鋼筋混凝土框架結構采用防屈曲支撐加固分析

唐 俊 徐章雄 盧文勝

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092)

1 引言

防屈曲支撐的概念最早于1973年由Wakabayashi M 等提出［1］，之后 Kimura等對其開展了包括疲勞性能在內的一系列研究［2］。防屈曲支撐可分為管式與墻板式，其相比普通支撐能提供更大的抗側剛度和承載力，且在大震下，通過工作段充分的彈塑性變形可耗散大量地震能量，使結構主體仍處于彈性或彈塑性受力范圍［3］。其優越性被逐漸認可并在國內外工程設計中應用，如大阪國際會議中心、上海世博中心會展區等［4－5］;同時在結構加固領域也廣為應用，如北京順義區某小學教學樓加固工程、安徽合肥某建筑夾層加固工程等［6－7］。對既有框架結構而言，相較于傳統的增大截面法，防屈曲支撐加固法具備性能及工程量方面的雙重優勢。

框架結構是最常見的建筑結構形式，但在早期結構設計中往往采用靜力設計方法，不考慮地震作用影響，加上年代久遠使得結構性能嚴重退化，難以滿足現行規范要求。

2 工程概況及加固方法

2．1 工程概況

上海市某優秀歷史建筑建于1935年，占地面積約1 321 m2。建筑長 43．78 m，寬 30．18 m，標準層高為3．66 m，地下室1層，地上6層，其典型結構平面如圖1所示。該建筑結構類型為鋼筋混凝土結構，上部樓層柱截面逐漸減小，結構中柱具體尺寸參見圖2。

圖1 典型結構平面示意圖(單位:mm)Fig．1 Typical plan of the structure(Unit:mm)

圖2 典型結構剖面示意圖(單位:mm)Fig．2 Typical cross-sectional view of the structure(Unit:mm)

柱截面在5層驟減，導致樓層抗側剛度突變，上部結構抗震性能難以滿足現行規范的要求。可采用防屈曲支撐加固法或增大截面加固法進行加固，兩種方法對比如表1所示［8］。

表1 加固方法對比Table 1 Contrast of the strengthening methods

2．2 防屈曲支撐加固法

防屈曲支撐布置原則為:

(1)滿足建筑使用空間與功能要求;

(2)保證結構安全前提下盡量經濟;

(3)布置宜對稱，盡量使得結構形心與剛度中心重合。選擇對稱布置雙向防屈曲支撐，具體布置位置見圖1、圖2中虛線部分。考慮到原結構材料強度較低，為保證連接性能，可通過復合纖維材料加固等便捷措施改善與支撐相連構件的結構性能。其連接示意圖如圖3所示［9］。

2．3 增大截面法加固法

采用增大截面法對結構4～6層結構中柱加固。加固后柱邊長增加240 mm，加固混凝土采用C30，加固鋼筋采用HRB400，其具體加固方式見圖4。對局部不滿足抗震驗算的少數梁，采用復合纖維材料加固法進行局部加固［10］。

3 加固模型建模分析

3．1 建模方法

采用PMCAD和SATWE進行建模分析，抗震部分進行小震驗算。尺寸和強度采用現場檢測數據，參見表2;結構模型不含地下室部分，加固后模型見圖5。

3．2 建模參數與取值

建模參數與取值詳見表2。依據現場檢測情況，房屋結構材料老化現象較為嚴重，故鋼筋與混凝土等級均采用較低等級。局部開裂與老化現象明顯的構件對其混凝土強度予以折減，混凝土材料采用C10，約為現場檢測數值的0．7倍。其中防屈曲支撐采用箱型截面支撐等效［11］。

圖4 增大截面加固示意圖(單位:mm)Fig．4 Schematic diagram of enlarging-cotumn-area(Unit:mm)

圖5 加固模型截圖Fig．5 Screenshots of the strengthening model

3．3 加固前構件承載力

對原結構按靜力作用及風荷載、地震作用組合兩種情況進行計算分析，并與原設計進行對比，結果為:

(1)考慮靜載作用，按1．35恒+0．7活荷載組合，對結構各層梁、柱的承載力進行驗算，均滿足要求，且有較大富余度，參見表3;

由于不同壓載艙水深不同，按照水深分成A、B、C等3類。A類壓載艙包括D1和D2，B類艙包括L1、L2、L3，C類艙包括T1和T2。各艙由壓載水表面至艙底的20個不同深度點進行采樣，每個點采集5～15 L水樣，測試水溫。現場取5～8 L不等，使用15 μm孔徑的篩絹進行過濾，水質澄清后灌入采樣瓶，密封并帶回實驗室處理。采樣船舶情況如表1所示。

(2)按現行抗震要求對加固前結構進行驗算，發現柱截面尺寸發生突變的5層大部分中柱，及4和6層少數中柱無法滿足要求;

(3)與支撐布置臨近的10根梁無法通過驗算。靜載下軸力N與柱混凝土截面承載力C的比值見表3。

表2 建模參數表Table 2 Modeling parameters

表3 結構柱靜載軸力與承載力比值Table 3 The ratio of lumn axialforce to the capacity under static loading

3．4 結構振型周期

加固前后結構前3階振型周期如表4所示。

表4 結構前3階振型周期對比Table 4 Contrast of periods of the first three vibration modes

由表4可知:

(1)結構加固前后周期均滿足規范前兩周期為平動，周期比小于0．9的要求;

(2)結構加固后周期均比加固前周期小，說明布置12榀防屈曲支撐或增大柱子截面會使結構整體剛度增大;

3．5 剪重比及有效質量參與系數

取前21階振型參與地震組合作用計算時，加固前后X，Y方向的剪重比及有效參與質量系數列于表5，X，Y方向各樓層剪重比與有效質量參與系數均滿足現行抗震規程要求。

表5 結構剪重比及有效質量參與系數對比Table 5 Contrast of shear-weight ratio and effective mass coefficient

3．6 位移反應

主體結構中添加防屈曲耗能支撐加固后，由于支撐作用，相鄰梁柱的受力性能、抗震性能將會提高，且變形趨于協調一致，此時有支撐相連接的局部梁柱體系整體剛度將得到較大增強。

整體結構的結構體系將由純框架結構轉變為框架－抗震墻結構，故通過防屈曲支撐加固后的結構體系認定為框架－抗震墻體系更為合理，其相應的層間位移角限值取1/800。

加固前后的雙向地震作用下樓層最大彈性層間位移角如圖6所示。由圖可知，兩種加固方法均能有效控制結構最大層間位移角，提高結構的整體抗震性能。特別在柱截面尺寸突變的4～6層，最大層間位移角減小量較大，而防屈曲支撐加固法比增大截面加固法更為明顯。

圖6 地震作用下最大層間位移角對比曲線Fig．6 Comparison of curves of the maximum story drift angle under earthquake

4 結論

對框架結構分別采用防屈曲支撐加固法與增大截面加固法進行加固設計與建模分析，獲得以下結論:

(1)分析建模過程依據檢測資料，對有裂縫或破損部位進行強度、剛度的折減，可真實地模擬實際結構;

(2)防屈曲支撐加固或增大截面加固時，采用對稱布置構件方法，可有效改善對結構整體扭轉性能;

(3)采用防屈曲支撐加固法較增大截面加固法在加固效果及工程量上具有雙重優勢，能有效地從整體上改善框架結構抗震性能。

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