王国林, 杨冀锟, 祁尚远,2, 陈明珠,3, 张 普

(1. 上海应用技术大学 城市建设与安全工程学院, 上海 201418;2. 上海奉贤城乡建设投资开发有限公司, 上海 201499;3. 湖北中医药大学 采购与招投标办, 湖北 武汉 430065;4. 郑州大学 土木工程学院, 河南 郑州 450001)

钢筋混凝土框架梁柱节点(下文简称“RC节点”)起着传递内力和保持结构整体性的作用。在水平地震作用下,节点受力非常复杂,核心区所受剪力可高达相邻柱端截面剪力的4～6倍[1],易发生剪切破坏而引起整个建筑破坏。早期建造的框架节点往往存在核心区箍筋配置不足等典型问题,而部分按现行规范设计的节点也因建筑功能的改变、抗震设防烈度调整等经常导致承载力不足。钢筋混凝土框架结构量大、面广,对这些抗震性能不足的RC节点采取有效抗震加固具有重要的社会意义。

对于RC节点的抗震加固,已有大量的研究和工程实践,既有加固方法主要有加大截面、粘贴钢板、外包型钢和粘贴纤维复合材(FRP)等[2]。其中,FRP加固方法凭借强度高、重量小、易施工、耐久性好等优点,自20世纪末用于RC节点的抗震性能提升以来一直是研究热点和难点[3]。学者们从不同角度对FRP加固RC节点的抗震性能展开了大量研究工作,并取得了丰硕成果[4]。研究表明,通过FRP外贴、环包加固节点的方法可以有效提升节点的抗震性能,但FRP剥离破坏现象普遍存在,影响了其补强效果的进一步发挥[5]。

针对此问题,FRP筋材嵌入式(Near-surface mounted,简称NSM)加固技术提供了解决方法,即先在加固构件保护层内开槽,然后利用结构胶将FRP筋材嵌入槽中,以此提高构件承载力[6]。目前,FRP筋材嵌入式加固构件的研究和应用主要集中在梁、柱及墙等构件[7],而在RC节点的抗震加固方面研究较少[5,8-9]。基于塑性铰外移的抗震设计理念,课题组前期开展了CFRP板条嵌入式加固T形RC空节点的抗震性能试验研究,结果显示,通过在核心区及其邻近梁端嵌入CFRP板条,可以显著提升节点的抗震性能,改变破坏模式,实现梁铰转移[5]。

然而,CFRP板条嵌入式抗震加固方法对于十字形RC节点效果如何,还有待进一步验证。鉴于此,本文拟采用此加固方法对十字形RC节点的抗震加固效果展开试验研究,并利用试验校验的有限元模型分析板条面积、板条间距、延伸长度及混凝土强度等节点加固主要设计参数的影响,以验证CFRP板条嵌入式抗震加固方法的适用性,为工程应用提供理论依据。

1.1 试件设计

图1 试件尺寸及截面配筋(单位:mm)Fig.1 Specimen size and section reinforcement (Unit:mm)

加固试件INDS在核心区及其梁端侧面保护层内嵌入三道板条,板条分别由3或4根单片板条胶合而成,开槽尺寸、板条布置、面积及延伸长度等加固设计参数如图2所示。CFRP板条抗拉强度为2 460 MPa,弹性模量为148 GPa,伸长率为1.7%,单片板条截面尺寸为2 mm×16 mm(厚度×宽度)。试验用粘结胶为Sikadur330CN。

图2 试件INDS加固方案(单位:mm)Fig.2 Strengthening scheme of specimen INDS (Unit:mm)

1.2 加载及量测方案

试验在上海应用技术大学1 000 t电液伺服多功能结构试验系统上完成(图3)。该系统具有水平跟动功能,即竖向作动器可以始终随着柱顶作来回往复运动,很好地模拟了节点的真实受力状态。采用柱端水平低周反复加载方式。

注:1:150 t水平作动器;2:1 000 t竖向作动器;3:节点构件;4:梁端支撑;5:梁端上下滚轴;6:柱端铰支座图3 试验加载装置Fig.3 Loading device used in the test

在正式加载前,预加载180 kN轴力和4 kN水平荷载,仪表工作检查无误后,卸载并进入正式加载。正式加载时,先进行荷载控制,待试件屈服后改用位移控制。在荷载控制阶段,在构件开裂前每级荷载2 kN;出现受弯裂缝后,每级荷载10 kN;当接近屈服荷载时,每级荷载降为5 kN。在位移控制阶段,按1倍屈服位移为级差进行加载。在加载的上升段,通过调整位移加载速率,保持10 kN/min的荷载增长速度,在下降段,保持20 kN/min卸载速度。

试验量测方案如下:(1)利用加载设备自带力传感器监测柱轴力和水平加载;(2)利用LVDT测量梁、柱的水平侧移、梁塑性铰变形以及核心区剪切变形;(3)利用应变片测量钢筋和CFRP板条应变,位移及应变测点布置如图4所示。这些数据均采用IMP高速静态数据采集仪进行同步采集。

图4 测点布置图Fig.4 Layout of measuring points

2.1 破坏形态

试件IND发生了核心区剪切破坏,而加固试件INDS发生了梁受弯破坏,且梁铰发生了转移。破坏形态如图5所示。对于节点IND,当荷载达到12 kN时,在梁端出现受弯裂缝;当加载位移达到35 mm时,核心区出现斜裂缝。随着荷载增加,梁端受弯缝发展为弯剪斜缝并贯穿整个梁截面,但宽度较小,而核心区斜裂缝贯通密集,将核心区混凝土划分成若干区域。在反复挤压下,核心区混凝土大片压溃剥落,构件最终发生核心区剪切破坏,如图5(a)。

图5 构件破坏模态Fig.5 Failure modes of test specimens

对于加固节点INDS,当荷载达到13 kN时,在梁端出现受弯裂缝;当位移加至35 mm时,核心区出现细小斜裂缝;当位移加至70 mm时,CFRP板条端部梁截面处的受弯缝不断延伸变宽,形成弯剪斜裂缝并贯通梁高呈“X”状,周边混凝土压溃剥落明显,显示该处塑性铰形成,而与此同时其余位置的弯曲和斜裂缝发展基本停止,如图5(b)。

2.2 荷载-位移曲线

荷载-位移曲线如图6所示,屈服荷载Py、极限荷载Pu、延性系数等主要试验结果列于表1。两个构件的梁纵筋均发生了屈服,但屈服范围不同。对于试件IND,仅是柱边的梁纵筋达到屈服,而对于构件INDS,梁纵筋屈服首先发生于柱边,而后向两侧延伸,核心区及CFRP板条端处的梁筋均达到了屈服。构件INDS因为CFRP板条的贡献,梁筋与混凝土间的粘结退化减缓。到达极限荷载后,构件IND因核心区压溃而发生剪切破坏,加固构件INDS则因塑性铰破坏而发生受弯破坏。

由表1可见,与试件IND相比,试件INDS的承载力和延性均有所提高,承载力提高了16.3%,而延性系数提高13.7%。可见,在核心区及相邻梁端嵌入CFRP板条,不但加强了核心区抗剪强度,还对相邻梁端起到抗弯作用,促进了塑性铰转移,改变了试件的破坏模态,有效提高了节点的承载力和延性。

注:1.梁筋首次屈服;2.荷载峰值;3.屈服延伸至核心区;4.正向骨架曲线;5.反向骨架曲线图6 构件荷载-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of specimens

表1 主要试验结果

2.3 CFRP板条应变分析

在节点INDS两侧各布置了三道CFRP板条。本文以中部板条为例,说明CFRP板条应变发展情况,如图7。由图可见,板条应变的分布规律为核心区应变大于梁端,即呈现中间大、两端小的分布趋势。这是由于在水平荷载作用下核心区所受的剪力最大,同时也表明了板条加固的有效性。同时,由图7所见,加载初期,应变随着荷载增加而增加,在加载位移达到2Δy时(μ=2),板条应变达到峰值(2 200 με);随后逐渐减小,这主要是因为破坏逐步形成于板条端部的梁铰区域,而使得核心区裂缝发展缓慢甚而停止。

图7 试件INDS中部CFRP板条应变发展Fig.7 Strain development of CFRP laminate in the middle of specimen INDS

可见,CFRP板条起到了类似箍筋的抗剪作用,不但承担了部分核心区剪力,还对核心区混凝土起到了约束作用。这与课题组前期针对“T”形节点研究结论一致[5]。

此外,试验发现,由于CFRP板条对核心区及梁端混凝土起到了良好约束作用,试件INDS累积耗能能力一直高于构件IND[10]。

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20年间，我国进口食品来源国（地区）从108个增加至170个，覆盖了全球约74%的国家和地区。

3.1 单元模型的选取

采用ABAQUS建立3D非线性有限元模型,其中混凝土、加载板、CFRP板条均采用六面体减缩积分单元(C3D8R),箍筋及纵筋采用直线桁架单元(T3D2)。

3.2 材料本构模型的选取

混凝土采用损伤塑性模型(Damaged plasticity model,DP)。通过验算对比,选用《混凝土结构设计规范(GB 50010—2010)》[11]中的本构关系。混凝土受压、受拉状态下塑性应变与非弹性应变之比分别0.4和0.9,其他相关参数列于表2。

表2 DP模型主要参数取值

钢筋采用全弹塑性及硬化三折线模型(强化阶段为水平段),极限应变取0.1,泊松比0.3,弹性模量、屈服应变均由试验值确定。对于CFRP板条,试验研究发现,其在整个试验过程中始终处于弹性状态,而粘结破坏主要发生于混凝土保护层内。因此,CFRP采用理想的线弹性模型。

3.3 粘结滑移的考虑

试验研究发现[5],CFRP板条因强度高、弹性恢复力强,对混凝土起到了良好的约束作用,因此,未发现CFRP板条的粘结滑移现象,钢筋与混凝土间的粘结滑移也不明显。同时,对于粘结滑移模拟,对比研究发现,修正本构关系法与引入弹簧单元法差别在5%以内[12]。因此,本文采用“embed”连接方式,通过调整混凝土的受拉软化曲线来模拟钢筋-混凝土间的粘结滑移效应,计算结果准确性高且收敛性好[12]。

4.1 破坏模式模拟

对比图5和图8可见,有限元模拟的破坏模态与试验结果基本一致,即构件IND破坏主要集中于核心区,最终发生剪切破坏,而构件INDS因CFRP板条的作用则发生受弯破坏,且塑性铰发生了转移。

图8 构件模拟破坏模态Fig.8 Failure modes of specimens from FEM

4.2 荷载-位移曲线对比分析

模拟荷载-位移曲线与试验骨架曲线对比(只取正向曲线)如图9所示。可见,有限元模型可精确地反映试件的整体受力行为,承载力试验值与模拟结果比值达0.98,表明模型具有较高的预测精度。同时可见,有限元模拟曲线的初始刚度略偏大,可能因为在试验过程中存在连接件(如对拉螺杆)的弹性变形或其间存在空隙等原因。

图9 荷载-位移对比Fig.9 Comparison between load-displacement curves

4.3 CFRP板条应力对比分析

图10显示了试件INDS的中部CFRP板条在水平加载位移为1倍Δy时的应变分布对比情况,其中,横坐标为距离柱中线的距离,纵坐标为板条应变。由图可见,有限元模型精确地模拟了应变分布情况。模拟最大应变为1 265 με,位于板条中位,当加载至峰值时,该处应变达到2 359 με,与试验结果比值为1.07。可见,模型能较好地模拟CFRP板条在受力过程中的应变分布和发展规律。同时,也表明了在模型中关于粘结滑移的考虑方式是可行的。

图10 中部CFRP板条应变对比Fig.10 Comparison between strain of middle CFRP laminate

板条面积变化参数列于表3,对应的荷载-位移曲线如图11(a)所示。在加载前期,各构件曲线几乎重合,此时构件损伤小,混凝土、钢筋、CFRP板条共同工作,CFRP板条的贡献不明显。当钢筋屈服后,混凝土开裂发展,CFRP板条逐步发挥作用,承载力随板条面积增大而提高。

表3 设计板条面积

图11 影响参数分析Fig.11 Parameter analysis

对于板条间距,保持CFRP板条面积相同,设计了三种间距(表4)。由图11(b)可见,板条面积相同时,试件承载力随着板条间距的增加而降低。这是因为板条间距过大,板条间的混凝土得不到有效约束,核心区易先于梁端发生受剪破坏。若板条间距过小,也将一定程度上削弱节点,因此建议板条间距取100 mm。

表4 设计板条间距

板条延伸长度影响试件的破坏模式:延伸长度过短,塑性铰易出现于柱边,导致在后续反复加载过程中梁筋屈服延伸至核心区;而延伸长度过长,则会使梁端抗弯加强过长,不易形成梁铰。本文设计了三种长度,即150 mm、200 mm和250 mm。由图11(c)可见,三种长度对应的荷载-位移曲线整体趋势基本一致,在荷载上升段差距很小(未在图中画出),在峰值附近,随延伸长度的提高而稍微增大。因此建议延伸长度取0.5～1倍有效梁高。

对于基体混凝土强度,取C30、C40和C50三种类别,荷载-位移曲线如图11(d)所示。由图可见,在加载初期,试件处于弹性阶段,混凝土强度无明显影响;当试件进入弹塑性阶段后,承载力随混凝土强度的提高而提高。待加固构件的混凝土强度往往偏低,需要注意采用有效措施防止其发生斜压破坏。

通过试验研究和有限元模拟分析,验证了CFRP板条嵌入式加固RC框架节点的有效性。主要结论如下:

(1) 试验研究表明,在核心区及相邻梁端嵌入CFRP板条,不但起到了类似箍筋的抗剪和约束作用,还能对相邻梁端起到抗弯作用,促进塑性铰转移,从而提高加固节点的抗震性能。

(2) 数值模拟所得破坏模态、荷载-位移曲线、板条应变发展和分布规律均与试验值接近,极限承载力误差不超过5%,说明有限元模型可较精确的反映试件的整体受力行为。

(3) 节点试件承载力随着板条面积的增大、板条间距的减小及混凝土强度的提高而提升。在实际加固过程中,过小的板条间距不经济且还可能削弱核心区混凝土,建议取100 mm。

(4) 板条延伸长度对节点试件承载力影响不大,但合理的延伸长度有助于塑性铰外移,建议取0.5～1倍有效梁高。

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