实验研究混合Noncompression CF支撑和GF负债表包装加固方法重建受损钢筋混凝土结构

文摘

我们描述了一个新颖的技术修复钢筋混凝土(RC)地震中遭到破坏的结构。这里描述的加固方案是一种混合地震改造技术,结合noncompression交叉联接使用CF与外部保税GF表加强钢筋混凝土结构地震发生后持续伤害。GF表是用来改善延性的列,和noncompression CF交叉联接系统,由CF支撑和锚来取代传统的钢支撑和螺栓连接,用于增加横向框架系统的强度。我们报告地震恢复能力,使受损的重用RC框架通过混合CF交叉联接和GF负债表包装系统。进行循环荷载试验研究滞后的横向load-drift关系,以及延性。GF表,列延性显著提高导致失效模式的变化。传统CF表列中使用的强化效果是不够的对横向强度和刚度。然而,这一研究结果显著增加的强度结构由于使用CF交叉联接和抑制屈曲支撑的失败。这个结果可以被利用来开发指南的应用强化系统恢复受损钢筋混凝土结构。

1。介绍

尽快恢复因地震受损的一社区,一个准备周全的重建策略是至关重要的,显示了1995年神户大地震在日本,1999年台湾集集地震,2008年四川地震在中国,2010年的智利地震,2011年在新西兰克赖斯特彻奇地震,2012东日本大地震和2013年庐山地震在中国。地震来袭时发生社区和建筑物受损,检查这个损害是迫切需要找出哪些建筑是安全的,哪些是容易损坏由于余震。的剩余抗震能力受损建筑物应该定量评估,技术上和经济上声音应该被识别(即解决方案。,有效的强化)恢复受损的建筑物。

地震受损建筑物改造技术得到了相对较少的利益,然而,大多数研究,包括指导方针和标准,一直专注于地震评估和改造现有建筑物(例如,建筑物的抗震评估手册:Prestandard [1),Prestandard建筑物的地震康复和评论(2),标准地震评估现有的钢筋混凝土建筑和指导地震改造现有的钢筋混凝土建筑,为地震评估和技术手册和地震改造现有的钢筋混凝土建筑3])。恢复受损建筑物缺乏研究,特别是地震建筑物改造技术,地震发生后持续伤害。

Aschheim和黑色(4报道一个非线性动态分析,连环连续地震荷载,包括主震和余震,导致累积对结构体系的破坏。李和Foutch [5]报告可靠性的分析方法被地震损坏的建筑物抗震性能评价。李和Ellingwood6)表明,额外的结构的破坏程度由于余震强烈地震造成的损害有关,也就是说,残余变形。

Maeda et al。7)提出了一个技术postearthquake损害评估钢筋混凝土(RC)建筑基于剩余抗震能力,它被定义为的比值postearthquake地震的初始容量的能力。这使得快速修复,以防损坏在余震和提供永久性修复。剩余抗震能力计算是基于地震能力减少因素,它是决定使用循环荷载试验和非线性动态分析,并应用于2004年新泻地震和2012年的东日本大地震。

大多数现有的建筑被地震破坏的研究都集中在受损结构的抗震能力评估方法后,主要的冲击。地震永久修复受损的建筑物的改造技术,然而,得到了相对较少的关注。有效的强化技术恢复受损的建筑也有吸引力的从经济的观点。

最近,纤维增强聚合物(FRP)表使用碳纤维(CF)或玻璃纤维(GF)已经广泛应用于加固现有结构和经常用于恢复列已经被地震损坏。加强方法采用玻璃钢薄膜可以显著提高现有列的延性;然而,横向强度和刚度的增加通常是不够的,和interstory漂移的建筑却不容易控制8]。

最有效的加固方法,增加抵抗横向荷载在地震钢支撑,这会导致显著增加在地震后的钢筋混凝土结构的负载电阻(9]。特别是,Viswanath et al。10)分析表明,十字支撑(交叉联接)显著增加结构刚度和减少interstory漂移。交叉联接系统已经应用到五层钢筋混凝土建筑,当最初建造并考虑抗震,和显著提高这些结构的强度11]。规模测试七层钢筋混凝土建筑钢筋用钢交叉联接也被实施,结果表明增强垂直和水平抵抗,直到屈曲支撑的失败发生在应对地震荷载(12]。一个RC学校建筑翻新使用posttensioned杆括号,导致增加容量,而不是增加延性(13]。研究表明,混凝土结构和撑的结果之间的直接连接在抗震方面的优越的结构性能9,14- - - - - -17]。

交叉联接的结构刚度和强度显著增加结构;然而,它也表明,传统钢交叉联接方法通常导致脆性破坏在括号和建筑之间的联系或屈曲括号的失败。有许多试图消除括号中的屈曲失效,已主要集中在buckling-restrained支撑(BRB)系统的使用。信心的一个报告的计算参数的屈曲失败在办公楼一幢4层停车楼来钢强调仔细评估支撑钢框架的重要性,特别是防止建筑的总崩溃(18]。

在日本,马上回来框架已经成为越来越受欢迎,由于其优良的抗地震(19]。2009年,一种新型的bidirectional-resistant韧性隔膜使用桥梁[介绍了马上回来20.]。马上回来设备用钢管和砂浆进行了调查,结果表明可以获得合理的高效和经济性能在循环荷载(21]。X-braced系统的配置进行了调查获得的性能,在经济上减轻残余漂移一样,限制软故事的形成,阻止不受欢迎的梁柱连接的失效模式。buckling-restrained支撑框架(BRBF)与固定和连接提出了瞬间,和结构的效率评估使用非线性动态分析(22]。一栋9层建筑钢筋使用一个特殊的中心支撑框架(SCBF) buckling-restrained支撑框架(BRBF)和mega-bracing框架(MBF)是模拟评估抗震稳定性。MBF配置被发现是最抗横向漂移,尽管它相对轻量级(23]。Tamai和高松24)也报道创新的方法来防止屈曲使用noncompression支撑具有滑动支架连接失败。

碳纤维(CF)交叉联接使用碳纤维支撑和定位,而不是传统的钢支撑和螺栓连接。外部保税碳纤维锚已经开发和测试评估的效率安克雷奇,连续性,并迫使转移。结果表明,可以实现剪切强化,弯曲增强,监禁,爆炸硬化(25]。其他研究人员使用撤军26,27和剪切28)方法来评估复合结构和发现CF支撑是一个实际工程加固RC结构的解决方案。

在本文中,我们报告一个混合地震改造方法结合noncompression交叉联接系统使用CF和外部保税GF布加固RC结构地震发生后持续伤害。GF护板被用来改善受损的延性列。noncompression CF交叉联接系统,它由CF的支撑和定位,而不是传统的钢支撑和螺栓连接,用于增加横向框架系统的强度。地震恢复受损钢筋混凝土框架加固使用这种混合动力系统使用循环荷载试验,研究结构的刚度和延性,失效模式,滞后的横向load-drift响应进行评估。

2。混合方法使用CF交叉联接和GF板包装

这里描述的混合地震改造方法使用noncompression CF的组合交叉联接和外部保税GF薄膜加固受损钢筋混凝土结构,如图1。混合动力系统包括CF括号,CF锚和GF薄膜。锚洞形成后受损的列,epoxy-impregnated CF复合撑安装通过锚孔边缘的列。CF包的CF交叉联接列边缘周围形成了锚。这光纤锚定系统已被证明不是展览纤维断裂,和具体故障发生后的剪切加载应用程序大约两倍,导致失败的标本没有纤维锚(29日]。GF薄膜是外部保税增加延性破坏的列,包括CF锚点。

因此,它可以防止过早脱胶失败在锚点,使用三个锚点:支持是保税的锚洞,CF锚,外部保税GF薄膜。混合CF交叉联接的结构行为和GF负债表包装系统见图1。侧向力时,见P1,升撑张力T1,和下行撑不经历一个压缩力:也就是说,C1 = 0。侧向力时相反的方向,P2所示,下行支撑有张力T2和提升撑也没有压缩力,所以C2 = 0。因此,没有抗压应力CF交叉联接,以应对横向负载。

3所示。试样

3.1。材料特性的CF交叉联接和女朋友复合包装

两个不同的CF交叉联接被用于这项研究:一个从碳纤维纱由Fyfe捏造,美国(a类),和一个由东丽捏造,日本(b)。表1列出这些纤维的细节;a类纤维的抗拉强度3790 MPa,直径15.5毫米,和b型纤维的抗拉强度4900 MPa,直径15.8毫米。机械强度的实验特点根据KS K 0412韩国标准测量纤维的抗拉强度和伸长率。失败发生在大约一半的制造商上市的抗拉强度;然而,这种测量关键取决于锚地和角的细丝。在设计过程中,安全裕度的抗拉强度CF锚被认为是基于这些拉伸测试的结果。

表2列出了材料性能的女朋友复合用于这项研究。的女朋友是由Conclinic (CAF-GL1000) (30.]在韩国,在失败的抗拉强度500 MPa, 25000 MPa的弹性模量。

3.2。材料特性的钢筋、混凝土、环氧树脂

上市混凝土的抗压强度MPa和圆柱形压缩测试导致了图31.8±1.0 MPa。钢的抗拉强度钢筋(钢筋)是400 MPa。使用了两种不同直径钢筋:D10马镫,D22摊位的主要钢筋标本(见部分3所示。3为进一步的细节)。统一建筑规范(31日在地震带)属于钢筋混凝土设计和指定拉伸应力的比值的屈服应力钢筋不应小于1.25,以确保足够的延性模拟地震载荷作用下。在钢筋的拉伸试验,这个比例是1.45 D10 D22摊位钢筋的钢筋和1.35。钢筋的抗拉强度是衡量使用万能试验机(UTM);我们发现MPa D10钢筋和MPa D22摊位的钢筋,错误的利润率对应测量结果的标准偏差。

锚定法环氧树脂作为胶粘剂使用CF锚和外部保税玻璃纤维布。表3列出了材料性能的环氧树脂用于这项研究。

3.3。样品设计和测试变量

剪切破坏控制标本为实验测试设计和制造。图2显示了剪切破坏的细节(SF)的一系列控制标本。这些测试的目的是调查损坏的钢筋混凝土柱的结构性能,抗剪强度降低,混合CF交叉联接和GF单包装加固系统。标本被设计根据指南指定的负载容量日本建筑防灾协会(3]。

总共三个标本被认为是剪切破坏模式,包括两种类型的CF交叉联接和GF单包装系统。的平均垂直荷载这两列大约是3 MPa, 10%的名义混凝土的抗压强度。的比列明确的高度,深度,,是。具体的存根成员是安装在顶部的标本要限制的列。表4列出了承载力计算根据JBDPA [3]。

3.4。制作的试样结构恢复混合强化系统

实验研究结构的抗震稳定性恢复RC结构,一系列控制标本,SF-0,旨在表现出剪切破坏。科幻系列设计的配筋率,这样的结构会表现出剪切破坏模式。两个标本是捏造的,如图2。每个样品测试直到第五类损害发生,如图3,并在表中定义5(7,32]。测试进行了基于循环加载方案,这将在稍后描述(见表7)。完成后循环荷载来模拟地震破坏,受损的结构钢筋使用混合CF交叉联接与a类或b CF和GF表包装。因此,有三种类型的标本,使用循环荷载试验研究。所有标本都相同的维度,和一个存根高刚度的顶部安装的每个标本提供约束列。表6列出详细的测试标本。

图4显示了标本制作的细节。完成后的标本(SF-R1和SF-R2),持续的第五类伤害,这些被注入环氧树脂裂缝处理。锚洞然后钻在每一列的顶部和底部的边缘。锚孔钻通过使用CF锚CF支撑。斜孔形成,使CF支撑,如图4 (b)。CF交叉联接是通过锚孔和拉紧。锚点是强化了用环氧树脂粘结CF锚。外部保税玻璃纤维应用于整个列。

提高焊接,表面受到使用一个启动的过程。GF表包装应用于受损的RC列有两个方向:纵向加强的主要增援和水平横向加固提高抗震稳定性。三天的女朋友薄膜是治愈每个方向。图5显示的细节控制标本(SF-0)和标本加强使用混合CF-X支撑和GF单包装15系统(SF-R1和SF-R2)。

3.5。测试程序

测试的主要目的是研究地震恢复的重用能力受损的RC框架钢筋使用混合CF交叉联接和GF单包装系统。我们研究了结构的刚度和延性,失效模式,外侧load-drift关系滞后。两列受到常数垂直荷载的187.5 kN使用两个1000 kN致动器。2000 kN的致动器被用来应用横向荷载。图6显示了实验配置。与使用一个预先确定的位移循环加载方案。负载周期是为了反对称的时刻在横向方向。每个加载步骤包括三个周期。表7列出了应用于试样加载周期。

4所示。故障模式和荷载位移关系

标本的钢筋使用这里描述的混合动力系统,平面外的压缩行为CF交叉联接。这原本有望compression-free,屈曲失败的括号不能发生。的失败模式和磁滞特性的控制(SF-0)和钢筋标本(SF-R1和SF-R2)显著不同。SF-R系列的所有失败的回应弯曲应变能量耗散能力大,而控制SF-0标本展出剪切破坏,这与结构的设计是一致的。

在下面的讨论中,我们专注于裂缝和故障模式的横向位移和荷载位移关系在测试的最后阶段。每一个在三个加载周期加载步骤是相同的。表8列表的结果机械特征的剪切强度和位移与积极的和消极的负载三个标本。屈服强度和位移的标本描述使用公园的定义,这是最现实的定义可用于钢筋混凝土结构的屈服位移(33]。的屈服位移等效弹塑性系统刚度降低是由割线刚度的75%最终系统的横向荷载。

4.1。控制样品

控制样品(SF-0)设计,这样它将表现出剪切破坏和测试,直到第五类损害发生为了模拟地震破坏(见图3)。图7显示了裂纹模式SF-0标本上观察循环负载测试的最后阶段后,和图8显示了荷载位移曲线。

在15日加载周期(5日加载步骤中,),加载−166 kN,轻微的弯曲裂缝出现在右列的低端,和剪切裂缝观察上端的列。没有开裂发生在列的中间。当外加负载达到224 kN, 21负载荷循环(7日装载步骤中,),更剪切裂缝出现,增加宽度。一个明显的区别是观察混凝土保护层剥落的由于剪切力在27日载荷循环(9日装载步骤中,)。这可能是由于剪切约束不足。剪切破坏发生在两列后,应用负负载150 kN,横向漂移的30.0毫米()。

的最大负载能力框架SF-0标本是278 kN的27日负载荷循环(9日装载步骤中,),17.5毫米(见表的横向漂移8和图8)。最大的积极的负载能力是227 kN, 14.7毫米的横向漂移,展出略低强度响应积极加载比消极的负载。

4.2。混合CF交叉联接和GF负债表包装钢筋标本SF-R1

图9显示的照片SF-R1标本后循环荷载试验,和图10显示了荷载位移曲线。SF-R1标本混合与a型血碳纤维CF交叉联接和GF板包装。标本是钢筋后维持第五类破坏(见图3和5)。SF-R1标本不表现出表面裂缝,因为表面与外部保税GF薄膜涂层。

后42负载荷循环(14日装载步骤中,),加载−464 kN,容量不会增加,强度和最大负载。当外加负载到达58周期(失败),标本展出RC柱的两端,屈曲CF X-braces的失败并没有发生。

如图10的框架的最大负载能力SF-R1标本是一个负负载464 kN,横向漂移的44毫米(参见表8)。最大的积极的负载能力是453 kN的横向漂移44.8毫米,这是类似于最大负载荷能力。注意混合强化SF-R1标本展出在列的延性显著增加,导致故障模式的改变,以及增加力量的能力,而SF-0控制样品(见图8)。

4.3。混合CF交叉联接和GF负债表包装钢筋标本SF-R2

加强SF-R2标本使用混合与b型碳纤维CF交叉联接和GF表包装。表面裂缝没有观察到由于外部保税GF薄膜,与SF-R1标本。

图11显示的照片SF-R2标本后循环荷载试验,和图12显示了荷载位移曲线。的横向强度SF-R2标本没有增加46 -载荷循环(16加载步骤中,与加载−555 kN),显示最大16负载。在第57届负载荷循环(),试件达到极限状态。类似于SF-R1标本,失败发生在钢筋混凝土柱的两端,屈曲CF X-braces的失败并没有发生。如图12的最大负载能力SF-R1标本是一个负负载555 kN,横向漂移的56.3毫米(参见表8)。最大的积极的负载能力是514 kN,横向漂移为56.4毫米。

如图12的失效模式SF-R2标本是弯曲的,而控制试样表现出剪切破坏。SF-R2标本也表现出能力与SF-0相比增加力量。这些结果表明,混合CF交叉联接和GF表包装系统是有效提高钢筋混凝土框架的能量耗散能力,可以用来恢复受损结构地震发生后。

5。比较的强度和变形能力

图13显示了侧向荷载位移关系的包络曲线SF-0, SF-R1, SF-R2标本。表9列出了强度和变形能力,包括延性比的力量。最大的正面或负面的大负荷。延性强度的比值是指示性的强化效应混合加强标本(SF-R1和SF-R2)的抗剪强度能力与表达的控制样品(SF-0)和最大负载的比例的Vmax SF-R1或SF-R2 SF-0标本的采集的标本。剪切破坏试件的延性比(SF-0)被定义为最大位移除以屈服位移:也就是说,。弯曲的延性比失败的标本(SF-R1和SF-R2)被定义为最终的位移除以屈服位移:也就是说,。每个试样的屈服强度和位移表中列出9并根据公园的定义(定义33];即屈服位移等效弹塑性系统刚度的割线刚度降低75%的最终系统的横向荷载。

SF-R1标本的最大抗剪强度钢筋使用混合与a型血碳纤维CF交叉联接和GF板包装是464 kN (kN)和SF-R2标本做好使用b型碳纤维555 kN (kN);这是增加大约1.7 - -2.0倍,即70 - 100%比SF-0控制标本(最大抗剪强度是278 kN)。的延性比SF-0标本的框架,这是因为SF-0标本被剪切有限;然而,SF-R1试件的延性系数和SF-R2标本;这是增加2 - 3倍比SF-0控制标本。

我们发现强度和变形能力显著增加后的应用这里描述混合强化系统,即使最初的结构受损,直到失败(即。,损害第五类,如图3)。我们还表明,受损的RC柱有效恢复提供足够的结构抵抗地震荷载。

6。结论

我们已经描述了一种新颖的混合地震改造的方法,并结合一个noncompression交叉联接系统使用CF和外部保税GF薄膜加固的钢筋混凝土结构在地震中遭到破坏。GF护板是用来改善受损的列的延性。CF的noncompression CF交叉联接系统是由支撑和定位,而不是传统的钢支撑和螺栓连接,用于提高横向框架系统的强度。恢复了RC框架加强了使用循环加载测试。我们发现受损的RC框架可以恢复后第五类伤害,提供增强的结构性质与原来的相比RC框架。这种技术也可以应用于现有的结构来增加强度和延性。这项工作的主要结果总结如下。(一)最重要的变化后钢筋的应用系统的故障模式。SF-R标本展出弯曲破坏,而控制SF-0试样表现出剪切破坏,这与脆性行为相关联。的能量吸收能力,因此,大大增加了与控制样本。(b)noncompression CF X-braces,被用来增加框架系统的横向强度,导致相当大的加固效果的抗剪强度与控制样本。的屈服载荷计算使用公园的方法,和最大承载力增加了70 - 100%。加固效果取决于所使用的支撑材料。它遵循目标强化能力可以通过适当的设计选择的CF交叉联接的类型。(c)考虑弯曲破坏模式的变化,标本SF-R1和SF-R2大大提高了外部保税GF单包装,代表增加2 - 3倍的延性比与SF-0控制标本。注意,能量耗散能力,这取决于横向强度和变形,显著增加后的应用混合CF交叉联接和GF负债表包装系统。(d)这种混合技术对地震恢复使用CF交叉联接和GFRP可以显著增强受损钢筋混凝土柱的抗震能力。使用CF X-braces消除屈曲支撑的失败,这与传统的钢交叉联接系统常发生。这里描述的加筋法可以应用于地震RC结构损伤后的恢复期间持续的地震。(e)然而,这项研究是集中在一个实验调查研究的适用性的一种新型的混合noncompression CF支撑和GF负债表包装加固方法重建受损钢筋混凝土建筑提出了研究。建议未来的工作,额外的理论和分析的研究添加女朋友床单和CF括号需要证明该混合动力系统的抗震性能,结合实际钢筋混凝土建筑的抗震加固效果系统之前和之后使用混合技术提出了加强研究。此外,进一步的工作是需要优化的细节支撑和列之间的连接,这将导致额外的改进的结构属性恢复RC框架,和女朋友的结构剥离行为表中实际动态重复加载和合适的应用协议的发展需要我们的方法的实际应用。

首字母缩略词

RC:	钢筋混凝土
玻璃钢:	纤维增强塑料
CF:	碳纤维
女友:	玻璃纤维
马上回来:	Buckling-restrained撑
BRBF:	Buckling-restrained斜撑框架
SCBF:	特殊的中心支撑框架
BRBF:	Buckling-restrained支撑框架
兆:	Mega-bracing框架
GFRP:	玻璃纤维增强塑料
哥伦比亚大学:	统一建筑规范
UTM:	万能试验机
科幻小说:	剪切破坏。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由韩国国家研究基金会资助(2013 r1a1a2009761)由教育部资助,韩国,和由格兰特(15 ctap-c097490-01)从技术进步研究项目由土地、基础设施和运输事务的韩国政府。

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