提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造、施工方法和测试方法
技术领域：
本发明涉及一种提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造、施工方法和测试方法。
背景技术：
装配式框架结构（Precast Concrete Frames，简称PCF）是装配式建筑中广泛使用的一种结构体系，具有宽阔的发展前景，我国是个地震频发的国家，地震严重威胁人民的生命财产安全；历次震害结果调查表明：装配式框架结构破坏主要集中在节点核心区及其附近区域；因此，节点是装配式框架结构的薄弱环节，起到保证结构整体性的作用；在地震灾区，除部分地区建筑物严重破坏外，仍有部分建筑物处于“可修”范畴内，如何对震损装配式框架结构进行重新加固修补，使其满足正常使用的承载力与抗震性能，将具有非常重要的工程应用意义。
发明内容：
鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造和施工方法，该提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造和施工方法能大幅度增强承载力与抗侧刚度，改善震损结构的抗震性能，且本发明易于施工且经济，结构设计合理。
本发明提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造，其特征在于：包括两两竖直设置的预制柱和水平设在两预制柱之间的若干层预制梁，在预制柱与预制梁拐角处表面均具有ECC混凝土浇筑层，该ECC混凝土浇筑层在预制柱上具有纵向截长度段，该ECC混凝土浇筑层在预制梁上具有横向截长度段，所述纵向截长度段和横向截长度段垂直衔接且一体浇筑而成，在纵向相邻的预制梁之间设置有至少一根的斜置约束支撑杆。
进一步的，上述斜置约束支撑杆为单根，其倾斜角度设置为35°~55°之间，斜置约束支撑杆的两端分别连接在预制柱与预制梁的对角节点位置。
进一步的，上述预制柱与预制梁的对角节点位置通过膨胀型锚栓连接有第一连接板，所述斜置约束支撑杆的两端分别由拼接板与第一连接板通过螺栓连接固定，所述斜置约束支撑杆的两端通过铰接、焊接或螺栓与拼接板连接固定。
进一步的，上述斜置约束支撑杆具有两根，相邻预制梁之间形成V字形或倒V字形的屈曲约束支撑，每根斜置约束支撑杆倾斜角度设置为35°~55°之间。
进一步的，上述斜置约束支撑杆的一端通过第一连接板连接在预制柱与预制梁的节点位置，斜置约束支撑杆的另一端通过第二连接板连接在预制梁的中部位置，第一连接板和第二连接板通过膨胀型锚栓与预制柱或预制梁连接，斜置约束支撑杆的两端分别由拼接板与第一连接板或第二连接板通过螺栓连接固定，所述斜置约束支撑杆的两端通过铰接、焊接或螺栓与拼接板连接固定。
进一步的，上述第一连接板包括相互垂直焊接的竖板片、横板片和垂直焊接在竖板片与横板片之间的第一固定板片，所述竖板片和横板片分别通过所述膨胀型锚栓锁紧固定在预制柱或预制梁上，所述第一固定板片与所述拼接板通过所述螺栓固定；所述第二连接板包括底板片和第二固定板片，所述底板片通过所述膨胀型锚栓与预制梁中部位置固定连接，第二固定板片与所述拼接板通过所述螺栓固定连接。
本发明提高震损装配式框架结构抗震性能加固构造的施工方法，其特征在于：所述提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造包括两两竖直设置的预制柱和水平设在两预制柱之间的若干层预制梁，在预制柱与预制梁拐角处表面均具有ECC混凝土浇筑层，该ECC混凝土浇筑层在预制柱上具有纵向截长度段，该ECC混凝土浇筑层在预制梁上具有横向截长度段，所述纵向截长度段和横向截长度段垂直衔接且一体浇筑而成，在纵向相邻的预制梁之间设置有至少一根的斜置约束支撑杆；施工方法如下：(1)确定震损装配式框架结构的加固层（ECC混凝土浇筑层）位置，剔除节点核心区及塑性铰区（即拟浇筑ECC混凝土浇筑层周边位置）破损严重的混凝土，并进一步增设模板，制备出ECC混凝土在模板内浇筑，完成装配式框架结构的浇筑修补工作，将装配式框架结构置于正常环境下浇水养护14天后拆除模板；(2)将装配式框架结构上的第一连接板或第二连接板通过膨胀型螺栓分别与预制柱与预制梁的节点位置或预制梁中部位置连接固定；(3) 斜置约束支撑杆两端分别与拼接板的一端通过高强螺栓进行固定连接，拼接板的另一端通过高强螺栓、焊接或铰接方式固定在第一连接板或第二连接板上，完成屈曲约束支撑的安装工作。
本发明提高震损装配式框架结构抗震性能加固构造的测试方法，其特征在于：(1)制作一榀单层单跨装配式框架结构的试件，（2）将装配式框架结构的试件进行第一次静力试验，试件受损，（3）在受损试件上进行加固，加固施工步骤采用提高震损装配式框架结构抗震性能加固构造的施工方法，（4）将加固后的试件再进行第二次静力试验；（5）通过第一、二次静力试验进行分析对比，获得加固前后震损装配式框架结构的抗震性能、破坏模式和屈服顺序。
进一步的，步骤（3）提高震损装配式框架结构抗震性能加固构造的施工方法包括如下：(1)确定震损装配式框架结构的加固层（ECC混凝土浇筑层）位置，剔除节点核心区及塑性铰区（即拟浇筑ECC混凝土浇筑层周边位置）破损严重的混凝土，并进一步增设模板，制备出ECC混凝土在模板内浇筑，完成装配式框架结构的浇筑修补工作，将装配式框架结构置于正常环境下浇水养护14天后拆除模板；(2)将装配式框架结构上的第一连接板或第二连接板通过膨胀型螺栓分别与预制柱与预制梁的节点位置或预制梁中部位置连接固定；(3)斜置约束支撑杆两端分别与拼接板的一端通过高强螺栓进行固定连接，拼接板的另一端通过高强螺栓、焊接或铰接方式固定在第一连接板或第二连接板上，完成屈曲约束支撑的安装工作。
进一步的，上述第一次静力试验和第二次静力试验所用的设备包括围设在试件外围的框架，所述框架包括设在试件两外侧的立柱和连接在两立柱上的横柱，其中一立柱外侧设有反力墙，在横柱与试件顶面之间设有千斤顶，在反力墙侧面与试件侧面之间设有用于通过抱板螺杆牵拉试件的作动器。
工程水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composites，简称ECC)是一种具有拉伸应变硬化特征和高韧性的新型水泥基复合材料，在单轴拉伸荷载作用下，ECC具有多缝开裂的特征，裂缝宽度可控制在40µm以下，同时ECC的拉伸应变可以稳定达到3%以上，应变能消耗大量的能量；因此，针对震损装配式框架结构中的节点核心区及塑性铰区破损严重的混凝土，采用ECC混凝土浇筑层（即由ECC浇筑形成的混凝土层）取代普通混凝土进行修补破损混凝土，可大幅度减少裂缝宽度以及残余位移，同时，震损RC框架经ECC混凝土加固后，能减轻或延缓结构薄弱处在后期地震中的破坏情况。
屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace ，简称BRB，即由至少一根斜置约束支撑杆形成的)是一种性质优良的位移型耗能减震构件，相比传统支撑，在受拉或受压的情况下BRB能够快速进入全截面屈服状态，利用钢芯的塑性变形充分吸收大量地震能量，同时，屈曲约束支撑具有稳定的力学性能和滞回性能；在加固改造工程上，研究表明防屈曲支撑取得了显著的加固效果，能够大幅度提升结构的承载力与抗侧刚度，改善结构的抗震性能，成为结构的“第一道防线”，保证结构的关键构件不受破坏。
目前，震损混凝土结构的加固方法主要包含：增大截面加固法、外包钢加固法、增设剪力墙加固法、粘贴碳纤维布加固法等，与这些加固方法相比，本发明
施工速度更快，且为结构体系提供了第一道抗震防线，可使加固后结构实现“小震经济、中震不坏、大震可修”，能有效改善震损装配式框架结构的承载力与抗震性能。
因此与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：(1)本发明中，采用ECC混凝土浇筑层替代预制梁、柱节点以及塑性铰区（即预制柱与预制梁拐角连接处）的破损混凝土，能提高震损结构节点的耗能能力及延性，减少混凝土的裂缝发展；(2)由斜置约束支撑杆形成的屈曲约束支撑可大幅度提高震损装配式框架结构的承载力以及抗震性能，保护结构的重要部位不受破坏，起到“保险丝”作用；(3)屈曲约束支撑可改善装配式框架结构的破坏机制，有利于提高震损结构的抗震加固；(4)本发明高效经济、施工周期短，屈曲约束支撑也易于安装。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明：
图1是本发明的主视构造示意图；
图2是图1的局部放大构造示意图；
图3是图1中斜置约束支撑杆另一种布置的构造示意图；
图4是图1中斜置约束支撑杆另一种布置的构造示意图；
图5是第一连接板固定在预制梁、柱节点处（拐角处）的构造示意图；
图6是第二连接板固定在跨中梁处（预制梁中部位置）的构造示意图；
图7装配式框架拟静力加载图；
图8是装配式框架最终破坏照片图；
图9是滞回曲线；
图10是等效粘滞阻尼系数；
图11是能量耗散系数；
图12是耗能比；
图13是BRB-R的滞回曲线；
图14是BRB-L的滞回曲线；
图15、16是第一连接板和第二连接板的构造示意图。
具体实施方式：
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。
本发明提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造包括两两竖直设置的预制柱3和水平设在两预制柱之间的若干层预制梁1，在预制柱与预制梁拐角处表面均具有ECC混凝土浇筑层2，该ECC混凝土浇筑层在预制柱上具有纵向截长度段201，该ECC混凝土浇筑层在预制梁上具有横向截长度段202，所述纵向截长度段和横向截长度段垂直衔接且一体浇筑而成，在纵向相邻的预制梁之间设置有至少一根的斜置约束支撑杆4。
其中一种实施例（如图4所示），上述斜置约束支撑杆为单根，其倾斜角度设置为35°~55°之间，斜置约束支撑杆的两端分别连接在预制柱与预制梁的对角节点位置。
上述预制柱与预制梁的对角节点位置通过膨胀型锚栓连接有第一连接板6，所述斜置约束支撑杆的两端分别由拼接板8与第一连接板6通过螺栓7连接固定，所述斜置约束支撑杆的两端通过铰接、焊接或螺栓与拼接板连接固定。
其中一种实施例（如图1、2或3所示），上述斜置约束支撑杆具有两根，上、下相邻预制梁之间形成V字形或倒V字形的屈曲约束支撑，每根斜置约束支撑杆倾斜角度设置为35°~55°之间。
上述斜置约束支撑杆的一端通过第一连接板连接在预制柱与预制梁的节点位置，斜置约束支撑杆的另一端通过第二连接板6A连接在预制梁的中部位置，第一连接板6和第二连接板6A通过膨胀型锚栓与预制柱或预制梁连接，斜置约束支撑杆的两端分别由拼接板与第一连接板或第二连接板通过螺栓连接固定，所述斜置约束支撑杆的两端通过铰接、焊接或螺栓与拼接板连接固定。
进一步的，上述第一连接板6包括相互垂直焊接的竖板片601、横板片602和垂直焊接在竖板片与横板片之间的第一固定板片603，所述竖板片和横板片分别通过所述膨胀型锚栓锁紧固定在预制柱或预制梁上，所述第一固定板片6与所述拼接板8通过所述螺栓固定；所述第二连接板6A包括底板片601A和与底板片601A垂直焊接固定的第二固定板片602A，所述底板片601A通过所述膨胀型锚栓与预制梁中部位置固定连接，第二固定板片602A与所述拼接板通过所述螺栓固定连接。
本发明提高震损装配式框架结构抗震性能加固构造的施工方法，所述提高震损装配式框架结构抗震性能的加固构造包括两两竖直设置的预制柱和水平设在两预制柱之间的若干层预制梁，在预制柱与预制梁拐角处表面均具有ECC混凝土浇筑层，该ECC混凝土浇筑层在预制柱上具有纵向截长度段，该ECC混凝土浇筑层在预制梁上具有横向截长度段，所述纵向截长度段和横向截长度段垂直衔接且一体浇筑而成，在纵向相邻的预制梁之间设置有至少一根的斜置约束支撑杆；施工方法如下：(1)确定震损装配式框架结构的加固层（ECC混凝土浇筑层）位置，剔除节点核心区及塑性铰区（即拟浇筑ECC混凝土浇筑层周边位置）破损严重的混凝土，并进一步增设模板，制备出ECC混凝土在模板内浇筑，完成装配式框架结构的浇筑修补工作，将装配式框架结构置于正常环境下浇水养护14天后拆除模板；(2)将装配式框架结构上的第一连接板或第二连接板通过膨胀型螺栓分别与预制柱与预制梁的节点位置或预制梁中部位置连接固定；(3) 斜置约束支撑杆两端分别与拼接板的一端通过高强螺栓进行固定连接，拼接板的另一端通过高强螺栓、焊接或铰接方式固定在第一连接板或第二连接板上，完成屈曲约束支撑的安装工作。
工程水泥基复合材料 (Engineered Cementitious Composites，简称ECC)是一种具有拉伸应变硬化特征和高韧性的新型水泥基复合材料，在单轴拉伸荷载作用下，ECC具有多缝开裂的特征，裂缝宽度可控制在40µm以下，同时ECC的拉伸应变可以稳定达到3%以上，应变能消耗大量的能量；因此，针对震损装配式框架结构中的节点核心区及塑性铰区破损严重的混凝土，采用ECC混凝土浇筑层（即由ECC浇筑形成的混凝土层）取代普通混凝土进行修补破损混凝土，可大幅度减少裂缝宽度以及残余位移，同时，震损RC框架经ECC混凝土加固后，能减轻或延缓结构薄弱处在后期地震中的破坏情况。
屈曲约束支撑(Buckling-Restrained Brace ，简称BRB，即由至少一根斜置约束支撑杆形成的)是一种性质优良的位移型耗能减震构件，相比传统支撑，在受拉或受压的情况下BRB能够快速进入全截面屈服状态，利用钢芯的塑性变形充分吸收大量地震能量，同时，屈曲约束支撑具有稳定的力学性能和滞回性能；在加固改造工程上，研究表明防屈曲支撑取得了显著的加固效果，能够大幅度提升结构的承载力与抗侧刚度，改善结构的抗震性能，成为结构的“第一道防线”，保证结构的关键构件不受破坏。
目前，震损混凝土结构的加固方法主要包含：增大截面加固法、外包钢加固法、增设剪力墙加固法、粘贴碳纤维布加固法等，与这些加固方法相比，本发明
施工速度更快，且为结构体系提供了第一道抗震防线，可使加固后结构实现“小震经济、中震不坏、大震可修”，能有效改善震损装配式框架结构的承载力与抗震性能。
因此与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下方面：(1)本发明中，采用ECC混凝土浇筑层替代预制梁、柱节点以及塑性铰区（即预制柱与预制梁拐角连接处）的破损混凝土，能提高震损结构节点的耗能能力及延性，减少混凝土的裂缝发展；(2)由斜置约束支撑杆形成的屈曲约束支撑可大幅度提高震损装配式框架结构的承载力以及抗震性能，保护结构的重要部位不受破坏，起到“保险丝”作用；(3)屈曲约束支撑可改善装配式框架结构的破坏机制，有利于提高震损结构的抗震加固；(4)本发明高效经济、施工周期短，屈曲约束支撑也易于安装。
为进一步论证本发明的可行性，研究加固后震损结构的抗震性能是否满足现行规范要求，因此，通过设计并完成一榀单层单跨装配式框架结构的拟静力预损试验，经防屈曲支撑与ECC复合加固后再次进行拟静力试验，对比分析加固前后装配式框架的抗震性能、破坏模式、屈服顺序等内容，从而验证本发明的加固效果，以期为工程设计人员提供试验数据和加固方法。
严格依据国家规范设计了一榀单层单跨的装配式框架结构A（即试件），轴压比设计为0.3，考虑到实际工程中楼板对结构受力性能的影响，装配式框架进一步增设楼板，其厚度与宽度分别选取为60mm与700mm，试件选用直径6mm与直径8mm的光圆钢筋HPB300作为箍筋，梁与柱的纵向受力钢筋都采用直径12mm的热带肋钢筋HRB400；考虑到柱端及梁端在加载装置的作用下，防止混凝土局部受压而造成破坏，柱端及梁端都设计了加载头。
装配式框架采用二次浇筑的方式进行制作，两次浇筑均采用C30商品混凝土，第一次构件整体浇筑部位包含地梁、框架柱及部分框架梁,同时，参照规范梁端设置键槽，其深度与宽度分别设计为30mm和90mm，第二次混凝土浇筑部位则包括梁柱节点、框架梁的其余部分以及楼板，试件经14天浇水养护后进行拆模，即可完成装配式框架的制作。
装配式框架结构制作完成后，在实验室进行拟静力试验，拟静力试验构件加载图如图7所示（图中A1为反力墙，A2为作动器，A3为千斤顶，A4为抱板螺杆）；静力试验所用的设备包括围设在试件A外围的框架，所述框架包括设在试件A两外侧的立柱A5和连接在两立柱上的横柱A6，其中一立柱A5外侧设有反力墙A1，在横柱A6与试件A顶面之间设有千斤顶A3，在反力墙A1侧面与试件A侧面之间设有用于通过抱板螺杆A4牵拉试件A的作动器A2；以位移控制加载，装配式结构预损试验的最终破坏图如图8所示，装配式框架结构的屈服顺序为框架梁－框架柱，破坏模式为典型的梁铰模式。
结构的抗震修复加固工作主要目的是恢复震损框架结构的整体工作性能以及提高试件的抗震性能，而消能减震技术能满足结构加固改造的工作要求，因此，为进一步验证本发明的可行性，针对震损装配式框架结构提出了屈曲约束支撑与ECC的复合加固方式（即为本发明施工方法），加固过程分为局部修补和整体加固，在局部修补中，主要目的是初步恢复震损结构的整体工作性能，通过选取ECC混凝土替换破损混凝土，后期加固中，依据基于性能的防屈曲支撑设计方法，针对试件合理设计并进一步安装防屈曲支撑。
震损装配式框架结构剔除破损混凝土后，采用ECC混凝土浇筑，初步完成整体结构的局部修补，接着，选用耗能型屈曲约束支撑（斜置约束支撑杆）进一步加固试件，防屈曲支撑采用焊接的连接方式，施工步骤如下：(1) 将连接板分别连接到跨中梁以及柱端的预埋件（膨胀性锚栓）上，连接时连接板产生的平面偏移不得超过节点板厚度的1/3，如有超出应给予纠正；(2) 依次布置并固定人字形防屈曲支撑，使其与框架柱间的夹角为45°；当位置产生偏差时，可通过切割连接板进行消除误差；(3) 焊接时应确保焊缝不出现焊缝缺陷，如有缺陷则重新焊接。
震损装配式框架经防屈曲支撑加固完后即进行拟静力试验，依据试件的预损试验采取相同的加载装置、加载制度以及测量方案等，有利于通过试验数据进行加固前后试件抗震性能的对比，加载示意也如图7所示。为了更好的阐述试验现象，将防屈曲支撑靠近MTS取为BRB-L，远离一侧则为BRB-R。
通过拟静力试验，观察得到：当加载工况为
对比震损装配式框架结构加固前后的滞回曲线，如图9所示，可以发现装配式结构的最大加载位移为
在最大位移与极限承载力方面上，BRB-PC框架结构的极限承载力分别为508.34KN与-410.18KN，最大位移为
对比加固前后震损装配式框架结构的耗能比曲线，如图12所示，可以看出：对比加固前后试件耗能比曲线均呈现上升的变化规律，在耗能比系数上，装配式框架结构最大值为0.68，BRB-装配式框架最大值为0.79，涨幅为16%。
低周反复加载中，防屈曲支撑的滞回曲线能客观的反映构件承载力、变形能力等抗震性能，因此，通过在支撑设置拉线式位移计，即可测量试验中支撑的轴向变形，同时，为获取支撑的轴力变化，在防屈曲支撑与试件的连接处设置钢筋应变片，核心段钢芯工作时将产生变形，通过获取应变转换为支撑的轴力，防屈曲支撑的滞回曲线图如图13与图14所示，在BRB-R的滞回曲线中，支撑的极限轴向变形为25mm，轴力峰值分别是95KN与-95KN，在BRB-L的滞回曲线中，极限轴向变形为30mm，轴力峰值分别为97KN与-97KN，两根防屈曲支撑的滞回曲线饱满，未出现捏拢现象，左右对称性良好，同时，在加载过程中，支撑能与震损装配式框架结构协同工作，两者的连接件未出现破坏，因此，得出结论：在受拉或受压情况下，防屈曲支撑的力学性能稳定，也满足加载中装配式框架结构的变形协调条件。
上述内容综合对比分析加固前后震损装配式框架结构的抗震性能、破坏模式、屈服顺序等内容，试验结果表明，震损装配式框架结构经复合加固后的整体抗震性能优于装配式框架结构，进一步得出结论：本发明易于施工且经济，结构设计合理，能显著达到震损装配式框架结构的加固效果。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
