[7]進行了3榀2層單跨1/2縮尺Y形鋼支撐加固RC框架試件的低周反復(fù)荷載試驗．結(jié)果表明，Y形鋼支撐承擔(dān)了結(jié)構(gòu)的大部分水平荷載，試驗中耗能段與混凝土梁的連接采用外包鋼的連接節(jié)點沒有發(fā)生破壞，節(jié)點構(gòu)造合理．邵寅[8]，盛邵山[9]分別試驗研究了耗能段與樓板連接或不連接的情況下，連接節(jié)點的滯回性能．

由以往的試驗研究可知，RC框架內(nèi)填Y形偏心鋼支撐后抗側(cè)剛度高、耗能能力好，Y形鋼支撐與RC框架僅三點相連，施工方便，目前對其設(shè)計方法研究較少，因而提出內(nèi)填Y形偏心鋼支撐加固RC框架的設(shè)計方法，為設(shè)計人員提供設(shè)計依據(jù)非常必要．已建的RC框架梁截面尺寸已經(jīng)確定，耗能段與框架梁之間連接節(jié)點的承載力是制約內(nèi)填Y形偏心鋼支撐大小的決定因素，本文提出基于耗能段與框架梁連接節(jié)點承載能力的 Y形偏心支撐加固RC框架的設(shè)計方法和構(gòu)造措施．

1 耗能段與框架梁連接節(jié)點設(shè)計

1.1 連接節(jié)點構(gòu)造

文獻[4-5]中框架梁分別采用底部加鋼板和外包 U型鋼的形式對框架梁進行加固，試驗結(jié)果表明，框架梁采用底部加鋼板進行加固，耗能段還沒有發(fā)揮作用，混凝土梁與底板相交的部位已發(fā)生破壞(圖1)，連接節(jié)點破壞導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耗能不充分．U型外包鋼加固混凝土梁時(圖2)，連接節(jié)點沒有破壞，耗能段充分進入塑性耗能，最終耗能段與支撐連接節(jié)點發(fā)生破壞(圖3)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效．采用圖2形式的外包鋼由于下部鋼板較長，兩端部對混凝土梁擠壓比較嚴重，為了減少底部鋼板對混凝土梁的擠壓，可采取減少下部鋼板的長度，側(cè)面鋼板采用梯形截面的辦法來解決(圖4)．文獻[8-9]比較了側(cè)面為梯形的 U型外包鋼分別與樓板連接和不連接兩種構(gòu)造方式對節(jié)點滯回性能的影響，試驗結(jié)果表明，U型外包鋼與樓板連接時，對混凝土梁破壞小，節(jié)點的抗震性能好．

圖1 混凝土脫落Fig.1 Concrete breaking off

圖2 外包鋼節(jié)點Fig.2 Steel-encased concrete node

根據(jù)文獻[4-9]試驗結(jié)果，本文提出圖5兩種加固節(jié)點連接構(gòu)造方式，外包鋼采用對穿螺栓分別與梁和樓板連接，梁、樓板與外包鋼之間會存在縫隙，為了使外包鋼板與混凝土之間貼合緊密，在縫隙之間灌注環(huán)氧樹脂．第1種構(gòu)造方式底板與側(cè)板采用高強螺栓，現(xiàn)場施工方便，第2種連接方式底板與側(cè)板之間采用焊接連接，節(jié)省材料，節(jié)點剛度大．

圖3 耗能段斷裂Fig.3 Failure of link beam

圖4 梯形外包鋼節(jié)點Fig.4 Trapezoidal steel-encased concrete node

圖5 加固節(jié)點構(gòu)造Fig.5 Construction of the reinforce node

1.2 連接節(jié)點承載力計算

已建 RC框架結(jié)構(gòu)框架梁具有相應(yīng)的截面尺寸，根據(jù)現(xiàn)有框架梁的截面尺寸和混凝土標(biāo)號，確定外包鋼大小、螺栓的布置及混凝土的局壓承載能力，加固的連接節(jié)點承載能力與現(xiàn)有梁截面尺寸相關(guān)，加固節(jié)點的承載能力成為設(shè)計內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的制約因素．采用內(nèi)填 Y形偏心鋼支撐加固RC框架時，首先需要確定耗能段與混凝土梁連接節(jié)點的承載力，根據(jù)連接節(jié)點承載力的大小設(shè)計內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的截面尺寸．

RC框架內(nèi)填Y形鋼支撐，耗能段主要承受剪力，為了簡化計算，假定每個螺栓只承受水平方向的剪力，考慮到彎矩和各個螺栓分配的力不均勻的影響，對計算得到的剪力乘以0.85的折減系數(shù)．加固節(jié)點承受剪力的能力由螺栓和混凝土局壓最小值確定，螺栓群的抗剪承載能力由(1)計算，螺栓對混凝土梁的局壓承載力[10]由(4)計算，加固節(jié)點的承載能力由(5)計算．

式中：nb、 nf分別為與混凝土梁和樓板相連的螺栓個數(shù)；分別為與混凝土梁和樓板相連1個螺栓的抗剪承載力；為螺栓受剪面數(shù)目，分別取2和1；d螺栓直徑；螺栓抗剪強度設(shè)計值．

式中：βc為混凝土強度影響系數(shù)，當(dāng)混凝土強度不超過C50混凝土?xí)r，βc取1.0，當(dāng)混凝土強度等級為C80時，βc取0.8，其間按線性內(nèi)插法確定；βl混凝土局部受壓時強度提高系數(shù)，取 1.0；fc為混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；Aln為混凝土梁上螺栓孔壁受壓面積，為混凝土梁的寬度，bf為樓板厚度．

底板與側(cè)板之間的螺栓或焊接連接按文獻[11]給出的公式進行計算．

2 內(nèi)填Y形鋼支撐設(shè)計

2.1 耗能段截面選取

2.1.1 耗能段腹板尺寸的確定

耗能段承擔(dān)的剪力根據(jù)耗能段與框架梁連接節(jié)點的承載能力進行確定．為保證地震作用下耗能段與梁的連接節(jié)點不發(fā)生破壞，設(shè)計耗能段截面時，對耗能段與框架梁連接節(jié)點的抗剪承載力V進行折減，參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，建議 8度設(shè)防烈度及以下時，折減系數(shù)取0.7，9度時取0.65．折減后的抗剪承載能力即為耗能段所承擔(dān)塑性剪力設(shè)計值 Vp，假定耗能段的剪力由耗能段的腹板承擔(dān)，按文獻[12]規(guī)定的耗能段腹板高厚比限值，確定腹板的厚度和寬度．

2.1.2 耗能段長度的確定

耗能段分為剪切屈服型和彎曲屈服型，剪切屈服型耗能段耗能性能優(yōu)于彎曲屈服型，在水平荷載的作用下，剪切屈服型耗能段形成剪切塑性鉸．由于鋼支撐組成的三角形桁架的側(cè)向剛度遠大于柱的側(cè)向剛度，則RC框架內(nèi)填Y形偏心鋼支撐的塑性機構(gòu)如圖6所示．圖中θ代表框架的層間側(cè)移角，e為耗能段的長度．耗能段的轉(zhuǎn)動能力用參數(shù)γ(耗能段的轉(zhuǎn)角)表示，由圖中幾何關(guān)系可得：

上式中h為結(jié)構(gòu)的層高．設(shè)耗能段的極限轉(zhuǎn)動能力為γp，根據(jù)文獻[2]的研究成果，γp可取為0.1rad．式(6)中參數(shù) γ可由γp代替，θ由θp代替，θp為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中多、高層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間側(cè)移角限值，式(6)采用式(7)表達，其中el為所需耗能段的最小長度．

圖6 RC框架內(nèi)填Y形支撐的塑性機構(gòu)Fig.6 RC frames filled with Y-steel bracing plastic mechanism

2.1.3 耗能段翼緣尺寸的確定

剪切屈服型耗能段的長度根據(jù)公式(8)確定，式中 Mp為耗能段的塑性抗彎承載力，Vp為耗能段的塑性抗剪承載力．

當(dāng)耗能段的長度以及腹板的尺寸確定以后，通過式(8)得到耗能段承擔(dān)的塑性彎矩，根據(jù)塑性彎矩可以確定耗能段翼緣的尺寸．

2.1.4 耗能段與支撐連接節(jié)點的構(gòu)造

文獻[4-7]試驗結(jié)果表明，耗能段采用端板與支撐連接時，耗能段與端板之間應(yīng)力集中，容易發(fā)生撕裂破壞(圖 7a)，結(jié)構(gòu)耗能能力有限，文獻[7]YBRCF-3試件采用“一體式”節(jié)點形式，避免了應(yīng)力集中處焊縫容易脆性破壞的弊端(圖7b)，轉(zhuǎn)移了焊縫位置，較為合理可靠．試驗中試件主要通過Y形偏心鋼支撐的耗能段耗散能量，試件耗能能力好．

為了便于耗能段安裝及震后耗能梁段的修復(fù)與更換，本文提出兩種連接構(gòu)造形式，耗能段及支撐連接部位仍然采用“一體式”連接形式，耗能梁段與支撐之間的翼緣采用對接焊縫，腹板采用拼接板和螺栓(圖8a)；耗能梁段與支撐之間翼緣和腹板的連接全部采用拼接板和高強螺栓(圖8b)．支撐在受力過程中應(yīng)保證不發(fā)生強度破壞和失穩(wěn)，連接節(jié)點的設(shè)計采用等強設(shè)計，即斷開截面處翼緣和腹板相應(yīng)的拼接材料和連接件所能傳遞的力不應(yīng)低于翼緣和腹板所能傳遞的最大內(nèi)力．

圖7 耗能段與支撐連接Fig.7 Link and brace connection

圖8 連接構(gòu)造Fig.8 Connection construction

2.2 鋼支撐截面選取

Y形鋼支撐在受力的過程中始終保持彈性，在水平荷載作用下，鋼支撐的受力簡圖如圖 9所示，由耗能段承擔(dān)的塑性剪力 Vp可以計算得到鋼支撐的軸力，為了確保Y形鋼支撐在耗能段進入塑性耗能后不發(fā)生屈曲，鋼支撐的軸力設(shè)計值不應(yīng)小于耗能段達到極限承載力時鋼支撐的軸力．支撐在地震作用下不進入塑性，每一個鋼支撐的設(shè)計軸力可按式(9)計算，按支撐構(gòu)件設(shè)計截面[12]．

圖9 支撐受力簡圖Fig.9 Force diagram of brace

式中：α為支撐與水平面的夾角，η為內(nèi)力增大系數(shù)，根據(jù)文獻[12]，在 8度設(shè)防烈度及以下時不應(yīng)小于1.4，9度時不應(yīng)小于1.5．

初選Y形鋼支撐的截面后，對內(nèi)填Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)進行有限元計算，根據(jù)計算內(nèi)力校核鋼支撐及耗能段的截面及連接節(jié)點的承載能力．

3 支撐與框架連接節(jié)點設(shè)計

3.1 連接節(jié)點構(gòu)造

為了避免植筋造成框架梁柱截面的削弱，鋼支撐與框架梁柱的連接節(jié)點采用圖 10兩種形式，文獻[7]采用圖10a的連接方式，混凝土梁由鋼板外包，由對拉螺栓連接鋼柱的外包鋼板，節(jié)點連接性能較好，混凝土框架節(jié)點域破壞較小．為了增加連接的剛度，本文同時提出圖10b的連接方式，柱采用鋼板整體包裹，并在鋼板與梁柱之間的縫隙灌填環(huán)氧樹脂嵌實．

圖10 支撐與梁柱連接節(jié)點Fig.10 Brace-beam and column nodes

3.2 連接節(jié)點計算

連接節(jié)點主要承受鋼支撐傳來的力，把鋼支撐傳來的軸力分解為豎直方向和水平方向，分別由(10)式和(11)式計算．根據(jù)連接節(jié)點的受力特點，假定豎直方向的力全部由與梁相連的螺栓承擔(dān)，水平方向的力全部由與框架柱相連的螺栓承擔(dān)．一個螺栓承擔(dān)的拉力由式(12)計算，由總的承載力即可計算所需要螺栓的數(shù)量．支撐與節(jié)點板之間的焊縫連接按文獻[11]的方法計算．

4 Y形偏心鋼支撐布置

采用設(shè)計軟件計算原RC框架層間側(cè)移比和抗側(cè)剛度，根據(jù)剛度不足對其進行補強．將已確定的Y形鋼支撐內(nèi)填RC框架內(nèi)，結(jié)構(gòu)平面布置時，Y形鋼支撐要規(guī)則、對稱，使結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心一致，在同一樓層，各榀內(nèi)填Y形鋼支撐的變形相同，各榀Y形鋼支撐承擔(dān)的水平荷載一致，方便設(shè)計和施工．

圖11 Y形鋼支撐布置形式Fig.11 Brace-beam and column nodes

Y形鋼支撐在1榀框架內(nèi)的豎向布置應(yīng)注意剛度均勻連續(xù)，避免剛度突變或內(nèi)填Y形鋼支撐不連續(xù)．豎向布置中可采用圖11兩種布置方式，圖11b布置方式加固的節(jié)點較少，對原結(jié)構(gòu)損傷少，施工便捷．應(yīng)用本文提出的設(shè)計方法，設(shè)計了內(nèi)填Y形鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)的計算模型[13]，并進行了有限元分析，分析結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計方法簡單實用．

5 結(jié)語

在已有試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，提出了基于耗能段與框架梁連接節(jié)點承載能力的內(nèi)填Y形偏心鋼支撐加固現(xiàn)有RC框架的設(shè)計方法．

(1) 給出了耗能段與框架梁之間的合理連接構(gòu)造及連接節(jié)點的簡化計算公式．

(2) 分析了內(nèi)填Y形鋼支撐RC框架的塑性機構(gòu)，確定了耗能段截面尺寸的選取方法，提出了耗能段與支撐之間的連接節(jié)點構(gòu)造形式．

(3) 確定了鋼支撐截面選取方法及鋼支撐的內(nèi)力放大系數(shù)．

(4) 提出了支撐與框架梁柱之間的連接構(gòu)造及連接點的承載力計算方法．

(5) 給出了內(nèi)填Y形鋼支撐平面布置原則及豎向布置方式．本文提出的設(shè)計方法為Y形偏心鋼支撐加固RC框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考．

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