浅析防屈曲支撑钢筋混凝土框架结构的局部受力和损伤特性
防屈曲支撑正在被越来越广泛地应用于我国既有建筑结构的抗震加固和新建建筑的地震防御。与日本、美国等抗震先进国家相比，我国在将防屈曲支撑应用于钢筋混凝土结构方面进行了更多的工程尝试。
然而，由于混凝土构件具有局部抗拉性能差的特点，在将钢制防屈曲支撑在混凝土构件相连时，其连接节点的受力状态较为复杂。国内近年来对此开展了一些有针对性的研究，提出并通过试验检验了在钢筋混凝土构件内埋置节点板的连接方式。另一方面，当将防屈曲支撑的节点板设置于梁、柱节点的一隅而同时与梁端和柱脚相连接时，框架梁、柱的变形将使节点板处于复杂的应力状态中；节点板也会对框架梁、柱的变形性能产生影响。为避免这两方面的不利影响，有学者提出将防屈曲支撑只与梁端相连，而不与框架柱发生任何接触，如日本学者提出的采用高强预应力钢棒将防屈曲支撑节点板紧固在梁端侧壁的做法如；美国学者针对钢结构提出的“非约束节点板”的做法。我国《建筑结构消能减震(振)设计》标准图集(09SG610-2)中也包含仅在梁端连接消能器的做法，但仅针对吨位相对较小的黏弹性消能器。在文献介绍的工程实例中，则将该方法用于采用防屈曲支撑对既有钢筋混凝土框架结构进行的抗震加固。本文针对仅在梁端连接防屈曲支撑的做法，提出两种不同的连接构造形式，并采用梁端局部损伤控制措施，保证连接部位的性能。
1 连接节点损伤控制方案
本文研究的两种梁端防屈曲支撑连接节点方案如图 1 所示。二者的共同点在于采用类似于文献[6]提出的“非约束节点板”的做法，防屈曲支撑节点板与混凝土柱之间人为的设置一定的间隙，以保证即使当结构发生较大的侧向变形时，节点板也不会与柱发生接触。二者的区别在于节点板与梁端的连接形式。其一采用贯穿梁高的高强预应力钢棒将节点板底板紧固于混凝土梁表面(图 1a)；其二则将节点板延伸预理在混凝土梁端内部，并预埋段设置栓钉以传递力(图 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
对于这种仅将防屈曲支撑与梁端相连的情况，节点板与柱之间的间隙处的梁段处于非常不利的受力状态。当防屈曲支撑受拉时，这一段的梁截面可能同时受到较大的拉力、剪力和弯矩作用，从而使这一部位容易发生不利的脆性破坏。即使不发生破坏，如果梁端损伤集中在这一部位(即在此处出现塑性铰)，会不可避免地对防屈曲支撑连接节点的受力性能产生不利的影响。为此，有必要通过合理的损伤控制手段，消除隐患，减轻不利影响，以提出连接节点的的受力性能。【图1】
本文采用最为简单直接的调整梁内配筋的方式进行局部损伤控制，即在混凝土钢原有配筋的基础上，一方面增加连接节点部位对应的梁端的纵筋，与此同时适当减少连接节点以外部分的梁纵筋，使带有防屈曲支撑的混凝土梁的受力承载力与纯框架梁相当，同时将梁端预期塑性铰区移至连接节点以外区域，具体如图 2 所示。【图2】
2 试验设计
为检验上述连接节点形式与损伤控制方案的有效性，设计如图 3 所示的包含半跨悬臂梁段和防屈曲支撑节点板的子结构试验。由于采用非约束节点板，混凝土柱对连接节点的受力性能影响可忽略不计，在试验中以刚度更大的地梁代替。此外，为简化试验加载装置，不采用实际的防屈曲支撑，而是采用一台倾斜安装的力控的作动器模拟防屈曲支撑传递给连接节点的集中轴力。同时采用两台并联的位移控制的作动器在梁跨中反弯点位置(在试验中即为悬臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁产生变形。
共设计 5 个试验体。其中 1 个为不含防曲支撑的纯框架对比试件。另外 4 个分别采用图 1 所示的两种不同的连接节点形式，对每种连接形式又有调整和不调整梁端配筋两种情况。梁净高 1800mm，截面为450x275mm，配筋如图 2 所示。防屈曲支撑倾角为 40 度，节点板与混凝土柱(在试验中即为地梁)表面的间隙为 10mm。假想的防屈曲支撑极限承载力为 500kN。对于采用如图 1(a)所示的预应力钢棒连接的试件，采用 6 根直径 21mm 的高强钢棒施加合计 1500kN 的预紧力。对于采用如图 1(b)所示的预埋板连接的试件，预埋板上均匀设置两面共 24 根直径 16mm 名义屈服强度 235MPa 的栓钉。各个试件的混凝土圆柱体强度平均值约为 70MPa。
试验采用拟静力循环加载。层间位移角幅值从 1/400 逐渐增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加载两圈，而在 1/100 和 1/50 下仅各加载 1 圈。在完成 1/50 的加载循环后，将试验体沿正方向单调推覆，直到作动器行程用尽。最终各个试验体对应的最大层间位移角均超过 1/20。【图3】
3 试验现象
限于篇幅，本文仅给出含有防屈曲支撑的试验体在加载至 1/20 层间位移角时的破损情况，如图 4 所示。
对于未调整梁端配筋(即未做损伤控制)的 2 号和 3 号试验体，在正向加载下均在梁根部，即梁与柱相接处发生集中损伤，形成塑性铰区。由于同时受到节点板传递的集中拉力和剪力的作用，这一区域损伤集中。
对于采用预应力钢棒连接的 2 号试验体，节点板下方区域由于受到较大的预压力，裂缝扩展受到抑制，损伤主要集中在预留缝隙对应的狭窄的梁端内。对于采用预埋板连接形式的 3 号试验体，这一区域发生了非常严重的混凝土压溃现象，并导致预埋节点板向柱侧靠近并在较大的层间位移角下与柱表现发生挤压。
相比之下，本文采用的调整配筋的损伤控制方式成功地将梁端塑性铰区移至连接节点外侧，即远离梁柱节点处，如图 4(c)(d)所示，而防屈曲支撑连接节点对应的梁端的损伤则相对而言非常轻微，基本保持弹性。这有利于最大限度地保证连接节点的刚度和连接性能，减小因连接节点发生变形而减小防屈曲支撑的有效变形。【图4】
4 结论
本文通过含有防屈曲支撑节点板的半跨悬臂钢筋混凝土梁的拟静力试验，检验了采用非约束节点板进行连接的防屈曲支撑钢筋混凝土框架结构的局部受力和损伤特性，同时检验了通过调整配筋以转移梁端损伤部位的局部损伤控制效果。试验结果表明，采用局部损伤控制的非约束节点连接形式能够达到预期的效果。
参考文献：
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钢筋混凝土裂缝的成因机理及控制策略
混凝土裂缝是钢筋混凝土施工中常见的问题，没有规律，纵横交错，分布不均。按裂缝深度的不同，主要有表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。钢筋混凝土裂缝产生的原因很复杂，采取应对的预防及处置措施也是不同的。在实际施工过程中，需要按照规定的步骤操作，控制好设计、施工工艺、养护等关键环节，合理地选择原材料，采取预防和正确的控制措施，才能更好地控制钢筋混凝土裂缝的产生，从而保证工程质量的提高。现根据多年来现场施工的实践经验和教训，本文对钢筋混凝土施工中裂缝的成因和处理措施做一下探讨。
1 钢筋混凝土裂缝的类型
各种钢筋混凝土的裂缝类型中，最常见的主要有以下 2 种情形：（1）塑性收缩裂缝：日凝结硬化前的混凝土依然在塑性状态时，水分从混凝土表面易蒸发，因失水较快使表面发生收缩，而内部水化热过高，浇筑数小时仍处于塑性状态，混凝土暴露的表面收缩形成裂缝。裂缝深度一般不大，大多为不规则短裂缝、网状或爆裂状裂缝，呈互不连贯状态。这种裂缝大多出现在混凝土浇筑初期。（2）干燥收缩：通常在混凝土养护完以后出现。混凝土硬化后，混凝土表面缺乏水分，由于气候影响蒸发引起干缩，混凝土内部硬化程度不够，产生较大的拉应力，干缩变形因受到内部约束，就会使得混凝土表面被拉裂。一般产生在硁表面很浅的位置，裂缝呈平行线状或网状，分布多沿构件的方向，严重时可贯穿整个构件截面。
2 裂缝的成因及机理
正确认识和积极的探讨钢筋混凝土裂缝的成因，从而采取相应的预防措施，是控制和减少钢筋混凝土裂缝产生最有效的途径之一。
2. 1 水泥温度变化的影响
钢筋混凝土施工过程中，水泥水化过程要释放出一定的热量，如混凝土结构较厚，因其自身又具有一定的保温性能，使得水化过程中产生的大量热量得不到及时散发，在混凝土内部热量不断累积。而混凝土表面水分易蒸发，温度冷却快，导致混凝土结构内部与表面的温度差增大。内热外冷导致混凝土表面冷缩，内部热胀产生的应力，相互约束。
受到外界约束的作用，根据混凝土自身的特性，高温时弹性变量小，产生的变形较小，混凝土内产生的应力也较小。当混凝土内由于水化热得不到散发而膨胀使表面变形，变形会遭到内部应力的约束，但内部应力超出极限值时，变形较大，结构内随之产生较大应力，应力超过混凝土抗拉强度时，产生温度裂缝。在后期的降温过程中，因受到基础混凝土或老混凝土的约束，也会在混凝土内部出现拉应力。外部气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗拉能力时，就会出现裂缝。
2. 2 钢筋混凝土材料及配合比的影响
混凝土材料配合比若设计不当将直接影响砼的抗拉强度，造成混凝土开裂。粗细骨料的粒径越细小、针片含量越多，混凝土的用灰量、用水量越多，收缩量就会越大；混凝土外加剂、矿物掺合料的选择或者掺加量不当，也会增加混凝土的收缩；水泥品种的原因，矿渣水泥、火山灰水泥干缩性较大，普通水泥、硅酸盐水泥、粉煤灰干缩性较小；水泥等级及混凝土强度等级的原因，水泥等级越高、细度越小、早期强度越高对混凝土开裂的影响越大；混凝土的设计强度等级越高，混凝土脆性越大、越易开裂。
2. 3 外部气温的影响
钢筋混凝土施工时外部气温的影响很大，外部气温出现乍冷乍热，内外层混凝土温差会急剧增大，温差大对钢筋混凝土施工是极为不利的，将直接影响混凝土的质量。因为温差引起温度应力的变化，温差大，随之温度应力也会变大。比如在高温条件下，混凝土表面的水分蒸发加快，混凝土内部热量难以消散，内部温度升高，加上不易散热，混凝土内部热量不断的累积，持续时间长，内部的体积膨胀，强度不能承受表面的急剧收缩，产生的体积内涨外缩，从而导致裂纹产生。因此，浇筑完成后，应及时养护，尽量消除或减小混凝土内外温差引起的温度应力，才能尽可能地避免钢筋混凝土出现裂缝。
3 控制钢筋混凝土裂缝对策
控制和预防钢筋混凝土裂缝是有一定难度的，要尽量避免或者控制在合理范围内，就一定要从设计、施工工艺、养护等各个阶段采取有效措施。了解混凝土内外温度变化的规律，尤其是对温度应力的控制，合理选用混凝土的各种原材料，严格控制水泥的用量。在施工过程中，应适量掺加合适的矿物掺合料和外加剂，优化混凝土配合比。认真研究混凝土裂缝形成的原因，区别对待各种不同类型的裂缝，分别采取合理的处理方法。施工中预防措施要做到位，按规范规定施工，实时进行温度监测，加强养护，以保证工程的质量。
3. 1 混凝土的配合比
为了防止钢筋混凝土裂缝的产生，应优化混凝土的配合比，具体的措施如下：要严格控制集料级配和含泥量，掺加适量的矿物掺合料，选择恰当的水灰比，并且在满足强度要求的原则下尽可能的减少混凝土中水泥用量；可加入早强剂、缓凝剂、速凝剂、引气剂、减水剂等外加剂，改善混凝土的性能；夏天高温天气拌合混凝土时可用冰水将碎石冷却以降低温度；浇筑厚大体积混凝土时，应选用水化热较低的水泥；配制高强度混凝土，应选用硅酸盐水泥。
3. 2 施工工艺
利用施工工艺措施控制温度应力，在混凝土浇筑时要控制好浇筑层厚度和浇筑的速度以便于散热。在浇注时，可采用分层分段施工的方法，降低单位浇筑体积，扩大散热面积，利用浇筑面来散热。可在混凝土拌合物拌合用水中加入部分碎冰，以降低混凝土的温度。控制好入模温度和坍落度。还可采用人工导热，预埋冷却水管用循环水降低混凝土温度。
浇筑混凝土前应对钢筋上的油渍、泥浆等污物和氧化铁皮进行清除，以免影响粘结力。钢筋的位置、规格和保护层厚度要符合设计的要求。模板及支架结构应简单，制造与装拆方便，并且应具有足够的承载力、刚度和稳定性。模板安装的位置要准确、牢固，在施工中应避免变形。混凝土运输、浇筑的全部时间应在混凝土的初凝时间内完成。混凝土振捣操作应合理，过分地振捣对砼的均匀性有害，但振捣不足又不能保证砼应有的密实度，要恰到好处，以使得混凝土表面现出浮浆、不再出现气泡并不再沉落为准。
3. 3 混凝土养护
混凝土的早期养护，其主要目的在于保持适宜的温度和湿度条件，以便达到更好效果：首先要使混凝土免受不利温度、湿度变形的影响，防止有害的收缩；其次要使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和性能。
混凝土的保温要达到的要求如下：控制混凝土内外温差幅度，以防止混凝土表面裂缝的产生。要防止混凝土温度超低，使混凝土在施工期的最低温度不低于混凝土使用期的`稳定温度。防止旧混凝土与新混凝土之间温差过大，以减少新旧混凝土间的约束。
另外，养护是为了使混凝土正常硬化，强度增长，不受或少受外界影响。常用的养护方法有保湿覆盖或喷洒养护剂等方式，在雨天或养护水充足的条件下，可采取洒水湿养护方式，对一般的混凝土结构，要减少表面收缩，防止龟裂是可行的。要在达到规定时间或强度后方可拆模，当气温骤降时应进行表面保温，以免混凝土内外产生过大温差；施工中长时间暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在冬季或寒冷天气时应采取保温措施，拆模后要立即覆盖或及时回填，消减外界气候的影响。
4 结束语
减少钢筋混凝土裂缝的产生，就需要严格的把好工程的质量关，充分考虑材料组成、施工工艺、养护与温控等各种因素的影响，采取措施控制温度应力问题，按照规定的施工工艺步骤操作，控制好施工过程的各个环节，是能够有效防止裂缝的产生，以提高钢筋混凝土工程质量。
在具体施工中应多观察、多比较，当出现问题后要多分析、多总结，并积极采取各种预防处理措施，是可以尽量减少或避免钢筋混凝土裂缝的产生。
参考文献：
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钢筋混凝土异形柱抗震性能试验研究
随着我国城市建设发展脚步的不断加快，钢筋混凝土异形柱在建筑工程中的应用也越来越广泛，如何从根本上确保工程的抗震性能满足需求也成为了工程建设单位所面临的一项重大课题。想要确保抗震性能满足需求，必要的抗震性能试验是必不可少的，工程建设单位应该结合工程的实际情况，合理开展试验工作，以此来为工程建设提供参考，提升工程整体质量。
1 试验概况
就目前异形柱的分类来看，大致可分为三种类型，即十形柱、L 形柱和 T 形柱。为了确保试验结果的针对性和全面性，本次试验共选 12 根异形柱作为试验对象，每种类型的异形柱各四根，相应的轴压比分别为 0.182、0.456 和0.730。每个模型柱均严格按照我国现行的抗震规范加密箍筋，各个试件的混凝土强度等级均为 C30，并采用细石混凝土浇筑，纵筋用直径分别为 10、8、5 的 I 级钢筋，箍筋用 8# 铁丝制作。
2 试验结果及分析
2.1 刚度、承载力和延性实测结果及分析 表 1 给出的是各个试件的初始弹性侧移刚度数值与计算数值的对比，从表中我们能够看出，在轴压比不断增加的情况下，侧移刚度也会在一定程度上增加。同时，通过对各个试件屈服荷载与极限荷载的试验我们可以得出，随着轴压比的不断增加，各个试件的屈服刚度也会有所提高，然而相应的延性系数却会随之变小。带暗柱异形柱与普通异形柱相比，在其他条件均相同的情况下，其承载力及延性明显提高。通过对表 1 给出的各项数值的计算我们能够得出，在接受试验的 12 根异形柱中，十形柱 ZXD-4 的承载力和延性系数与 ZXD-3 相比，分别提高了 25.8%和 41.1%。L 形柱 ZLD-4 的正向承载力、负向承载力、正向延性系数和负向延性系数与 ZLD-3 相比，分别提高了 19.2%、12.5%、11.5%和 10.3%。T 形柱 ZTD-4 的正常承载力、负向承载力、正向延性系数和负向延性系数与 ZTD-3 相比，分别提高了 16.3%、28.9%、35.1%和 16.5%。
2.2 滞回曲线及恢复力模型 从本次试验我们能够得出，相对于普通异形柱来说，带暗柱异形柱无论是承载力还是耗能能力，都相对较高，尤其是带暗柱十形柱与普通十形柱之间的差距，更是非常明显。鉴于此，为了更好的确保工程的抗震性能，对于规则的异形柱框架结构，如果采用层模型对其进行分析，应该确保 L 形柱和 T 形柱成对布置，以此来确保滞回曲线的对称性。然而，对恢复力模型的选择，则可以以 Clough 模型为主，Clough 模型是表达刚度退化效应的一种双线模型，如果对开裂点进行充分考虑，那么则可以选择刚度退化三线型模型。利用这种模型，异形柱的弹性刚度和屈服时的割线刚度都可以通过计算获得。本次实验结果可供参考，但需要指出的是，实际取用Clough 模型中的相关数值，应该根据工程所采取的异形柱的实际情况，按照耗能等效的原则或其他方法进行合理确定。
2.3 破坏形态分析 从本次试验我们能够得出，虽然试验对象为三种不同类型的异形柱，然而三者却有以下共同特征：首先，都属于弯曲型破坏，无论是十形柱、L 形柱，还是 T 形柱，其斜裂缝的范围相对于剪跨比较大的同类异形柱来说，要大一些，且裂缝相对较宽。从柱根部向上其裂缝逐步由水平裂缝变化为斜裂缝，这是弯矩与剪力比值变化的结果。其次，随着轴压比的不断增大，与之相应的塑性铰域也会随之增大。再次，相对于普通异形柱来说，带暗柱异形柱的塑性铰域要发展的更加充分，塑性铰域越大，说明其耗能能力越强。最后，翼缘对腹板裂缝的开展有较强的限制作用。其中带暗柱 L 形柱、T 形柱与其相同轴压比的普通 L 形柱和 T 形柱相比，其破坏形态要表现的更加明显。
3 结语
综上所述，异形柱的抗震能力直接关系着工程整体结构的抗震能力，因此，为了确保钢筋混凝土异形柱工程建设满足需求，在开展施工作业之前，必须做好相应的抗震性能试验与分析工作，以此来为工程的合理建设提供一定的参考依据，促进工程质量的进一步提升。
参考文献：
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钢筋混凝土结构的原理与设计措施
0 、引言
混凝土作为目前世界上最大的商品之一是因为混凝土具有较好的延性和较高的强度，因此在结构设计中被广泛使用。在结构设计时应根据结构的具体设计环境要求选择混凝土强度等级。由于在设计过程中设计人员的不同而导致设计风格和理念有差异，因此在设计过程中会存在不同的设计方案，结构的质量也会有所差异。
1、 钢筋混凝土结构的原理
广义上的钢筋混凝土结构是由在混凝土中配有一定数量的钢筋而形成的新型结构。在钢筋混凝土结构中钢筋主要承受拉力而混凝土主要承受压力，混凝土和钢筋共同工作使钢筋混凝土结构具有优良的抗压和抗拉性能、延性、耐久性等，使得钢筋混凝土结构达到使用要求。由于钢筋混凝土结构具有这些优良的性能，尤其在防火性能上远远高于钢结构，因此综合性价比较高，工程造价较低，在工程上被普遍使用。
1． 1 原理
素混凝土结构是由纯混凝土组合而成具有较好的抗压性能，但是抗拉性能和延性较差，因此为改善混凝土结构的抗拉性能和延性需要在混凝土结构中布置钢筋，极大改善混凝土结构的受力性能和使用性能，抵抗外部荷载，增加其耐久性能。
1． 2 特性
钢筋混凝土结构的主要特性表现在其热胀冷缩和延性等反应中。混凝土结构在水泥水化反应过程和季节交替时的热胀冷缩过程中使得混凝土具有拉应力，混凝土内的钢筋产生压应力，这时应对混凝土材料本身进行设计，改善混凝土结构的收缩性能。通常混凝土的延性和混凝土的强度有着直接关系，强度越高延性越差，因此在设计时应根据工程具体情况选择不同强度的混凝土。一般的混凝土在 － 40 ℃ ～ 60 ℃ 时具有较好的、稳定的物理性能，因此在低于或者高于规定环境时应对混凝土结构采取一定措施防止混凝土冻害或者膨胀破坏。
2、 设计要求
对于钢筋混凝土结构设计应根据建筑物所在地区和所拥有的建筑材料采用合理的设计，如抗震要求、高度限制、地理环境要求等对混凝土结构进行特殊设计等，但是在结构设计过程中可能会和建筑设计有冲突，因此在结构设计时应和建筑设计综合考虑，对混凝土结构进行优化设计，不失建筑风格的美观又不失结构的安全性能。相对于建筑设计讲，结构设计主要考虑结构的稳定性和安全度，尤其对于我国而言主要是提高结构的抗震性能。
根据结构的尺寸比例对混凝土结构进行恰当划分，对结构进行精确的横竖向荷载分析，综合考虑结构所承受的多向应力。
3、 设计措施
3． 1 结构选择
进行结构设计时，由于建筑所处地势不同、风俗不同，因此在进行设计时会存在不同的风格和设计理念，因此设计的前提是对当地的风土人情、风俗习惯和地理环境进行充分的调查，最后根据结构的设防等级和抗震等级进行设计。目前在高层设计中主要使用的是剪力墙结构，剪力墙结构具有抗震性能好、工程造价低、施工周期短、隔音效果好等优点而被广泛使用，尽管剪力墙结构房间开间小，房间面积小，但是并不影响剪力墙结构在结构设计中的应用。
3． 2 刚度处理
随着社会的发展和人民的需要，建筑朝着超高层建筑发展，由于建筑高度的增加对建筑物的整体刚度要求也随之增加，此时应对结构侧移进行一定控制。众所周知建筑物的竖向荷载对结构的抗震性能有着决定性因素，因此在进行结构设计时应根据结构的具体方案选择是否提高结构的刚度或提高其延性。在目前的住宅设计中绝大多数采用的是剪力墙结构，由于住宅的房间布置限制使得墙体布置较多，并且在设计时往往采用的剪力墙墙壁较厚，但是并不是所有地区都需要布置较多的剪力墙和较厚的墙壁，因此相对于有些地区的结构设计往往会造成许多浪费，因此在结构设计时可以在满足结构位移的要求下将主体结构设计的相对柔些，不仅满足抗震要求而且将工程造价降到最低。
3． 3 加固方法的应用
钢筋混凝土结构出现质量问题时通常采用两种加固方法进行加固: 1) 碳纤维加固; 2) 预应力加固。采用碳纤维加固的原理是碳纤维抗拉强度高、加入到混凝土中抗裂性能好等。通过碳纤维和环氧树脂配合使用可形成一种新型混凝土加固材料，有效提高原混凝土结构的强度和抗裂性能。限制碳纤维加固应用的条件是采用此种加固方法对外界环境影响较大，施工过后要对加固部分进行防火处理，以免带来火灾隐患。采用预应力加固的原理是通过在结构外部设置拉杆或撑杆对结构进行加固，从而提高结构承载力，分散结构内力达到应力重分布的状态。预应力加固法一般广泛应用于大跨度钢筋混凝土结构或大型承重型结构等。
4 、结语
工程建设中钢筋和混凝土成为目前世界上的大宗商品，钢筋和混凝土的质量好坏成为影响结构稳定性和耐久性等的关键因素，加上结构设计师对钢筋和混凝土两种材料合理组合搭配形成一种具有高度抗拉、抗压和抗裂等良好性能的建筑材料，从而确保结构稳定、安全，为我国建筑行业乃至全球建筑行业打下坚实基础和做出贡献。
参考文献:
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少支撑框架结构体系的定义和基本设计原则
建筑地震灾害的严重性是我国的基本国情之一。近年来发生的几次破坏性地震反映出建筑结构抗震能力不足的两个主要原因：
一方面，我国采用三水准两阶段的抗震设防目标，但近年来发生的破坏性地震中，强震区的实际地震烈度经常远高于当地的设计罕遇地震烈度水平。如我国四川省汶川县的抗震设防烈度为 6~7 度，而 2008年 512 汶川 8.0 级地震发生时震中烈度达到 11 度，灾区许多地方的实际烈度超过设计罕遇地震 1~3 度，这是导致许多重灾区建筑结构损坏甚至倒塌的重要原因。在汶川地震后，我国的相关规范进行修改，提高了部分建筑的抗震设防类别和部分地区的抗震设防烈度，这样，要求对灾区既有建筑进行抗震加固以满足新的抗震设防要求，其中对钢筋混凝土(RC)框架结构增设少量钢支撑是有效的抗震加固措施之一。
另一方面，上部 RC 框架结构的主要震害形式为：柱端出铰、柱剪切破坏、节点区破坏、薄弱层严重破坏、预制楼板与梁的连接不当引起的破坏、现浇楼梯的破坏等等，由于结构体系布置不合理、现浇楼/屋盖体系对框架梁抗震性能的影响、现浇楼梯斜跑的抗侧贡献和填充墙对结构抗侧刚度的影响等因素，许多既有 RC 框架结构很难实现建筑抗震设计规范中要求的“强柱弱梁”等理想破坏模式。另外，即使合理设计与施工的 RC 框架结构能够满足“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固”等抗震设计要求的破坏模式，但框架结构存在抗震防线单一、缺乏足够冗余度的问题。
国内外多次大地震的建筑震害表明，采用纯框架结构的房屋，其倒塌率远远高于设置剪力墙等的框架结构房屋。汶川地震后，作者在灾后现场应急评估中发现，在 RC 框架结构中设计少量钢支撑或排架柱间的柱间交叉支撑，就能有效控制结构的侧向变形，提高原结构的承载能力和抗地震倒塌能力(图 1)。【图略】
受到这些成功抵御地震作用建筑结构的启发，本文作者提出了在框架结构中设置少量钢支撑的少支撑框架结构体系的概念，目的是改变框架结构的抗侧力结构体系，增加框架结构的抗震防线，不仅提高原框架结构的抗侧刚度与承载力，保证原结构在设计罕遇地震下不倒塌，而且可以在超越设计罕遇地震的地震作用下不倒塌，从而提高框架结构的抗地震倒塌能力。本文在刘庆志的相关研究基础上，完成了这种新结构体系的受力机理分析与抗地震倒塌能力的评估，提出了少支撑框架结构体系的定义与基本设计原则建议，供相关研究人员与设计人员参考。
1 现行相关抗震规范的规定
对于框架-剪力墙结构体系，在水平力作用下，底层框架承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值不尽相同，结构的性能也有较大的差别。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010(后文称《高规》)第 8.1.3 条根据在规定水平力作用下，底层框架的倾覆力矩分担率对框架-剪力墙结构体系进行了细分，并对每一种结构体系的设计方法和侧向位移控制指标作出了较为具体的规定(见表 1)。朱炳寅建议的结构体系细分的类别和标准与《高规》的规定基本一致。【表1】
对于框架-支撑框架结构体系，我国《建筑抗震设计规范》GB50011—2010(后文称《抗规》)第 G.1.3条第 5 款对其有明确的定义：“底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于结构总地震倾覆力矩的 50%”。这类结构中钢支撑框架比较强，支撑属于强支撑。而当结构中钢支撑框架比较弱时，框架将承担较大的地震作用，设置少量钢支撑的 RC 框架结构与含有少量剪力墙的框架结构类似，但现行规范中对这种结构体系尚无明确定义。为了能够合理提出这类结构的定义，本文以一座典型 RC 框架结构为例，分析了设置不同数量钢支撑后结构抗侧刚度、动力特性、底层框架的基底剪力与倾覆力矩分担率变化等，结合对结构完成的静力PUSHOVER 分析得到的能力曲线结果等，借鉴现行规范对框架-剪力墙结构、含有少量剪力墙的框架结构的相关规定，提出了少支撑框架结构的定义，为这类结构体系的推广应用特别既有框架结构的抗震结构提供借鉴。
2 RC 框架结构与钢支撑 RC 框架结构对比
2.1 工程概况及构件设计
某 6 层 RC 框架结构，抗震设防烈度为 8 度(0.20g)，地震分组为第二组，场地类别Ⅱ类。结构纵向 5跨、横向 3 跨，首层层高 4.0m，其余各层层高 3.6m，如图 2 所示。框架结构的梁、柱、楼板均为现浇，混凝土强度等级均为 C30，钢筋均采用 HRB400 级热轧钢筋。纵向和横向边跨框架梁截面尺寸为 250mm×500mm，横向中跨框架梁截面尺寸为 250mm×300mm；1~4 层框架柱截面尺寸为 500mm×500mm，5~6层为 400mm×400mm；楼板厚度为 100mm。假设楼面地面做法与吊顶等的等效附加恒载标准值为3.0kN/m2，楼面活载标准值取 2.5kN/m2；屋面除结构重量外的等效附加恒载标准值为 3.0kN/m2，屋面不上人，活荷载标准值为 0.5kN/m2。假设建筑外围维护墙与沿轴线隔断墙的等效线荷载为 6kN/m，作用于相应的框架梁上，假设结构嵌固在地面，不考虑基础埋深与回填土的侧限。该建筑结构总高为 22.0m，根据《抗规》规定，抗震等级为二级。结构分析设计采用 SATEWE软件完成，对应的结构模型称为 Model0。【图2】
在上述 RC 框架结构中增加钢支撑，成为带钢支撑 RC 框架结构。支撑布置在外侧四榀框架的中跨，沿结构通高布置(如图 3 所示)。支撑选用防屈曲支撑(BRB)，芯材选用 Q235 钢材，工作段钢芯为一字型截面，非工作段为十字型截面。参考哈尔滨工业大学马宁和同济大学李国强的方法设计 BRB 支撑，使得BRB 钢芯在层间位移角 1/550 时保持弹性状态。设计了四种支撑截面(表 2)，研究支撑刚度与承载力变化对钢支撑 RC 框架结构性能的影响。对应的结构模型分别称为 Model1、Model2、Model3 与 Model4。【图3.表2】
在原框架结构中增加钢支撑后，采用 SATEWE 软件重新分析带钢支撑的 RC 框架，框架梁柱的截面尺寸和配筋采用分别按纯框架结构和带钢支撑 RC 框架结构满足抗震设计要求条件下的结果设计包络值。由于钢支撑的影响，与其相连的框架柱承受更大的轴力和弯矩，柱轴压比和配筋都增大。其中，增设 4 号支撑后，结构首层与支撑相连的部分框架柱不再满足《抗规》中关于轴压比 0.75 的限值要求，将带 4 号支撑框架结构 1~4 层与支撑相连的部分框架柱(图 2 中 1-B、1-C、6-B 及 6-C)截面尺寸放大至 550mm×550mm。
在通用分析平台 OpenSees中分别建立了上述结构的有限元分析模型。混凝土采用 OpenSees 中的concrete01 材料，采用了 Kent-Scott-Park的骨架曲线和 Karsan-Jirsa加卸载准则，且不考虑混凝土受拉；钢筋采用 OpenSees 中的 Steel02 材料，骨架曲线为双折线，并可反映钢筋的 Bauschinger 效应。表 3 列出了 Model0~Model4 模型沿 Y 方向(横向)的基本周期、设置钢支撑后原框架结构刚度及地震基底剪力的变化情况。可以看出，随着支撑截面面积的增加，支撑对整个结构的刚度贡献增加，地震作用也增大，地震作用的增幅小于刚度增幅，由此推测增加钢支撑将有效控制原结构的位移，但是，对钢支撑导致的刚度增幅需要控制在一定幅度内为好。【表3】
2.2 基底剪力及倾覆力矩分担率分析
1) 弹性阶段的底层框架地震倾覆力矩分担率和基底剪力分担率参考规范对少墙框架的定义，分析钢支撑 RC 框架结构弹性阶段在指定水平地震作用下的底层框架地震倾覆力矩分担率和基底剪力分担率。因为单榀支撑框架的作用类似于一片剪力墙，而在框架-剪力墙结构中，剪力墙以及与墙相连的框架柱看做同一片剪力墙(称带端柱剪力墙)(见图 4 左)，所以钢支撑 RC 框架的“支撑框架剪力分担率”和“支撑框架倾覆力矩分担率”计算时的支撑框架是指支撑本身及与所在跨中与其相连接的框架梁柱(图 4 右红色部分)，而“框架剪力分担率”和“框架倾覆力矩分担率”计算时的框架是指的其他框架梁柱(图 4 右黑色部分)。根据反应谱底部剪力法(考虑顶部集中力)得到结构各层的等效水平地震作用，对各结构模型进行小震下弹性分析。Model1~Model4 弹性阶段的底层框架倾覆力矩分担率和基底剪力分担率见表 4 所示。
可以看出，四个模型中框架分担的倾覆力矩与剪力均超过 50%，不属于框架-支撑框架的范畴，并且随着支撑抗侧刚度的提高而降低。对于 Model3，设置支撑后框架底层抗侧刚度增加接近 40%时，框架分担的倾覆力矩与剪力均接近 60%，由于刚度的增加导致结构的总基底剪力增加在 20%以内。对 Model4，虽然其框架分担的倾覆力矩与剪力均超过 50%，但是，从支撑用钢量、框架底层抗侧刚度增加均较多，导致结构的总基底剪力增加超过 20%。【表4.图4】
2) 基底剪力分担率随结构弹塑性发展的变化为了研究结构进入非线性状态后的内力重分布特征以及结构抗侧性能的变化，完成了上述结构模型的静力推覆分析，水平地震作用沿高度的分布同弹性分析。计算得到各模型的基底剪力-顶点位移能力曲线(图5)，以及各模型框架部分的基底剪力分担率随结构顶点位移的变化过程(图 6)。从图 5 看出，结构的基底剪力-顶点位移能力曲线均呈软化特征，设置支撑后结构的能力明显提高，支撑是结构中的第一道防线，而采用 BRB，支撑屈服后支撑仍有 1%初始刚度，承载力不会降低，从而保证了结构承载力的发挥。随着支撑截面面积的增加，结构的抗侧刚度、承载力与延性明显改善，但是，结构的能力提高与支撑截面的增加不成正比。
从图 6 看出，结构内部的内力分配分为三个阶段：在支撑屈服之前，钢支撑的刚度不变，而 RC 构件由于混凝土的开裂其刚度逐渐降低，框架部分的剪力分担率下降，支撑越强下降越多，计算模型的降幅在10％以内；支撑屈服后，支撑的残余刚度取 1%的初始刚度，支撑的抗侧刚度下降幅度比框架的抗侧刚度下降更快，所以框架部分的剪力分担率上升，甚至超过了弹性阶段的最大剪力分担率；RC 框架屈服后，结构达到峰值承载力，之后框架部分的刚度逐渐下降，而支撑仍有残余的 1%初始刚度，所以框架的剪力分担率逐渐下降，到顶点位移达 500mm，结构底层框架分担的基底剪力占总基底剪力的 50％以上。随着结构侧向变形的继续增加，支撑框架的剪力分担率逐渐上升，对结构的防倒塌具有重要的作用。【图5-6】
2.3 结构在罕遇地震及超罕遇地震下的性能点分析
对于 8 度(0.2g)抗震设防烈度的结构：《抗规》规定罕遇地震下的水平地震影响系数最大值为 0.9；《抗倒塌规程》建议建筑结构抗地震倒塌计算时，地震影响系数最大值在罕遇地震相关数值(0.9)上乘一个调整系数(1.33)。据美国《混凝土建筑抗震评估和修复》(ATC-40)中的能力谱法对各结构模型进行性能点分析，得到结构对应设计罕遇地震及超罕遇地震的性能点，见表 5。为方便比较，以 Model0 峰值荷载点的基底剪力与顶点位移为参考，计算了各模型对应峰值荷载时的基底剪力和顶部位移分别与 Model0 峰值荷载点的基底剪力和顶点位移的比值，并计算了各模型对应不同性能点时的基底剪力与顶部位移和其峰值荷载点的基底剪力与顶点位移的比值，结果见各列数据后括号中数字。【表5】
表 5 表明，少支撑框架结构相比纯框架结构，其极限承载力都获得提高，而对应峰值荷载时的顶点位移变化不同，Model1 与 Model2 对应其峰值承载力时的顶点位移略微小于纯框架结构对应的顶点位移，Model3 对应其峰值承载力时的顶点位移略大于纯框架结构对应的顶点位移，而 Model4 的承载力与对应顶点位移均较纯框架结构的结果明显提高(分别为 49%与 32%)。分析对应设计罕遇地震与超罕遇地震下结构的性能点结果可以看出，对应设计罕遇地震结构均有性能点，说明模型均满足大震不倒的性能设计要求；在超罕遇地震下 Model0 没有性能点，而其他模型均满足抗震设计要求，可见设置少量支撑后框架结构的抗倒塌能力提高，设置支撑对抗地震倒塌是有效的。
分析对应设计罕遇地震下各计算模型性能点的基底剪力与顶点位移相对其峰值荷载下的结构看出：相对Model0，Model1 中设置的钢支撑较少，对应设计罕遇地震下性能点的顶点位移大于 Model0 的结果，性能点的基底剪力相对其峰值荷载的比例从 88%增加到 92%，顶点位移相对其峰值荷载时顶点位移的比例从 54%增加到 60%，相对原结构，设置支撑后反而对结构不利，但是，抗倒塌能力略有提高；Model2 对应设计罕遇地震下性能点的顶点位移与基底剪力分别为其峰值点的 54%与 89%，与 Model0 的比例接近，超设计罕遇地震下模型的响应接近其峰值荷载，说明设置钢支撑后模型的抗震能力略有提高，抗倒塌能力提高有限；Model3 对应设计罕遇地震下性能点的顶点位移与基底剪力分别为其峰值点的 46%与 85%，比 Model0 的比例略低，超设计罕遇地震下模型的顶点位移与基底剪力分别为其峰值点的 68%与 96%，响应接近其峰值荷载，但顶点位移控制有效，说明设置钢支撑后模型的抗震能力与抗倒塌能力提高均改善；Model4 的位移响应明显小于其他模型，对应设计罕遇地震下性能点的顶点位移与基底剪力分别为其峰值点的 36%与 80%，超设计罕遇地震下模型的顶点位移与基底剪力分别为其峰值点的 51%与 91%，说明设置钢支撑后模型的抗震能力与抗倒塌能力提高。为了保证结构在罕遇地震与超罕遇地震下不倒塌，设置的钢支撑不能过少。
3 少钢支撑 RC 框架的定义
在 RC 框架结构中加入少量钢支撑有两个主要目标：(1) 改变纯框架结构的受力模式及破坏次序，使得支撑先屈服，提高结构的延性和抗地震倒塌能力；(2) 增设钢支撑后结构的抗侧刚度增加，导致结构的周期减小，基底水平地震剪力将增加，所以设置支撑后框架结构的抗侧刚度不能过度增加，以区别于框架-支撑框架结构(其中支撑框架作为主要抗侧力构件)。第一个目标主要通过合理设计支撑的倾角、工作段长度系数等参数，使支撑在目标屈服位移下屈服，在目标极限位移下不断裂；第二个目标则是通过合理设计支撑的数量与工作段截面，控制支撑的刚度与承载力贡献，从而控制框架底部的倾覆力矩分担率来达到。
在 RC 框架上增加支撑以后，结构刚度增加，地震作用也增大。对于防屈曲支撑，不存在支撑受压屈曲导致的受压承载力降低等问题，性能稳定，在水平地震作用下随着结构塑性发展，结构的抗侧刚度下降，但进入弹塑性阶段后结构的周期加长，地震作用的增幅小于弹性阶段；对于普通钢支撑，由于受压支撑屈曲后结构刚度下降相对较多，弹塑性阶段实际地震作用增幅远小于弹性阶段。据表 3 和表 4，原结构增加支撑后的刚度增幅小于 40%时，增加支撑带来的地震力增幅小于 20%，此时框架部分所分担的地震倾覆力矩略小于 60%。考虑到可能须要对支撑相邻柱进行加强，这样支撑框架的地震倾覆力矩分担率会上升，而框架的地震倾覆力矩分担率会下降，结合表 5 的结果，建议少钢支撑 RC 框架的底层框架地震倾覆力矩分担率大于 50%。考虑到支撑很弱时，支撑框架的抗倾覆作用小(不超过 30%)，虽然结构的抗震能力略有提高，但是，结构刚度提高导致地震作用效应提高更加明显，对抗震反而不利(如 Model1)，建议少钢支撑RC 框架的底层框架地震倾覆力矩分担率不超过 70%。将少钢支撑 RC 框架定义为：在规定的水平力作用下，底层的框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的 50%但不超过 70％，且支撑对原框架结构抗侧刚度的提高幅度不超过 40%。该定义与《抗规》对钢支撑 RC 框架的定义相容。
4 结论
本文主要得到以下结论：
(1) 基于破坏性地震中特别汶川地震中 RC 框架结构的震害与部分设置钢支撑的框架结构、工业厂房排架结构的震害特征，提出了少钢支撑框架结构的概念。
(2) 总结了现行规范中对框架-剪力墙结构、含有少量剪力墙的框架结构的相关规定，基于弹性分析和pushover 分析结果，借鉴少墙框架结构的定义方法，建议了少量钢支撑框架结构的控制指标，提出了少钢支撑 RC 框架结构的定义：在规定的水平力作用下，底层的框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的 50%但不超过 70％，且支撑对原框架结构抗侧刚度的提高不超过原抗侧刚度的 40%。
参考文献：
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[7] 中国建筑科学研究院. 多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件 SATWE[CP].
FRP加固钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能的研究
1 引言
重要建筑物如(如军事指挥所、政府办公大楼、大型商场)极易成为战争攻击和恐怖袭击的目标,因为这些建筑物一旦被摧毁,不但可以造成大量人员(特别是重要人物)的伤亡,而且会迅速引起广大民众恐慌,瓦解军心民心.如 2003 年美伊战争便是从美国空袭萨达姆当局领导层所在的总统府开始的;而"9-11"事件在造成巨大的人员伤亡和财产损失的同时,也使其民众人心惶惶.另一方面,通过对海湾战争中叙利亚有无填充墙的建筑受导弹攻击后倒塌规模的对比[2]和五角大楼遭到袭击后长时间保持稳定[3]可知,具有一定结构冗余度的建筑物能够有效地阻止倒塌蔓延,降低结构破坏范围.连续倒塌作为一种极端的倒塌形式,是指结构在局部构件受到偶然荷载(如战争攻击、恐怖袭击、汽车冲击等)发生倒塌后造成内力重分布,致使相邻构件接连失效,最终发生大面积、整体性的倒塌.
随着攻击制导武器的日趋精确和恐怖主义蔓延,我国很多重要建筑物的结构冗余度亟待加强,以提升其抗连续倒塌能力.FRP(Fiber Reinforced Ploymer)是一类应用普遍的新型高强材料,本文运用有限元分析的方法对采用不同 FRP 粘贴方案后钢筋混凝土梁柱框架结构抗连续倒塌性能进行对比,探寻最优方案.
2 研究综述
钢筋混凝土抗连续倒塌相关研究主要包括分析连续倒塌工程事故、通过结构倒塌过程试验总结力的转换机制、探寻连续倒塌机理和提出设计方法等方向.英国、欧盟、美国、加拿大等均有自己比较完善的抗连续倒塌规范.抗连续倒塌设计不同于一般结构设计的地方在于其对结构构件的延性提出了更高的要求,且容许结构有一定比例的破坏和一定范围的变形.比如 DoD2013[4]对于钢筋混凝土框架结构,为考虑动力效应,在拆除构件法中,当采用非线性静力分析和变形控制时,应采用以下的荷载组合:
其中 为荷载放大系数,D 和 L 分别为恒载和活载.
FRP 常用于结构构件的抗弯、抗剪和抗压加固,抗连续连续倒塌加固的目的是为了提升构件的耗能能力和延性,需综合考虑上述加固形式.CFRP(Cabon Fiber Reinforced Ploymer,碳纤维布)与 GFRP(Glass FiberReinforced Ploymer,玻璃纤维布)是两种常用且发展成熟的 FRP 加固材料,其比重仅有钢筋 1/4 到 1/3,拉伸强度却是钢筋的 10 倍左右[5].但其延伸率很小,如 T300 的 CFRP 仅有 1.71%的延伸率,且没有明显的屈服强度,易发生脆性断裂.相对而言 GFRP 较 CFRP 的弹性模量要小、延伸率要大,故变形能力较 CFRP要好.敬登虎[6]通过试验发现 GFRP 加固后构件的延性几乎是 CFRP 的 2.5 倍.目前文献中对 CFRP 和 GFRP加固钢筋混凝土结构抗连续倒塌对比的相关研究较少见.
LS-DYNA 可以模拟结构的大位移大变形等非线性情况.孟一[7]对 LS-DYNA 常用的混凝土材料模型进行了总结对比,发现新增的 CSCM 模型适合应用在结构倒塌分析领域,并校正了相关材料参数.Jin-WonNam[8]等人对比四种不同的 FRP 布有限元模型,发现正交异性线弹性模型更适合运用在其对混凝土结构加固的模拟上.
3 算例
3.1 试件设计
本文设计了一栋五层钢筋混凝土框架结构(如图 1 所示),并沿底层纵向取出两跨一层的梁柱框架子结构,假设其中间柱已经失效.梁柱纵筋均采用 HRB400,箍筋采用 HPB300,并按照规范规定[1]
进行加密,混凝土采用 C30,保护层厚度为 25mm.此算例旨在为后期现场试验提供理论支持.
为了探究 FRP 对提高其抗连续倒塌性能效果最佳加固形式,本文综合考量其经济性和加固效果,通过在梁底、梁顶及改变加固长度组合了各种加固方案进行尝试,选择典型方案列于表 1.
3.2 建模
本文在 ANSYS 建立了不同加固方案的 1/2 对称有限元模型(图 2)后,在 LS-DYNA 中进行相关计算.
其中混凝土、钢筋和 FRP 的采用的单元类型分别为 SOLID164、BEAM161 和 SHELL163,材料本构分别为盖帽模型(*MAT_CSCM)、随动塑性强化模型(*MAT_PLASTIC_KINEMATIC)、正交异性线弹性弹性模型(*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC).特别的,为了防止施加荷载时出现应力集中,在中间柱头上方设置一块加载垫块,使用 SOLID164 单元类型和刚体材料本构(*MAT_RIGID),结构与地面(刚体)连接[9].
为证实有限元模型的准确性,本文对湖南大学易伟健等人的平面框架连续倒塌试验(图 3a、图 3c)[10]
进行模拟,建立了如图 3b 所示的有限元模型,再现了结构的倒塌过程,通过中柱位移轴力曲线(图 3d)和竖向水平位移曲线(图 3e)均可以看出模拟结果有明显的弹性、拱效应和悬链线效应发展阶段,且与试验结果接近.
3.3 加载
因相关试验大多采用拟静力的方式进行加载,本文为了有效验证有限元模型,亦采用静力方式进行加载.为了有效控制加载速度,采用位移控制的方式进行加载.为节约机时,本文采用 1m/s 的速度匀速加至 500mm,其中为保证加载开始结束阶段速度不会过大,采用余弦函数进行加载,并关闭混凝土应变率开关.通过观察对比能量平衡结果,发现其动能均极小,可以忽略.
3.4 结果比较
3.4.1 破坏特征比较
FRP 加固后的框架子结构有限元模型分别有如图 4 所示的三种破坏形态.破坏过程依次为为:A、C点混凝土开裂;C 点(CLZ1、GLZ1)或 A 处(CLZ2、GLZ2)FRP 发生剥离和断裂破坏;B、D 点混凝土开裂;A、C 点钢筋达到受拉极限被拉断.GLZ3 和 CLZ3 的 FRP 按照先 C 点再 A 点的顺序失效.值得注意是,B 和 D 处 FRP 在悬链线阶段依然发挥了拉杆效应.环形箍和 U 形箍可以阻止 FRP 的迅速剥离.
3.4.2 数据对比分析
通过观察图(5a)所示位移荷载曲线可以发现,各试件随着位移增加均呈现出明显的弹性变形、拱效应、拉压转化和悬链线效应阶段.中柱位移在 20mm 以内为弹性阶段,各曲线差别极小,说明此时 FRP 发挥的作用均有限;而到了拱效应阶段,A、C 处 FRP 由于发生脆性断裂,没有起到明显拉杆效果,CLZ3 和 GLZ3在拱效应阶段承载力有了一定的提升,可能是由于上下部均粘贴的方式可以在一定程度上延缓 FRP 断裂,有助于发挥结构拱效应;中柱位移在 200mm 左右,结构进入悬链线阶段后,所有加固方案的承载力均有一定程度的提升,以 CL3、GLZ2 和 GLZ3 效果最为明显,达到了 115KN 荷载设计要求,结合破坏特征推测,FRP 在此阶段分担了一部分拉轴力,中柱位移到了 300mm 左右后,C 点、A 点钢筋相继发生断裂,结构也逐渐丧失了承载能力.可将 C 点钢筋断裂作为结构悬链线阶段的结束,结构达到了倒塌极限承载力,则各加固方案的极限承载力分别提升了约 10%(CLZ1、CLZ2、GLZ1)、15%(GLZ2)、23%(CLZ3)、33%(GLZ3).
通过比较各方案钢筋断裂时位移点位置可以发现,GLZ3、CLZ3 的中柱位移更大,说明其结构延性更好,能够经受住更大的挠度变形.
各方案输出的结构总能量与中柱位移(图 5b)可知,在弹性阶段,各试件耗能并没有明显区别;到了200mm 左右(结构进入了悬链线效应阶段),所有加固方案的耗能均有明显提升,至钢筋断裂,CLZ2 增加较小, CLZ1 与 GLZ1 较 LZ1 大约增加了 6%左右,其他三种加固方案大约增加了 20%左右,说明 FRP 在构件发生大变形时分担了部分的耗能任务.
4 结论
本文运用显式有限元软件 LS-DYNA 对不同 FRP 加固方案下的钢筋混凝土框架结构进行了模拟分析,直观地重现和模拟钢筋混凝土结构发生大变形时的倒塌破坏过程.通过对比较不同破坏阶段 FRP 发挥的作用,可以得到如下几点结论:
1、合理粘贴 FRP 可以明显提高构件的延性,尤其在大位移情况下,通过在梁上下部均粘贴 FRP 的方式(CLZ3、GLZ3)可以充分发挥框架梁的悬链线效应,提高结构延性和耗能能力,且延展性较好的 GFRP(GLZ2)粘于框架梁上部作用较粘于下部(GLZ1)增强效果更明显;
2、方案 CLZ3、GLZ2、GLZ3 均符合 DoD2013 抗连续倒塌规范设计荷载,说明通过选择合理的粘贴材料和组合形式可以在一定程度上提高钢筋混凝土结构的抗连续倒塌性能;
3、分析破坏形态可以发现在截断处采用 U 形箍或环形箍锚固可以有效阻止 FRP 剥离的蔓延,更好发挥其抗拉性能.
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防屈曲支撑钢筋混凝土框架结构的局部受力和损伤特性
防屈曲支撑正在被越来越广泛地应用于我国既有建筑结构的抗震加固和新建建筑的地震防御。与日本、美国等抗震先进国家相比，我国在将防屈曲支撑应用于钢筋混凝土结构方面进行了更多的工程尝试。
然而，由于混凝土构件具有局部抗拉性能差的特点，在将钢制防屈曲支撑在混凝土构件相连时，其连接节点的受力状态较为复杂。国内近年来对此开展了一些有针对性的研究，提出并通过试验检验了在钢筋混凝土构件内埋置节点板的连接方式。另一方面，当将防屈曲支撑的节点板设置于梁、柱节点的一隅而同时与梁端和柱脚相连接时，框架梁、柱的变形将使节点板处于复杂的应力状态中；节点板也会对框架梁、柱的变形性能产生影响。为避免这两方面的不利影响，有学者提出将防屈曲支撑只与梁端相连，而不与框架柱发生任何接触，如日本学者提出的采用高强预应力钢棒将防屈曲支撑节点板紧固在梁端侧壁的做法如；美国学者针对钢结构提出的“非约束节点板”的做法。我国《建筑结构消能减震(振)设计》标准图集(09SG610-2)中也包含仅在梁端连接消能器的做法，但仅针对吨位相对较小的黏弹性消能器。在文献介绍的工程实例中，则将该方法用于采用防屈曲支撑对既有钢筋混凝土框架结构进行的抗震加固。本文针对仅在梁端连接防屈曲支撑的做法，提出两种不同的连接构造形式，并采用梁端局部损伤控制措施，保证连接部位的性能。
1 连接节点损伤控制方案
本文研究的两种梁端防屈曲支撑连接节点方案如图 1 所示。二者的共同点在于采用类似于文献[6]提出的“非约束节点板”的做法，防屈曲支撑节点板与混凝土柱之间人为的设置一定的间隙，以保证即使当结构发生较大的侧向变形时，节点板也不会与柱发生接触。二者的区别在于节点板与梁端的连接形式。其一采用贯穿梁高的高强预应力钢棒将节点板底板紧固于混凝土梁表面(图 1a)；其二则将节点板延伸预理在混凝土梁端内部，并预埋段设置栓钉以传递力(图 1b)。前者既有用于新建建筑，也可用于既有建筑的抗震加固。
对于这种仅将防屈曲支撑与梁端相连的情况，节点板与柱之间的间隙处的梁段处于非常不利的受力状态。当防屈曲支撑受拉时，这一段的梁截面可能同时受到较大的拉力、剪力和弯矩作用，从而使这一部位容易发生不利的脆性破坏。即使不发生破坏，如果梁端损伤集中在这一部位(即在此处出现塑性铰)，会不可避免地对防屈曲支撑连接节点的受力性能产生不利的影响。为此，有必要通过合理的损伤控制手段，消除隐患，减轻不利影响，以提出连接节点的的受力性能。【图1】
本文采用最为简单直接的调整梁内配筋的方式进行局部损伤控制，即在混凝土钢原有配筋的基础上，一方面增加连接节点部位对应的梁端的纵筋，与此同时适当减少连接节点以外部分的梁纵筋，使带有防屈曲支撑的混凝土梁的受力承载力与纯框架梁相当，同时将梁端预期塑性铰区移至连接节点以外区域，具体如图 2 所示。【图2】
2 试验设计
为检验上述连接节点形式与损伤控制方案的有效性，设计如图 3 所示的包含半跨悬臂梁段和防屈曲支撑节点板的子结构试验。由于采用非约束节点板，混凝土柱对连接节点的受力性能影响可忽略不计，在试验中以刚度更大的地梁代替。此外，为简化试验加载装置，不采用实际的防屈曲支撑，而是采用一台倾斜安装的力控的作动器模拟防屈曲支撑传递给连接节点的集中轴力。同时采用两台并联的位移控制的作动器在梁跨中反弯点位置(在试验中即为悬臂梁的自由端)施加剪力，使混凝土梁产生变形。
共设计 5 个试验体。其中 1 个为不含防曲支撑的纯框架对比试件。另外 4 个分别采用图 1 所示的两种不同的连接节点形式，对每种连接形式又有调整和不调整梁端配筋两种情况。梁净高 1800mm，截面为450x275mm，配筋如图 2 所示。防屈曲支撑倾角为 40 度，节点板与混凝土柱(在试验中即为地梁)表面的间隙为 10mm。假想的防屈曲支撑极限承载力为 500kN。对于采用如图 1(a)所示的预应力钢棒连接的试件，采用 6 根直径 21mm 的高强钢棒施加合计 1500kN 的预紧力。对于采用如图 1(b)所示的预埋板连接的试件，预埋板上均匀设置两面共 24 根直径 16mm 名义屈服强度 235MPa 的栓钉。各个试件的混凝土圆柱体强度平均值约为 70MPa。
试验采用拟静力循环加载。层间位移角幅值从 1/400 逐渐增大至 1/200，1/100 和 1/50。其中，在 1/400和 1/200 下各加载两圈，而在 1/100 和 1/50 下仅各加载 1 圈。在完成 1/50 的加载循环后，将试验体沿正方向单调推覆，直到作动器行程用尽。最终各个试验体对应的最大层间位移角均超过 1/20。【图3】
3 试验现象
限于篇幅，本文仅给出含有防屈曲支撑的试验体在加载至 1/20 层间位移角时的破损情况，如图 4 所示。
对于未调整梁端配筋(即未做损伤控制)的 2 号和 3 号试验体，在正向加载下均在梁根部，即梁与柱相接处发生集中损伤，形成塑性铰区。由于同时受到节点板传递的集中拉力和剪力的作用，这一区域损伤集中。
对于采用预应力钢棒连接的 2 号试验体，节点板下方区域由于受到较大的预压力，裂缝扩展受到抑制，损伤主要集中在预留缝隙对应的狭窄的梁端内。对于采用预埋板连接形式的 3 号试验体，这一区域发生了非常严重的混凝土压溃现象，并导致预埋节点板向柱侧靠近并在较大的层间位移角下与柱表现发生挤压。
相比之下，本文采用的调整配筋的损伤控制方式成功地将梁端塑性铰区移至连接节点外侧，即远离梁柱节点处，如图 4(c)(d)所示，而防屈曲支撑连接节点对应的梁端的损伤则相对而言非常轻微，基本保持弹性。这有利于最大限度地保证连接节点的刚度和连接性能，减小因连接节点发生变形而减小防屈曲支撑的有效变形。【图4】
4 结论
本文通过含有防屈曲支撑节点板的半跨悬臂钢筋混凝土梁的拟静力试验，检验了采用非约束节点板进行连接的防屈曲支撑钢筋混凝土框架结构的局部受力和损伤特性，同时检验了通过调整配筋以转移梁端损伤部位的局部损伤控制效果。试验结果表明，采用局部损伤控制的非约束节点连接形式能够达到预期的效果。
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, 32(7): 101-111.
[2] 李国强, 郭小康, 孙飞飞, 等. 屈曲约束支撑混凝土锚固节点力学性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2012, 33(3): 89-95.
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