复位性能参数在加固计算分析中的应用

陈 廉 汪训流

0 引言

复位性能以控制结构或构件的残余变形为目标,是研究受力(如地震、风载、爆炸等)后或受损(如材料老化、环境变迁等)后结构或构件可修复性的性能指标。实际震害表明,结构震后残余变形过大,会因无法修复到正常使用状态而被最终拆除。如1995年日本阪神大地震中,因残余位移角超限,约100个桥柱被拆除重建[1]。而房屋建筑中钢筋混凝土框架结构底层柱底塑性铰的出现难以避免[2],过大的塑性变形也会使结构无法修复而被拆除。

我国建筑结构受老龄化、使用功能改变、抗震设防提高及灾变作用等多因素影响,正大量步入待加固改造行列,成为结构专业意义上的“老建筑”。将复位性能的研究延伸到加固改造领域,是全面评估既有“老建筑”抗震性能、有效避免重复加固与维修,节约资金资源,实现绿色环保目标的一条可行途径。本文以因使用功能改变导致承载力不足的一混凝土框架为例,结合加固领域广泛应用的粘钢加固方法,对结构复位性能参数在加固计算分析中的初步应用进行一些简单探讨。

1 复位性能与参数

1.1 基本概念

荷载作用卸载后,结构或构件具有使自身从荷载作用时的最大变形状态向荷载作用前的初始状态回复的能力,将结构或构件的这种向初始状态回复的能力称为“复位能力”,并称这种性能为结构或构件的“复位性能”[4]。

结构或构件的复位能力与其变形能力既有联系又有区别。变形能力是指在维持一定承载能力的情况下结构或构件所能承受的最大变形,是目前基于位移抗震设计方法的研究重点。而复位能力则以结构或构件的残余变形为目标,同时考察相应的最大变形,所以复位能力的研究是对基于位移抗震设计方法研究的发展和补充。

1.2 主要参数

其中,Dr为结构或构件在荷载作用后的残余变形;Dm为结构或构件在荷载作用(同一荷载循环)时的最大变形。

复位能力系数γ反映了结构或构件复位能力的大小,γ越大则复位能力越大,一般0≤γ≤1。通常 γ＞0,除非结构倒塌破坏;而当 γ=1时 Dr=0,表明结构或构件具有完全复位能力,如弹性受力状态时的结构或构件。

结构或构件存在多种力—变形曲线,如弯矩—曲率曲线、弯矩—转角曲线、荷载—挠度曲线、层间剪力—层间侧移曲线、基底剪力—顶点侧移曲线等。对应不同类型的力—变形曲线,复位能力系数 γ可为构件的曲率型复位能力系数γφ、转角型复位能力系数γθ、挠度型复位能力系数 γf或结构的层间侧移型复位能力系数γδ、顶点侧移型复位能力系数 γΔ等,即:

为反映复位能力大小,定义复位能力系数γ[4]:

其中,相应符号是将式(1)中的变形D分别取构件的曲率φ、转角θ、挠度 f、结构的层间侧移δ和顶点侧移Δ。

2 加固计算与分析

2.1 加固算例

文献[6]算例为某8度区一栋3层钢筋混凝土框架办公楼因需要改作密集柜书库,二、三层楼面使用活荷载由2.0 k N/m2提高到12.0 kN/m2,经计算需对部分梁柱进行加固处理。采取五种加固用钢量对该框架进行粘钢加固,如表1所示,钢板均沿构件通长布置,并与构件同宽。其中,第一种加固用钢量按钢筋等强加固原则并结合相关规范要求得到,可称为“基本加固用钢量”。

表1 加固量列表 mm

基于程序NAM-PC/RC采用顶层位移加载对五种不同加固用钢量下框架的受力性能进行数值模拟,最大加载位移为框架总高度的1/75,可认为是对中震作用状态下结构受力特性的近似模拟。框架的梁柱尺寸、配筋、材料强度等级及加载方式见文献[6],计算结果见图1。

2.2 计算结果分析

图1为克服滞回曲线对结构复位性能表征的不足,引入复位能力系数来表达不同加固用钢量下结构的复位性能比较。考虑论文篇幅因素,图中只给出了最大荷载循环时基于式(2)顶点侧移Δ下的复位能力系数γΔ的比较。由图1可知,随着加固用钢量的增大,γΔ先增大后减小,当用钢量为“基本加固用钢量”2倍左右时 γΔ达最大值。

复位能力系数增大的主要原因可以解释为,处于弹性受力状态的钢材成分因用钢量的增大而增多,从而促进了荷载作用结束后结构的弹性恢复。而复位能力系数具有的极值型非单调且非线性递增特性表明,结构或构件的复位能力不仅受材料构成中的弹性成分影响,还与其他非线性或塑性成分(如混凝土的受拉开裂、受压软化等)相关,也说明了复位能力系数可以综合反映结构或构件内在的弹性恢复特性。具体到本文算例,因结构构件内部的截面应力重分布和塑性内力重分布,加固用钢量的增加并不能够带来结构复位能力系数的持续增长。因此,对于加固改造领域,应综合考虑结构的复位性能和滞回性能(如耗能能力),寻求最优加固量,以最大限度保障结构受力或受损后的使用功能。

3 结语

1)滞回曲线及与之相关的已有力学和变形参数尚不能有效反映结构或构件的复位能力,需要引入新的计量参数来进行复位性能的研究;

2)复位能力系数可以综合反映材料构成中弹性成分、非线性成分及塑性成分等不同因素对结构或构件复位能力的影响,是研究复位性能的基本参数;

3)复位能力系数并不随加固用钢量的增加呈单调递增趋势而却存在极值,表明即使就复位单项性能而言,结构或构件也存在一个最佳加固量;

4)加固改造领域计算分析中,应综合考虑结构或构件的复位性能和滞回及其他传统意义上的性能指标,寻求最优加固量,以实现资金资源的节约;

5)复位能力系数的影响因素分析及指标定级如中震指标、大震指标等,应是今后在该领域进行研究的方向。

[1] Zatar W,Mutsuyoshi H.Residual Displacements of Concrete Bridge Piers Subjected to Near Field Earthquakes[J].ACI Structural Journal,2002,99(6):740-749.

[2] Paulay T,Priestley M JN.Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings[J].John Wiley and Sons Inc,1992(3):98-106.

[3] Priestley M J N.Myths and fallacy in earthquake engineeringconflicts between design and reality[J].Concrete International,1997(11):54-63.

[4] 汪训流.配置高强钢绞线无粘结筋混凝土柱复位性能的研究[D].北京:清华大学博士学位论文,2007.

[5] 汪训流,陆新征,叶列平.往复荷载下钢筋混凝土柱受力性能的数值模拟[J].工程力学,2007,24(12):76-81.

[6] Liu HT,Wang XL,Hu KG.Numerical Analysison Seismic Performance of RC Frame under Different Strengthening Schemes[J].Proceedings of International Conference on Earthquake Engineering-the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake,2009(7):158-161.