侧向钢板加固钢筋混凝土连梁的抗剪强度.pdf
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1、第2 5 卷第4 期 2 0 0 8 年 1 2月 华中科技大学学报( 城市科学版) J o f HUS T ( Ur b a n S c i e n c e Ed i t i o n ) Vo 1 2 5 NO 4 De c 2 0 0 8 侧向钢板加固钢筋混凝土连梁的抗剪强度 朱 勇,周 云 ( 广州大学 土木工程学院,广东 广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要:钢筋混凝土连梁是剪力墙结构中的一个重要构件。许多因素都可能要求对结构中连梁进行加固处理。 本文研究了在钢筋混凝土连梁两侧用螺栓固定钢板加固连梁后, 对连梁的强度计算分析。运用混合分析方法和 滑移应变的概念,得出了钢板与钢筋混凝土
2、连梁截面间纵向和横向相对滑移位移表达式;以该相对滑移量为变 量的加固后连梁的钢板截面与钢筋混凝土梁截面的内力表达式。由螺栓连接组的剪力一滑移关系、混凝土的抗 压强度、极限压应变和钢板截面的应变分布,根据平衡条件得出加固后连梁的抗剪强度。 关键词 :连梁 ;加 固;钢板 ;滑移 ;强度 中图分类号:T U3 7 5 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 4 - 0 1 1 5 0 4 剪力墙结构是高层建筑 中常用的主要抵抗水 平载荷 ( 风和地震荷载 )的结构形式 。连接相邻 独立墙片间的梁常称为连梁 。在地震作用下,连 梁的刚度 、强度及延性
3、对整个结构体系的行为表 现有极大的影响 J 。局部连梁的失效可引起结构 的抗侧力系统的整体失效【 2 】 。随着科学技术及经 济、社会的发展,在过去建成 的没有考虑抗震设 计或由过时规范设计的连梁; 以及 由于时间因素、 钢筋强度的退化、混凝土强度 的降低、建筑物用 途的改变、需要增加结构构件强度和新 的安全要 求等 ,都会要求对连梁进行加 固处理。 本文介绍了在中等程度跨高比连梁两侧采用 螺栓 固定钢板的方法加固后,连梁 的抗剪强度的 计算方法。基于推导出的、考虑滑移效应的、钢 板与钢筋混凝土连梁组合协同变形的、变形协调 方程,由材料本构性质,根据平衡条件,确定加 固后连梁的强度 。该计算方
4、法 ,可为应用工程师 对连梁加固的强度设计和螺栓连接设计 ,提供理 论依据 。 1 连梁两侧用螺栓连接钢板加固 连梁加 固的实验研究见文献【 3 】 ,加固中用两 块钢板在两端用螺栓连接到连梁的两侧面,且螺 栓连接位置处在连梁两端的剪力墙上 。 研究表 明, 加固后的连梁具有很好的抗震性能,不仅强度增 加、变形能力增强,而且耗能性提高、延性性能 也有所增强。更重要的是,加固后连梁的等效刚 度几乎保持不变;这对抗震非常有利 ,在地震作 用下 ,没有额外刚度的增加 ,就不会产生附加 的 内力 。实验研究表 明,该加 固连梁在外荷载作用 下,混凝土梁和钢板间的组合作用,不同于一般 普通的在受拉面上用
5、钢板加固的框架梁 的组 合作用。边界约束上,框架梁一般简化为两端简 支,而连梁两端具有相同转角及相对侧移位移; 外力作用下钢板和梁 间的滑移关系上,框架梁只 在纵向有相对滑移,连梁不仅在纵 向有相对滑移 而且在横 向亦有相对滑移。在确定加固连梁 的抗 剪强度时,要充分考虑加 固连梁本身的变形、受 力特点。 2 组合加固的变形协调条件 对连梁组合加 固的力学分析【 6 】 时,假定钢板 和混凝土处于弹性状态,而连接螺栓在全荷载作 用下处于理想塑性状态。O e h l e r s a n d S v e d 1 7 1 的研 究表 明这种假定来模拟组合梁的结构行为是合理 的,可行的。在侧向力作用下
6、 ,连梁内力为 以中 点为反弯点、沿梁跨度线性分布的弯曲内力,及 均布 的剪力作用。图 1 显示了在外力作用下的加 收稿 日期:2 0 0 8 0 5 1 5 作者简介:朱勇 ( 1 9 6 9 ) ,湖北随州人,副教授,博士,研究方向为结构抗震加固及结构非线性分析, g l e n y z h uh o t m m1 c o m 。 基金项目:广州大学减震控制与结构安全开放实验室基金。 华中科技大学学报 ( 城市科学版) 2 0 0 8年 固连梁的变形 图及弯矩 内力分布,s 和 s L 分别为 横 向和纵向的滑移位移 。由于钢板和混凝土连梁 间的滑移作用 ,所 以同一位置处钢板截面和混凝
7、土连梁截面的弯 曲曲率不一致 。定义作用在厚度 为2 t p 等效钢板截面中性轴上的弯矩为Mp , 而作 用在混凝土连梁截面中性轴上的弯矩为 c ,作 用在梁 墙节点的外力弯矩为 : 刚 2 ,L是连 梁跨度 。由于加固连梁 的内力和变形都是反对称 的,所以以跨中截面的中心点作为坐标原点建立 坐标系。推导出的内力方程及钢板与混凝土梁间 的滑移位移关系如下: 图 1 加固连梁变形及 内力 2 1 内力关系 当考虑纵向和横向滑移效应时,混凝土梁截 面 和 钢 板截 面 的应 变 和 间有 滑 移 应 变 d s d x产生,所以混凝土梁截面和钢板截面形变 曲率 和 不一致 。由曲率和 内力 的关系
8、及截 面 内力平衡条件 ,可得混凝土梁和钢板截面中性 轴上的弯矩内力方程: c : 等 ( 1 ) c : 趔 ( 2 ) 式中, 为混凝土梁截面抗弯刚度( ) 。 和钢板 截面抗弯刚度( ) 之比,螺栓组连接强度为 P s c 。此处 和 是发生在梁 墙节点处的 最大的截面 曲率之差和 中性轴间距 。且在计算模 型中,假定钢板和混凝土梁在外载作用下处于弹 性状 态, 所以 ( M ) 和( M ) 沿 着坐 标轴 线性 变 化 。由此,混凝土梁和钢板截面曲率之差 At e 和 中性轴间距 h e ,也是坐标的线性函数。由反对称 特性知,在跨中 ( 即坐标原点 x =- 0 )处 =0和 =
9、0,则: 2, :竖 L 2 ( 3 ) L 2 2 滑移位移关系 由内力方程和弯曲挠度曲率关系,积分及边 界条件可得钢板和混凝土梁横 向滑移位移 和纵 向滑移位移 S l 方程为 : (詈 一 一 式中, 和 k 为方程 ( 1 )和 ( 2 )中等式右端不 包括 X 的项 。在梁一 墙节点处最大的横向滑移为: 一 丢 ( 一 两 kp 一 一 ( 6 ) 任意截面处纵向滑移位移表达式为: F m a x 2 t n , 面 c 网 一 一A ICmaxhemax 在梁一 墙节点处最大的纵 向滑移为: , = 一 ( + 1 一 一 一 下 I J ( 8 ) 方程 ( 6 )和 ( 8 )
10、是反映变形协调条件 的基本方 程 ,由力学的三大条件知再 由平衡条件和物质本 构 条件 ,就 可求解 此加固强 度 问颢 。 3 组合加固连梁的抗剪强度 基于上节的公式,结合材料本构条件及截面 内力平衡条件, 可推导出加固连梁抗剪强度( ) 。 强度计算中假定:变形前后截面保持为平面;钢 筋和混凝土间理想粘结无滑移;忽略钢板的局部 屈曲对强度的影响;钢板只在两端用螺栓连接在 剪力墙上;忽略混凝土的抗拉强度;钢板和钢筋 为理想弹塑性材料; 受压区混凝土达到压应变时, 加固混凝土连梁达到强度极限;不考虑剪切失效 模式 。 3 1 加固连梁的抗剪强度 由G B5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝
11、土结构设计规范 J 定义的简化矩形应力区图,用来计算极 限状态下 受压混凝土应力,如图 2所示。钢筋和钢板材料 的应力一 应变曲线, 采用双线性的理想的弹塑性模 型,即屈服后应力为常量。混凝土的极限压应变 第 4期 朱勇等: 侧向钢板加固钢筋混凝土连梁的抗剪强度 可由实验得到。 I量一 I 应变 图 2 加固连梁极限状态下截面混凝土应力分布关系 当外加钢板和混凝土间有相对滑移时,混凝 土和钢板截面的应变轮廓线不一致 。 极限状态下, 截面的应力 应变图如下图 3所示 。 极限状态下中 性轴到最外侧受压混凝土的距离 ,可 由力的平 衡条件得到。 受压钢筋内力 , 混凝土压力( ) , 钢板压力
12、,受拉钢筋 内力 ,钢板拉力 可 表达如下: c c, 厂 c u 0 8 ( 9 ) = r ( 1 1 ) 如果钢板外侧受拉纤维处于弹性状态,即 I等 (h - x + , 则 = 三 二 专 ( 一 + ) 2 r( 1 2 a ) 如果钢板外侧受拉纤维处于塑性状态,即 I ( h-x +h e ) I ,则 =( h - x + h , ) f y , 2 f 一 1 2 f ( 1 2 b ) 由截面内力平衡条件可知 : + + = + ( 1 3 ) 式( 1 3 ) 中 h 。 和 的最大值,由方程( 8 ) 和( 6 ) 知 , 与钢板在墙 梁结点处螺栓连接组的纵、 横 向最大
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