内填Y形偏心钢支撑加固RC框架结构设计方法

赵宝成，王军良，于安林，顾 强

（苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室 江苏 苏州 215011）

一些在役的RC框架结构，由于建造时间早，其水平承载力或抗侧刚度明显存在不足，一旦遭受强烈地震，必然导致大量人员伤亡和巨额财产损失．为提高这些RC框架的抗震性能及抗地震倒塌能力，需对其进行抗震加固．考虑到Y形偏心支撑耗能能力较好，耗能段独立于框架之外，内填于RC框架后，可通过耗能段耗能，从而提高结构的抗震性能．Ghobarah、Elfath[1]对内填钢支撑的三层RC框架结构进行了抗震性能研究．RC框架分别内填中心支撑和Y形偏心钢支撑，分析表明同样地震水平作用下内填Y形偏心钢支撑的RC框架破坏部位主要集中在耗能梁段，整个结构破坏较小，相比之下内填钢中心支撑RC框架破坏程度较大．Sola、Luis[2]研究了Y形钢支撑加固RC框架结构抗震性能，并对其与该地区采用剪力墙加固RC框架的受力性能加以对比．Mazzolani[3]分别应用 Y 形钢支撑、防屈曲支撑以及钢板剪力墙对实际的RC框架进行加固，试验结果表明Y形钢支撑加固RC框架是最经济有效的方法．

杨禹丞[4]试验研究了循环荷载作用下的2榀单层单跨1/3缩尺RC框架内填Y形钢支撑结构和1榀RC框架的滞回性能．结果表明，RC框架结构内填Y形钢支撑后，其抗侧刚度比纯框架的抗侧刚度提高较多．赵宝成等[5]进行了耗能段与 RC框架梁采用不同连接节点形式的2榀1/3缩尺Y形钢支撑RC框架的低周反复荷载试验．结果表明：U形外包钢的加固方法可靠性高．薛黎明[6]进行了2榀单层单跨1/3缩尺内填Y形钢支撑RC框架结构的拟动力试验研究．结果表明，外包钢长度对结构耗能能力有影响，耗能段与框架梁连接节点处需仔细研究确定，确保耗能段先发生剪切破坏．赵宝成等[7]进行了3榀2层单跨1/2缩尺Y形钢支撑加固RC框架试件的低周反复荷载试验．结果表明，Y形钢支撑承担了结构的大部分水平荷载，试验中耗能段与混凝土梁的连接采用外包钢的连接节点没有发生破坏，节点构造合理．邵寅[8]，盛邵山[9]分别试验研究了耗能段与楼板连接或不连接的情况下，连接节点的滞回性能．

由以往的试验研究可知，RC框架内填Y形偏心钢支撑后抗侧刚度高、耗能能力好，Y形钢支撑与RC框架仅三点相连，施工方便，目前对其设计方法研究较少，因而提出内填Y形偏心钢支撑加固RC框架的设计方法，为设计人员提供设计依据非常必要．已建的RC框架梁截面尺寸已经确定，耗能段与框架梁之间连接节点的承载力是制约内填Y形偏心钢支撑大小的决定因素，本文提出基于耗能段与框架梁连接节点承载能力的 Y形偏心支撑加固RC框架的设计方法和构造措施．

1 耗能段与框架梁连接节点设计

1.1 连接节点构造

文献[4-5]中框架梁分别采用底部加钢板和外包 U型钢的形式对框架梁进行加固，试验结果表明，框架梁采用底部加钢板进行加固，耗能段还没有发挥作用，混凝土梁与底板相交的部位已发生破坏(图1)，连接节点破坏导致结构耗能不充分．U型外包钢加固混凝土梁时(图2)，连接节点没有破坏，耗能段充分进入塑性耗能，最终耗能段与支撑连接节点发生破坏(图3)，导致结构失效．采用图2形式的外包钢由于下部钢板较长，两端部对混凝土梁挤压比较严重，为了减少底部钢板对混凝土梁的挤压，可采取减少下部钢板的长度，侧面钢板采用梯形截面的办法来解决(图4)．文献[8-9]比较了侧面为梯形的 U型外包钢分别与楼板连接和不连接两种构造方式对节点滞回性能的影响，试验结果表明，U型外包钢与楼板连接时，对混凝土梁破坏小，节点的抗震性能好．

图1 混凝土脱落Fig.1 Concrete breaking off

图2 外包钢节点Fig.2 Steel-encased concrete node

根据文献[4-9]试验结果，本文提出图5两种加固节点连接构造方式，外包钢采用对穿螺栓分别与梁和楼板连接，梁、楼板与外包钢之间会存在缝隙，为了使外包钢板与混凝土之间贴合紧密，在缝隙之间灌注环氧树脂．第1种构造方式底板与侧板采用高强螺栓，现场施工方便，第2种连接方式底板与侧板之间采用焊接连接，节省材料，节点刚度大．

图3 耗能段断裂Fig.3 Failure of link beam

图4 梯形外包钢节点Fig.4 Trapezoidal steel-encased concrete node

图5 加固节点构造Fig.5 Construction of the reinforce node

1.2 连接节点承载力计算

已建 RC框架结构框架梁具有相应的截面尺寸，根据现有框架梁的截面尺寸和混凝土标号，确定外包钢大小、螺栓的布置及混凝土的局压承载能力，加固的连接节点承载能力与现有梁截面尺寸相关，加固节点的承载能力成为设计内填Y形偏心钢支撑的制约因素．采用内填 Y形偏心钢支撑加固RC框架时，首先需要确定耗能段与混凝土梁连接节点的承载力，根据连接节点承载力的大小设计内填Y形偏心钢支撑的截面尺寸．

RC框架內填Y形钢支撑，耗能段主要承受剪力，为了简化计算，假定每个螺栓只承受水平方向的剪力，考虑到弯矩和各个螺栓分配的力不均匀的影响，对计算得到的剪力乘以0.85的折减系数．加固节点承受剪力的能力由螺栓和混凝土局压最小值确定，螺栓群的抗剪承载能力由(1)计算，螺栓对混凝土梁的局压承载力[10]由(4)计算，加固节点的承载能力由(5)计算．

式中：nb、 nf分别为与混凝土梁和楼板相连的螺栓个数；分别为与混凝土梁和楼板相连1个螺栓的抗剪承载力；为螺栓受剪面数目，分别取2和1；d螺栓直径；螺栓抗剪强度设计值．

式中：βc为混凝土强度影响系数，当混凝土强度不超过C50混凝土时，βc取1.0，当混凝土强度等级为C80时，βc取0.8，其间按线性内插法确定；βl混凝土局部受压时强度提高系数，取 1.0；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；Aln为混凝土梁上螺栓孔壁受压面积，为混凝土梁的宽度，bf为楼板厚度．

底板与侧板之间的螺栓或焊接连接按文献[11]给出的公式进行计算．

2 内填Y形钢支撑设计

2.1 耗能段截面选取

2.1.1 耗能段腹板尺寸的确定

耗能段承担的剪力根据耗能段与框架梁连接节点的承载能力进行确定．为保证地震作用下耗能段与梁的连接节点不发生破坏，设计耗能段截面时，对耗能段与框架梁连接节点的抗剪承载力V进行折减，参考《建筑抗震设计规范》，建议 8度设防烈度及以下时，折减系数取0.7，9度时取0.65．折减后的抗剪承载能力即为耗能段所承担塑性剪力设计值 Vp，假定耗能段的剪力由耗能段的腹板承担，按文献[12]规定的耗能段腹板高厚比限值，确定腹板的厚度和宽度．

2.1.2 耗能段长度的确定

耗能段分为剪切屈服型和弯曲屈服型，剪切屈服型耗能段耗能性能优于弯曲屈服型，在水平荷载的作用下，剪切屈服型耗能段形成剪切塑性铰．由于钢支撑组成的三角形桁架的侧向刚度远大于柱的侧向刚度，则RC框架内填Y形偏心钢支撑的塑性机构如图6所示．图中θ代表框架的层间侧移角，e为耗能段的长度．耗能段的转动能力用参数γ(耗能段的转角)表示，由图中几何关系可得：

上式中h为结构的层高．设耗能段的极限转动能力为γp，根据文献[2]的研究成果，γp可取为0.1rad．式(6)中参数 γ可由γp代替，θ由θp代替，θp为《建筑抗震设计规范》中多、高层钢结构弹塑性层间侧移角限值，式(6)采用式(7)表达，其中el为所需耗能段的最小长度．

图6 RC框架内填Y形支撑的塑性机构Fig.6 RC frames filled with Y-steel bracing plastic mechanism

2.1.3 耗能段翼缘尺寸的确定

剪切屈服型耗能段的长度根据公式(8)确定，式中 Mp为耗能段的塑性抗弯承载力，Vp为耗能段的塑性抗剪承载力．

当耗能段的长度以及腹板的尺寸确定以后，通过式(8)得到耗能段承担的塑性弯矩，根据塑性弯矩可以确定耗能段翼缘的尺寸．

2.1.4 耗能段与支撑连接节点的构造

文献[4-7]试验结果表明，耗能段采用端板与支撑连接时，耗能段与端板之间应力集中，容易发生撕裂破坏(图 7a)，结构耗能能力有限，文献[7]YBRCF-3试件采用“一体式”节点形式，避免了应力集中处焊缝容易脆性破坏的弊端(图7b)，转移了焊缝位置，较为合理可靠．试验中试件主要通过Y形偏心钢支撑的耗能段耗散能量，试件耗能能力好．

为了便于耗能段安装及震后耗能梁段的修复与更换，本文提出两种连接构造形式，耗能段及支撑连接部位仍然采用“一体式”连接形式，耗能梁段与支撑之间的翼缘采用对接焊缝，腹板采用拼接板和螺栓(图8a)；耗能梁段与支撑之间翼缘和腹板的连接全部采用拼接板和高强螺栓(图8b)．支撑在受力过程中应保证不发生强度破坏和失稳，连接节点的设计采用等强设计，即断开截面处翼缘和腹板相应的拼接材料和连接件所能传递的力不应低于翼缘和腹板所能传递的最大内力．

图7 耗能段与支撑连接Fig.7 Link and brace connection

图8 连接构造Fig.8 Connection construction

2.2 钢支撑截面选取

Y形钢支撑在受力的过程中始终保持弹性，在水平荷载作用下，钢支撑的受力简图如图 9所示，由耗能段承担的塑性剪力 Vp可以计算得到钢支撑的轴力，为了确保Y形钢支撑在耗能段进入塑性耗能后不发生屈曲，钢支撑的轴力设计值不应小于耗能段达到极限承载力时钢支撑的轴力．支撑在地震作用下不进入塑性，每一个钢支撑的设计轴力可按式(9)计算，按支撑构件设计截面[12]．

图9 支撑受力简图Fig.9 Force diagram of brace

式中：α为支撑与水平面的夹角，η为内力增大系数，根据文献[12]，在 8度设防烈度及以下时不应小于1.4，9度时不应小于1.5．

初选Y形钢支撑的截面后，对内填Y形钢支撑加固RC框架结构进行有限元计算，根据计算内力校核钢支撑及耗能段的截面及连接节点的承载能力．

3 支撑与框架连接节点设计

3.1 连接节点构造

为了避免植筋造成框架梁柱截面的削弱，钢支撑与框架梁柱的连接节点采用图 10两种形式，文献[7]采用图10a的连接方式，混凝土梁由钢板外包，由对拉螺栓连接钢柱的外包钢板，节点连接性能较好，混凝土框架节点域破坏较小．为了增加连接的刚度，本文同时提出图10b的连接方式，柱采用钢板整体包裹，并在钢板与梁柱之间的缝隙灌填环氧树脂嵌实．

图10 支撑与梁柱连接节点Fig.10 Brace-beam and column nodes

3.2 连接节点计算

连接节点主要承受钢支撑传来的力，把钢支撑传来的轴力分解为竖直方向和水平方向，分别由(10)式和(11)式计算．根据连接节点的受力特点，假定竖直方向的力全部由与梁相连的螺栓承担，水平方向的力全部由与框架柱相连的螺栓承担．一个螺栓承担的拉力由式(12)计算，由总的承载力即可计算所需要螺栓的数量．支撑与节点板之间的焊缝连接按文献[11]的方法计算．

4 Y形偏心钢支撑布置

采用设计软件计算原RC框架层间侧移比和抗侧刚度，根据刚度不足对其进行补强．将已确定的Y形钢支撑内填RC框架内，结构平面布置时，Y形钢支撑要规则、对称，使结构的刚度中心与质量中心一致，在同一楼层，各榀内填Y形钢支撑的变形相同，各榀Y形钢支撑承担的水平荷载一致，方便设计和施工．

图11 Y形钢支撑布置形式Fig.11 Brace-beam and column nodes

Y形钢支撑在1榀框架内的竖向布置应注意刚度均匀连续，避免刚度突变或内填Y形钢支撑不连续．竖向布置中可采用图11两种布置方式，图11b布置方式加固的节点较少，对原结构损伤少，施工便捷．应用本文提出的设计方法，设计了內填Y形钢支撑加固RC框架结构的计算模型[13]，并进行了有限元分析，分析结果表明，本文提出的设计方法简单实用．

5 结语

在已有试验的基础上，结合现有研究成果，提出了基于耗能段与框架梁连接节点承载能力的内填Y形偏心钢支撑加固现有RC框架的设计方法．

(1) 给出了耗能段与框架梁之间的合理连接构造及连接节点的简化计算公式．

(2) 分析了內填Y形钢支撑RC框架的塑性机构，确定了耗能段截面尺寸的选取方法，提出了耗能段与支撑之间的连接节点构造形式．

(3) 确定了钢支撑截面选取方法及钢支撑的内力放大系数．

(4) 提出了支撑与框架梁柱之间的连接构造及连接点的承载力计算方法．

(5) 给出了內填Y形钢支撑平面布置原则及竖向布置方式．本文提出的设计方法为Y形偏心钢支撑加固RC框架结构的设计提供了参考．

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