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.