FRP加固混凝土框架结构抗震性能研究

2024-02-15季长征韩立顺李树瞻范秀岳

建筑机械化 2024年1期

季长征，韩立顺，李树瞻，田森，韩鹏，范秀岳

(1.山东省建筑工程质量检验检测中心有限公司，山东济南 250031；2.山东科力工程检测鉴定有限公司，山东济南 250000；3.烟台正海物业管理有限公司，山东烟台 264000；4.山东贝特建筑项目管理咨询有限公司，山东济南 250102)

钢筋混凝土框架结构在地震中破坏的主要原因是结构整体的水平抗剪能力不足和延性有限。近年来的许多研究证明了表面粘贴FRP 片材加固混凝土结构的有效性，该加固方法被大量应用在工程实践中[1]。目前的大多数研究是针对单个构件进行FRP 加固效果的评价和分析[2-3]。而一个钢筋混凝土结构整体的良好抗震加固效果需要通过构件的组合以及所有构件之间承载力、刚度和延性的合理匹配，形成合理的破坏形式来实现，这就要求对加固后混凝土结构整体的工作性能进行深入研究。

本文主要针对采用不同加固方式的FRP 加固梁柱端部及节点区域进行静力弹塑性分析（简称POA），基于能力谱法进行数值模拟，研究分析了FRP 加固混凝土框架结构在给定设防要求的罕遇地震作用下的抗震性能。

1 能力谱方法

能力谱方法是一种基于位移性能的分析方法。基本原理是采用沿结构高度呈一定分布模式的单调增加的水平荷载，计算得到结构的基底剪力与顶点位移的推覆关系的曲线，并由等效单自由度体系确定地震作用下的目标位移，进而得到结构在地震作用下的弹塑性变形需求。其基本思想是建立2 条相同基准的谱线：一条由荷载-位移曲线转化的能力谱线，另一条是由加速度反应谱转化的需求谱线，将两条谱线放在一起，其交点定为结构抗震性能点，将性能点对应的位移和位移容许值进行比较，判断其是否满足抗震要求。

2 抗震性能试验

2.1 节点加固方式

试验制作了4 个T 形边节点试件，一个做对比，其余3 个进行FRP 加固。对比构件的编号为J-1，采用玻璃纤维加固的构件编号为GRJ-1，采用0°的碳纤维与玻璃纤维混杂加固的构件编号为HRJ-1，采用±45°的混杂纤维加固的构件编号为HRJ-2（节点区域包裹纤维1 的纤维丝方向与梁水平轴线的夹角为45°）。加固纤维缠绕方式见图1。

图1 T形节点加固示意图

2.2 滞回曲线

试验时柱上施加固定轴力，梁端施加拉压反复荷载，采用力-位移混合控制加载模式。梁端荷载位移滞回环的骨架曲线如图2 所示。加固构件的承载力、延性、耗能能力均有明显的提高和改善[4]。

图2 滞回曲线

3 数值模拟

3.1 框架结构模型

采用图3 所示的两层两跨框架试验模型为分析对象，框架中梁截面为150mm×250mm，上下部各配2 根12mm 的纵筋（HRB335），柱截面为150mm×180mm，沿框架方向柱两侧各配3 根12mm的纵筋（HRB335），采用C20 混凝土浇注。对框架的每个节点进行FRP 加固，加固纤维的粘贴方法同上述图1 所示的方式，对于中间节点纤维条1 在节点两侧水平粘贴。未加固框架编号为KJ-1，其余3 个FRP 加固框架依次为GRKJ-1、HRKJ-1、HRKJ-2。

图3 框架简图

3.2 参数设定

采用SAP2000 软件进行POA 分析。采用框架杆单元建模，混凝土及钢筋的本构关系按照规范GB50010-2010（2015 年版）混凝土结构设计规范采用[5]，根据节点试验实测结果定义梁柱端的弯矩-曲率关系。梁端设置M3 型塑性铰，即不考虑轴向力对截面抗弯承载力的影响；柱端设置PMM 型塑性铰。采用框架顶点逐级加载模式，分析中所用的设计基本加速度值为0.15g。

4 能力谱分析与抗震性能评估

4.1 塑性铰的发展

3 个FRP 加固框架的塑性铰发展过程基本相似，KJ-1 与GRKJ-1 的塑性铰的发展与分布如图4 所示。ATC-40 将结构遭遇地震后可能出现的状态分为IO（Immediate Occupancy)，LS（Life Safety)，SS（CP)（Structure Stability)等状态，分别表示“可尽快修复”，“危害人生命”及“结构稳定”，B 表示出现塑性铰，C 为倒塌点。

图4 框架塑性铰的发展与分布

从图4 中可看出塑性铰的发展顺序为由梁到柱，由底层至顶层，由中节点到边节点，框架结构均能按照耗能较好的强柱弱梁型的梁铰屈服机制破坏。KJ-1 底层中节点塑性铰已达倒塌点C，中柱柱脚塑性铰也已发展到LS 危害生命安全状态，已不能满足抗震要求，必须对塑性铰区采取加固措施。而GRKJ-1 塑性铰的发展均在IO 可尽快修复范围以内，不影响结构的整体性能，抗震加固效果良好。

4.2 Push-over曲线

计算所得各榀框架Push-over 曲线如图5 所示，计算中以框架顶层为加载控制点，极限位移取在Push-over 曲线有明显下降段处。对比分析可得，FRP 加固框架控制点的极限位移有较大提高，框架的延性得到较好改善，极限承载力也得到了不同程度的提高。

图5 框架的Push-over曲线对比

GRKJ-1 极限变形能力较未加固框架KJ-1提高约45%，HRKJ-1，HRKJ-2 极限变形能力分别提高40%和32%。根据FRP加固方式的不同，加固框架极限承载力有不同幅度的提高。并且各榀加固框架在延性和承载力提高方面的关系基本与节点试验结果一致。

4.3 性能点与目标位移

将能力谱分析所得的目标位移值与框架结构在弹塑性变形下的容许值进行比较，可以判断各类框架是否符合相应设防烈度地震的最大变形要求。模拟框架的目标位移及其对比分析见表1。

表1 分析框架的目标位移

经过FRP 加固框架的层间位移角均远小于允许值1/50，均满足规范GB50011-2010（2016 年版）《建筑抗震设计规范》的要求[6]，满足罕遇地震下的最大变形要求，且目标位移值均小于其极限位移，其能力需求比参数d/D的值均远小于1，GRKJ-1 最小仅为45.8%，说明加固框架在此地震设防烈度下仍具有较大的延性储备，抗震性能良好。