型钢纤维混凝土框架加固既有结构的试验研究.pdf

第 2 9卷 2 0 1 4正 第 2期 4月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J OU RNAL OF S HAND 0NG J I AN Z HU UNI VE RS r I Y Vo l _ 2 9 NO 2 Apr 2 01 4 文章编号： 1 6 7 3 7 6 4 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 1 2 3 0 8 型钢纤维混凝土框 架加 固既有结构 的试验研究 刘春阳 ，石均吉 ，田口孝 ， 神谷隆 ， 仓本洋 ( 1 山东建筑大学 土木工程学院， 山东 济南 2 5 0 1 0 1 ； 2 大阪大学 建筑工程学院， 大阪 日本 5 6 5 8 7 1 ； 3 矢作 建设有限公司 地震工程技术研究所， 名古屋 日本 4 8 0 1 3 4 2 ) 摘要： 在既有框架结构外侧附设新的型钢纤维混凝土框架且新旧框架通过新增设的楼板和直交梁进行连接， 从 而实现对既有框架加固的目的。该方法既可大幅提高结构抗震能力又可减小对原有建筑空间的影响。文章通 过对 1个钢筋混凝土未加固框架和3个已加固框架的低周反复荷载作用试验， 重点研究了加固后框架的滞回 曲线、 既有框架和加固框架之间的变形关系、 新旧框架柱中钢筋和型钢应力分布规律。结果表明： 该加固方法 不仅可提高既有结构的抗震承载力而且具有 良好的稳定性； 板的外伸长度以及新设加固框架中柱子的数量和 梁截面尺寸是影响加固框架性能发挥的重要影响因素； 新旧框架柱中钢筋和型钢应力均可达到屈服强度共同 工作效果。 关键词： 型钢纤维混凝土框架 夕 设框架 ； 抗震加固； 低周反复荷载试验； 共同工作性能 中图分类号 ： T U 3 7 5 文献标识码 ： A Ex p e r i m e n t a l s t u dy o n s e i s m i c r e t r o fit t i ng m e t h o d by u s i ng fib e r c o nc r e t e e n c a s e d s t e e l s t r u c t u r a l f r a m e Hu C h u n y a n g ， S h i J u n j i ， T a g u c h i T a k a s h i 。 ， e t a 1 ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ； 2 D i v o f G l o b a l A r c h i t e c t u r e ， G r a d u a t e S c h ool o f E n g i n e e r i n g ， O s a k a U n i v e rs i t y ， O s a k a 5 6 5 0 8 7 1 ， J a p a n； 3 E a r t h q u ake E n gi n e e r i n g T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， Y a h a g i C o n s t ruc t i o n C o L t d ， N a n n g o y a 4 8 01 3 4 2， J a p a n ) Ab s t r a c t ：A n e w r e t r o fi t t i n g me t h o d t h a t fi b e r c o n c r e t e e n c a s e d s t e e l f r a me s a r e i n d i r e c t l y i n s t a l l e d t h r o u g h e x t e n d e d c o n n e c t i o n s l a b s a n d b e a ms t o e x i s t i n g RC f r a me r s i s p r o p o s e d a n d t h e a d v a nt a g e o f t h i s me t h o d i s t h a t t h e a b i l i t y o f t h e o l d b u i l d i n g wi l l b e s i g n i fi c a n tl y i n c r e a s e d a n d t h e i n fl u e n c e t o t h e o l d b u i l d i n g wi l l a l s o b e v e r y s ma l 1 On t h e b a s e o f t h e q u a s i s t a t i c e x p e ri me n t r e s e a r c h o f o n e e x i s t e d o l d RC f r a me s p e c i me n a n d t h r e e r e t r o f i t t e d f r a me s， t h e c h a r a c t e ris t i c o f t h e h y s t e r i s i s c u r v e s， d i s p l a c e me n t r e l a t i o n b e t w e e n t h e e x i s t e d a n d t h e n e w r e t r o f i t t i n g f r a me s a n d t h e s t r a i n d i s t ri b u t i o n i s s t u d i e d Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s e i s mi c a bi l i t y i s i n c r e a s e d a n d wo r k i n g p e r f o r ma n c e o f t h e r e t r o f i t t e d s pe c i me ns i s s t a b l e，t h e e x t e n s i o n l e ng t h o f t h e s l a b a n d t h e n u mb e r t h e c o l u mns o r t h e s i z e o f t h e b e a m s e c t i o n a r e i mp o r t a n t i n flu e n c i ng f a c t o rs t o t h e wo r k i ng p e rfo r ma nc e o f t h e n e w r e t r o f i t t i n g f r a me s ，s t e e l b a r s s t r e n g t h wi l l r e a c h i t s y i e l d s t r e n gth w h i c h me a n s t h e n e w r e t r o fi t t e d f r a me c a n w o r k we l 1 wi t h t h e o l d f r a me s t r u c t u r e 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 21 8 基金项目： 国家自 然科学基金项目( 5 1 0 7 8 0 1 1 ) ； 国家 自 然科学基金项目( 5 1 3 7 8 3 0 2 ) ； 国家公派留学奖学金项目( 2 0 0 9 6 5 4 0 0 4 ) ； 山东建筑大 学博士科研基金项 目( X N B S 1 2 0 2 ) 作者简介： 刘春阳( 1 9 8 0一 ) ， 男， 讲师， 博士， 主要从事混凝土结构抗震加固等方面的研究 E m a i l ： l i u c y 2 0 1 1 s d j z u e d u c n 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 4年 Ke y wo r d s： fib e r c o n c r e t e e n c a s e d s t e e l f r a me； o u t e r f r a me； s e i s mi c r e t r o f i t t i ng； q ua s i s t a t i c e x pe r i me nt ；wo r k i n g p e r f o r ma n c e 0 引言 目前 ， 建筑结构抗震加固的主要方法有 ： ( 1 )增 设支撑法利用支撑承担一部分地震力从而改善建 筑物抗震性能的加固方法。增设支撑可提高结构的 刚度 ， 满足多高层结构对侧向刚度和承载力的要求 ， 但此方法在很大程度上影响了建筑物 的采光 、 通风 等功能的正常发挥 - 3 ； ( 2 )隔震法在建筑的基 础和上部结构之 间以及上部建 筑物层 间设置 隔震 层， 隔离地震能量向上部结构的传递， 可以降低上部 结构地震作用 ， 从而提高 了建筑物抗震安全度 ， 我 国 G B 5 0 0 1 l _2 0 1 0 建筑抗震设计规范 中给出了隔震 设计的相关规定和设计要点。在 隔震结构 中， 地震 力 响应通常能得到抑制 ， 但造价问题是其有效推广 应用的主要 障碍 ， 若其他 因素不变 ， 只增设滑移隔震 装置 ， 其 造价将 会 比原造价超 出 1 0 一1 5 _ 4 - 6 ； ( 3 )消能减震法在建筑物中设置一定数量的消能 部件或阻尼器， 通过其局部变形提供附加阻尼来吸 收地震能量， 降低主体结构地震反应， 我国 建筑抗 震设计规范 中也给出了消能减震设计方面的有关 内容 ， 但是消能部件或阻尼器 的设置也会对建筑空 间的使用造成一定影响 ； ( 4 )外套预制装配式 结构法北京市建筑设计研究院针对老旧砌体住宅 需要进行抗震加固的需求 ， 提 出了外套预制装配式 结构加固砌体结构的新技术 。该方法主要利用外加 预制钢筋混凝土墙承担大部分的地震作用 ， 该方法 可明显提高老旧砖混住宅的抗震能力 _ l “ ； ( 5 )外 设框架法利用新增框架来承担一部分地震力从而 改善建筑物抗震性能 的加 固方法 。外设框架 能够提高结构的刚度和承载力 ， 但其建设规模受到 既有建筑物外部空间的影响， 会对 日常通风、 采光和 人们的出行交通等影响较大； ( 6 )其他方法经常 使 用 的 还 有 如 粘 钢 加 固法 、 碳 纤 维 布 加 固 法 等 。文章提出了一种新的外设 框架加 固既有 结构的方法 ， 即在现有结构外侧增设型钢纤维混凝 土补强框架并 通过新设 的板把新 旧结构连接在 一 起， 从而实现对结构的补强加固。通过对低周反复 荷载试验对外设型钢纤维混凝土框架加固的既有结 构抗震性能 的研究 ， 分析 了影响新 老结构共 同工作 的因素， 并可为实际工程设计提供有益的参考。 1 试验概要 试件包 括 1个未加 固钢筋 混凝 土框 架 ( 简称 O F 1 1 ) 和 3个加固框架 ( 简称 O F 21 、 O F 2 2和 O F 2 3 ) 。试件 O F 21主要考虑了新设板 的外伸 长度较大的情况 ， 以此来考察新设板 的外伸长度 的 影响及适用范围等。试件 O F 2 2考虑了补强部框 架跨中增设 中柱的情况 ， 补强部柱 的数量 由 2个变 为 3个 ， 可以增 加补强部 的补强量 。试件 O F 23 考虑了补强部梁截 面高度取大值的情况， 对柱来讲 梁 的高度变大后 ， 柱 、 梁的线刚度 比降变小。试件尺 寸及配筋见表 1 ， 试件外形图如图 1 所示 ， 试验所用材 料及其性能见表 2 、 3 、 4 。试验按照既有框架柱的位移 角 尺( r a d ) 逐 步 增大 的方 式 进行 加载。其 中， R= 1 1 0 0 0 及 1 5 0 0循环 一周 加载 ， R=1 2 5 0 、 1 1 5 0 、 1 1 0 0、 1 6 7 、 1 3 3及 1 2 5控制位移角下各循环 2周 加载， 最后 R=1 2 0 控制位移角下只进行半周的循环 加载。轴力按轴压比 0 1考虑时 ， 其取值为 3 7 7 k N。 加载装置如图 2所示。 2 结果与分析 2 1 滞 回 曲线 荷载一位移曲线如图 3所示 。由图可知 ， 试件 全部发生弯曲破坏且补强试件 的峰值荷载明显高于 无补强试件峰值荷载。无补强试验体 O F 1 1 在位 移角达到 R=1 5 0时达 到试验 纪 录的峰值荷 载。 在其后的加载过程 中， 并没有发生承载力 急剧下 降 且滞 回曲线呈现出安定的纺锤形。补强试件 O F 2 1 在位移角达到 R=1 3 3时达到试验纪录的峰值荷 载。R=1 2 5负加载过程中， 承载力极具下降 ， 为安 全起见停止加载。补强试件 O F 22及 O F 23在 位移角达到 R=1 3 3时达到试验纪录的峰值荷载 。 在其后的加载过程中， 并没有发生承载力急剧下降 且滞回曲线呈现出安定 的纺锤形 。 第 2期 刘春阳等： 型钢纤维混凝土框架加固既有结构的试验研究 1 2 5 既有框架 净高 m m 跨 度 mm 柱截面 m m 柱主筋 既有 一补强间距 距离 m m 补强框架 净高 m m 跨 度 m m 柱截面 m m 柱型钢 m m 梁截面 m m 梁型钢 m m 增设板 板厚 m m 板筋 间距 m n 配筋率 直交梁 梁截面 m m 主筋 9 8 5 3 O 0 o bD =7 0 0 x3 5 0 8一D1 6 l 5 0 0 l O 0 o 3 O o 0 bD =2 0 0 3 5 0 H 一2 5 0 1 O 069 bD =2 0 0 4 0 0 H 一3 O O 1 O Ol 61 9 1 5 0 2 3一D1 O 2 4 0 ( 交错) 0 4 0 bD =2 0 0 1 5 O 6一 D1 6 l o o 0 1 5 o 0 2 0 0 3 3一 D1 0 1 6 0 ( 交错 ) O 4 5 bD =2 0 02 0 o 6D =2 0 0 5 0 0 H 一4 0 0 1 O 01 6 1 9 1 5 0 2 3一Dl O 2 4 0( 交错) 0 4 0 bD ：2 0 0 1 5 0 ( a 1 ) ( a - 2 ) ( a 】 ( a 3 ) ( a - 4 ) 髀 一 ( b - 1 ) ( b - 2 ) ( b - 3 ) 离 噩一 I I 二墨二 二筮二 二避= = = ( o - 1 ) ( c 2 ) ( c 】 ) 图 1 试件外形图 ( a )O F 2 1 试 件； ( b )O F 2 - 2试件 ； ( C )O F 2 - 3试件。 ( a 一 1 ) 侧面图； ( a - 2 ) 既有框架立面图； ( a - 3 ) 补强框架立面图； ( a 4) 平面图； ( b 1 ) 侧面图 ； ( b - 2 ) 既有框架立面图； ( b - 3 ) 补强框架立面 图； ( b 4) 平面 图； ( c 一 1 ) 侧面图； ( e - 2 ) 既有框架立面图； ( c _ 3 ) 补强框架立面图； ( c 4) 平面图。 ( c 4) 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 4正 由图 6 、 7可知， 各试件既有钢筋混凝土框架柱 中钢筋应力表现出近似相 同的分布规律 ， 随着控制 位移角的增大， 柱上部以及柱脚部附近的应力逐步 增大， 在达到峰值荷载之前柱主筋均可达到屈服强 度。试件 O F 2 - 2的既有框架柱主筋应力 比其他试验 体柱主筋应力先行达到屈服。补强框架柱上下端部 翼缘测点处应力也可达到屈服强度 ， 且各试件补强 框架柱下端应力表现出比柱上端部应力大的特点 。 i I _一 l 一 - 二 二 _ I ， l 2 6 卯 _ l 钔 ( b ) ( c ) 图 5 应变测点示意 图 ( a )既有框架柱钢筋应变测点 ； ( b )补强框架柱型钢翼缘 应变测 点 ； ( c ) 正面侧 断面图 l 7 U 5 U 。 U - 5 0 0 ， ； 一3 0 0 2 0 0 1 O O I I 1 O O 2 0 0 3 0 0 4 I 应 力 MP a 一 OF 2 l OF 2 2 oF2 3 ( a ) l 7 U 5 U 。 U - 5 0 0 3 0 0 2 0 0 1 O O I l 0 0 2 00 3 0 0 4 斗1 D， 一 OF 2 1 一 OF 2 - 2 OF2 - 3 ( b ) 第2期 刘春阳等 ： 型钢纤维混凝土框架加固既有结构的试验研究 、 、 、 纛 ， 、 750 一 ， ， ， ， _ 5 0 ? _ 3 0 o 2 o o 1 0 o O 1 0 o 2 o o 3 o 0 4 - 2 5 O 应力 a -( ) F 2 _ 1 0F 2 _ 2 - 0f 2 - 3 ( c ) lUUU 一 l ， 750 怔 ， ， 50 o ：兰 ， ， ， ， 。 j 王 王 ： ： 3 0 o_ 2 0 o 1 0 o 0 1 0 o 2 0 o 3 0 o 一f 1 -0F 2 1 一 OF 2 - 2 ” 0F 2 3 ( d ) 图 6 不 同位移角 时既有框 架柱钢筋应 力结果 ( a )0 0 1 0 md； ( b )0 0 1 5 r a d ； ( c )0 0 2 0 md ； ( d )0 0 3 0 r a d ： 垣 ， 5 0 0 ) o 8 面 0 l 0 o 2 0 0 3 0 0 4 、 ： 0F 2 - 1 一 oF 2 2 ， OF 2 - 3 ( a 】 、 、 、 | _ ： ， 、 、 ： 5 0 o - ， 。 D o ： O l 0 o 2 0 o 3 0 0 3 结论 应力 MP a 、 l _ 7 5 O 鑫， 5 0 o- 、 ) 0 t 0 o i o o 0 l o o 2 0 0 3 0 0 i -0F 2 1 0F 2- 2 ” 0F 2 - 3 C o ) 、 、 、 l U UU 、 、 。 = 、 、 、 、 _ 5 0 5 0 o 2 5 0 - ， ， ) o 、- ： o o i o o 0 l o 0 2 0 0 3 0 c 一 1 n OF 2 - 1- OF 2 - 2-_ _OF 2 - 3 一一 OF2 -1 OF 2 - 2 0F 2 - 3 ( c 1 ( d ) 图 7 不 同位移角时补强框架柱型钢翼缘应力结果 ( a )0 0 1 0 r a d ； ( b )0 0 1 5 r a d ； ( c )0 0 2 0 r a d ； ( d )0 0 3 0 r a d 通过上述研究分析 ， 得到以下结论 ： ( 1 )利用外设框架加 固后的结构滞回曲线饱满 应力 MP a 且工作性能稳定没有 出现剧烈 的承载力降低 。外设 框架可明显提高既有钢筋混凝 土框架的承载力 ， 提 高程度受到楼板外伸长度和补强量的影响而不同； ( 2 )随着加载位移角的增大加 固框架与既有框 架 间的变形差异增大 ， 且受楼板外伸长度和补强量 1 3 0 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 0 1 4正 大小的影 响明显 。楼板外伸 长度大 的试件 变形 差 大 ， 补强量大的试件则变形差也大 ； ( 3 )补强后的结构柱端部钢筋应力和型钢翼缘 应力均可达到屈服状态且上端应力小于下端应力趋 势明显 ， 表明补强框架 和既有框架共 同工作性能 良 好。 参考文献： 1 顾炉忠 ， 高 向宇 ， 徐建伟 ， 等 防屈曲支撑混凝 土框 架结构抗震 性能试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 7 ) ： 1 0 01 1 0 2 北村春幸 ， 宫川和明 ， 石井 匠， 等 钢材系制振7 一灭 老彀置 乙 曲c 破壤型 R C造建物 地震虑答秤俩 C 九州： 日本 建篥学会大会学衍莆演梗概集 ， 2 0 0 7： 5 6 9 5 7 0 3 A s h C ， B a r t o l e t t i S S e i s m i c r e h a b i l i t a t i o n o f a n e x i s t i n g b r a c e d f r a me h o s p i t a l b u i l d i n g b y d i r e c t rep l a c e me n t wi t h b u c k l i n g r e s m n e d b r a c e sC S a n F r a n c i s c an ： P r o c e e d i n g s of t h e ATC &S E I 2 0 0 9 c o n f e r e n c e o n i mp r o v i n g t h e s e i s mi c p e r f o r man c e of e x i s t i n g b u i l d i n g s a n d o t h e r s t r u c t u r e s ，2 0 0 9： 6 8 7 0 4 张文芳， 李爱群， 程文滚， 等 建筑物滑移隔震研究现状及新进 展 J 东南大学学报 ， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 增刊) ： 4 5 5 0 5 干藁踢一， 随川惠一， 北村春幸， 等 低摩擦型守 I ) 支承匕稹 眉 厶? ， 一 莹组合世 免震樽造 工 未， 一 约合 忙基- -j 庵答予测法 J 九州： 日 本建篥学会樽造系输文集， 第 5 7 5号 ， 2 0 0 4： 6 57 2 6 P anl s o nT J ， A b r a ms D P ， Ma y e s R L S h a k i n gt a b l e s t u d y of b a s e i s o l a t i o n f o r maso n r y b u i l d i n gs J J o u ma l o f S t r u c t u r al E n g i n e e r i n g ，1 9 9 1 ， 1 1 7 ( 1 1 ) ： 3 3 1 5 3 3 3 6 7 吴波 ， 李 惠， 林立岩 ， 等东北某政府大楼采用摩擦 阻尼器进行 抗震加 固的研究 J 建筑结构学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 5 ) ： 2 83 6 8 R a m i rez O M E l ast i c and i n e l ast i c s e i s mi c res p o n s e of s t r u c t u r e s w i t h d a m p i n g s y s t e ms J E a r t h q u a k e S p e c t r a ， 2 0 0 2 ， 1 8 ( 3 ) ： 5 0 1 5 3 0 【 9】 C h o C G ，K w o nM D e v e l o p me n t and m o d e l i n g o f af r i c t i o n a l wall d a mp e r a n d i t s a p p l i c a t i o n s i n rei nfo r c e d c o n c r e t e f r a me s t r u c t u res J E a r t h q u a k e E n g i n e e ri n g S t ruc t u r a l D y n a m i c s ， 2 0 0 4， 3 3： 8 218 3 8 1 O 陈曦， 苗启松， 李文峰， 等 砌体结构房屋加固足尺实验模型数 值模拟 J 土木工程与管理学报 ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 3 ) ： 3 4 4 3 4 8 1 1 任 晓崧 ， 刘创 外套钢筋混凝土墙 的多层砌 体结构抗震性 能分 析 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 0 ， 3 1 ( s 2 ) ： 3 3 43 3 8 1 2 渡边一弘 ， 谷部 司， 大井一 ， 等 7。 L ， 年t灭 P C部材 电用0 、 外付 c 于7 一厶耐震工法 J 都市能 老支之 为了 夕 J 技 ， 2 0 o 8 ， 4 6 ( 1 ) ： 6 8 7 2 1 3马智文 ， 荒木玄之， 田中恭哉 ， 等 斜幻P c材 老用 、 外付 于 耐震 工法 J 都市能聋支 之为j夕 1J 技， 2 0 0 8 ， 4 6 ( 1 ) ： 7 4 7 8 1 4 郭猛， 刘佩， 姚谦峰， 等 双面粘钢加固砼板抗弯承载力与节面 刚度计算 J 山东建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 5 ) ： 3 8 13 8 4 1 5 隋炳强， 邓长根， 罗兴隆 粘钢法全长加固钢管柱极限承载力 研究 J 山东建筑大学学报 ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 5 )： 4 2 0 4 2 4 1 6刘维瑞 ， 张爱社 ， 袁 成科 ， 等 C F R P加 固钢筋 混凝 土梁受 弯承 载力分析 J 山东建筑大学学报 ， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 3 )： 3 2 73 2 9 1 7周乾 ， 闫维 明， 张博 C F R P布加 固古建筑 木构架抗震 试验 J 山东建筑 大学学报 ， 2 0 1 1 ， 2 6 ( 4 ) ： 3 2 7 3 3 3 ( 责任编辑 ： 吴芹)