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    型钢纤维混凝土框架加固既有结构的试验研究.pdf

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    型钢纤维混凝土框架加固既有结构的试验研究.pdf

    第29卷 2014正 第2期 4月 山东建筑大学学报 JOURNAL OF SHAND0NG JIANZHU UNIVERSrIY Vol_29 NO.2 Apr. 2014 文章编号16737644201402012308 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250101;2.大阪大学建筑工程学院,大阪日本565871;3.矢作 建设有限公司地震工程技术研究所,名古屋日本4801342 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TU375 文献标识码A Experimental study on seismic retrofitting by using fiber concrete encased steel structural frame Hu Chunyang ,Shi Junji ,Taguchi Takashi。,et a1. 1.School of Civil Engineering,Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China;2.Div.of Global Architecture, Graduate School of Engineering,Osaka University,Osaka 5650871,Japan;3.Earthquake Engineering Technology Institute,Yahagi Construction Co.Ltd.,Nanngoya 4801342,Japan AbstractA new retrofitting that fiber concrete encased steel frames are indirectly installed through extended connection slabs and beams to existing RC framers is proposed and the advantage of this is that the ability of the old building will be significantly increased and the influence to the old building will also be very smal1.On the base of the quasistatic experiment research of one existed old RC frame specimen and three retrofitted frames,the characteristic of the hysterisis curves, displacement relation between the existed and the new retrofitting frames and the strain distribution is studied.The results show that the seismic ability is increased and working perance of the retrofitted specimens is stable,the extension length of the slab and the number the columns or the size of the beam section are important influencing factors to the working perance of the new retrofitting frames,steel bars strength will reach its yield strength which means the new retrofitted frame can work wel1 with the old frame structure. 收稿日期20140218 基金项目国家自然科学基金项目51078011;国家自然科学基金项目51378302;国家公派留学奖学金项目2009654004;山东建筑大 学博士科研基金项目XNBS1202 作者简介刘春阳1980一,男,讲师,博士,主要从事混凝土结构抗震加固等方面的研究.Emailliucy2011sdjzu.edu.cn 山东建筑大学学报 2014年 Key wordsfiber concrete encased steel frame;outer frame;seismic retrofitting;quasistatic experiment;working perance 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 GB5001 l_2010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10%一15%_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 OF11和3个加固框架简称OF21、OF22和 OF23。试件OF21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OF22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OF23 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rad逐步增大的方式进行加载。其中,R 1/1000及1/500循环一周加载,R1/250、1/150、 1/100、1/67、1/33及1/25控制位移角下各循环2周 加载,最后R1/20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377 kN。 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OF11在位 移角达到R1/50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OF2 1在位移角达到R1/33时达到试验纪录的峰值荷 载。R1/25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OF22及OF23在 位移角达到R1/33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 125 既有框架 净高/mm 跨度/mm 柱截面/mm 柱主筋 既有一补强间距 距离/mm 补强框架 净高/mm 跨度/mm 柱截面/mm 柱型钢/mm 梁截面/mm 梁型钢/mm 增设板 板厚/mm 板筋 间距/m/n 配筋率/% 直交梁 梁截面/mm 主筋 985 3O0o bD700 x350 8一D16 l500 lO0o 3Oo0 bD200350 H一2501O069 bD200400 H一3OO1OOl619 150 23一D1O 240交错 0.40 bD20015O 6一D16 loo0 15o0 200 33一D10 160交错 O.45 bD20020o 6D200500 H一4001O01619 150 23一DlO 240交错 0.40 bD200150 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 c2 c】 ∽ 图1试件外形图 aOF21试件;bOF2-2试件;COF2-3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;a4平面图; b1侧面图;b-2既有框架立面图;b-3补强框架立面图;b4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;c4平面图。 c4 山东建筑大学学报 2014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OF2-2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 26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 . - / 500 , ; 一300.200.1OO I I 1OO 200 300 4I 应力/MPa 一OF2l OF22 oF2.3 a l 7 U 5 U 。 U . - // 500. .300.2001OO I } l00 200 300 4 斗1/ D, 一OF2.1 一OF2-2 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 , , , , .._‘ 50 ... . . . ‘ _30o.2oo .10o O 10o 2oo 3o0 4 -25O. 应力 a -F2_1 0F2_2 -0f2-3 c lUUU一 l ,,,,,, 750 怔,,/ 50o 兰 ,, , . ,。‘j王 . / 王 .30o_20o .10o 0 10o 20o 30o 一f1 -0F2.1 一OF2-2 ”0F2.3 d 图6不同位移角时既有框架柱钢筋应力结果 a0.010 md;b0.015 rad;c0.020 md;d0.030 rad / {垣 , 500 ’ . . .. o. 8面 0 l0o 200 300 4 ‘‘ 、 .0F2-1 一oF2.2 ,OF2-3 a】 、 、 、 | . _ /./,/ / 、、、 . 50o- , . / 。 } Do O l0o 20o 300 3结论 应力/MPa .. 、 l_ 75O 鑫/, 50o- 、 / / 0 . t 0o.ioo 0 loo 200 300 i ~ -0F2.1 0F2-2 ”0F2-3 Co 、、 、 lUUU‘ 、 、 。 . . 、 、 ‘ 、 、 _50. . 50o 2 5 0 - , /, / o. 、-oo.ioo 0 lo0 200 30c 一 . 1 n OF2-1- OF2-2-__OF2-3 一一OF2 -1.OF2-20F2-3 c1 d 图7 不同位移角时补强框架柱型钢翼缘应力结果 a0.010 rad;b0.015 rad;c0.020 rad;d0.030 rad 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/MPa 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 130 山东建筑大学学报 2014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,2011,327100110. 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