基于分災模式的混凝土梁抗彎加固設計與實驗分析

陳劍波，仝亮 (南京交通職業技術學院，江蘇 南京 211188)

0 前言

在傳統的建筑加固設計中，很多抗震加固方法都已經非常成熟了，它們的設計理念都是基于對單個構件進行適當的加固來實現抗震耗能的，比如增加構件截面法、粘貼纖維復合材料法或者外包鋼加固法等。而基于分災模式的混凝土梁抗彎加固設計是從單個構件的抗震加固發展到對整體加入分災元件的體系加固新理念。當建筑結構受到地震作用時，設計師的思路一般是從改變建筑結構本身的性能，來達到減少地震作用的效果。比如說改變建筑結構的周期，如增大周期，這樣就會使得建筑結構的剛度有所減小，地震作用也將隨著剛度的減小而變小；也可以通過增加建筑結構的阻尼，建筑結構阻尼的加大同樣會減少地震的作用影響。另一方面，設計師是通過增加整個建筑結構的單個構件的承載力來增加整體結構的抗震能力，即前面所提到的外包鋼加固法等。而一種新的設計概念則是基于分災模式情況下，建筑結構有效地實現整體防災的設計。也就是指，當建筑結構在地震作用下，分災結構首先直接發揮其分災作用，通過其自身的特有性能以及自身的消耗來分擔地震對于建筑主體結構所產生的破壞，從而達到保護原建筑主體結構的目的，有效地保證了原建筑的正常使用。

1 分災模式下的混凝土梁抗彎承載力計算

考慮采用分災模式的設計理念，即在原有的建筑結構中加入分災元件來提高原有結構的整體性、延性和耗能能力。在待建建筑中加入分災元件，在遇到小于設防烈度的地震時，分災元件可以提高原結構的整體承載力；而在遇到大于設防烈度的地震時，分災元件通過自身的能量消耗，成為抵抗地震的第一道防線，從而達到減少地震破壞作用，達到保護原建筑結構，實現“大震不倒”的設防目標。分災構件的設計目的在于分擔整體主體結構的部分地震作用，所以在設計分災構件時，主要考慮幾個方面：首先是分災構件本身性能特征的設計，如從分災構件的自身承載力、構件的延性和耗能能力方面進行考慮，全面增加該構件的分災能力；其次要考慮分災構件的位置設計，作為能首當其沖的為原主體結構分擔地震作用的關鍵輔助構件，應成為原建筑結構抵抗地震的第一道關鍵防線，所以應根據原主體結構的整體受力特點、傳力路徑來精心設計；另外，在設計分災構件時，也應從如何讓分災構件更有效地吸收更多的地震作用來進行設計考慮。

1.1 分災模式下的混凝土梁截面系數計算

假設分災模式設計下仍符合平截面設定[1]，可求得截面受壓區高度公式：

考慮分災元件的分擔作用，可引入分災系數，αE表示分災系數。

可計算出混凝土梁抗彎加固設計后的梁底初始拉應變：

1.2 分災模式設計后梁的正截面抗彎承載力

依據《混凝土結構規范》計算原則，可得出梁正截面極限抗彎承載力為[2]：

以上公式中：fy表示鋼筋屈服強度、ffu分災強度、表示受壓鋼筋應力，Af表示抗彎加固強度，以此計算梁正截面極限抗彎承載力。

2 基于分災模式的結構設計模型

采用分災模式的結構設計模型，即通過在原有的建筑結構周圍引入分災元件（如分災鋼筋混凝土柱和分災鋼筋混凝土梁），為了模擬整體結構的抗震情況，圖1表示的是在主體結構中設計了分災構件，分災構件就是原主體結構抗震的第一道防線，當原主體結構在承受地震作用時，通過分災構件吸收地震能量來達到消耗能量的目的，從而保證原主體結構的安全正常使用。圖2中的實線表示的是原主體結構的主要構件，而虛線表示的是能夠消耗一部分地震作用的分災元件。因此在設計時，分災元件應該設計為能夠吸收足夠多的地震能量，否則將達不到原有設計目的。一般可以考慮增加分災構件的承載力、調整分災構件與原主體結構的剛度比，讓結構出現塑性鉸時首先出現在分災構件，從而能夠讓分災構件吸收到夠多的地震能量；同時可以把分災構件延性、抗側剛度進行設計性的提升，這樣同樣可以增加分災構件的耗能能力。設計模型原理如圖1和圖2所示。

圖1 基于分災模式的抗彎加固設計理念圖

圖2 基于分災模式的結構設計模型

從圖1和圖2中可以看出，整個抗震加固體系包括了原主體結構和分災子構件[3]。原主體結構能夠滿足原有的設計使用功能，而分災元件在受到破壞時不會對原有建筑結構產生太大的影響，在地震來臨時，分災元件成為了原建筑結構的第一道分災防線，通過分災元件的自身耗能，改變了整體結構的動力特性，減少了地震荷載的作用，較好地保護了原結構體系。

3 分災模式的混凝土梁抗彎加固實驗分析評估

用于實驗的基于抗災模式鋼筋混凝土梁的數據采用：強度等級為C25，齡期28天，根數3根。把其中不引入分災元件的梁作為樣本對照梁，用L1表示。其他的兩根梁加入分災元件，用L2和L3表示。加入的分災元件數據[4]如表1～表2所示。

分災元件柱的信息數據 表1

分災元件梁的信息數據 表2

通過實驗數據分析可知，加入分災元件后2根混凝土梁底部剪力與位移變化，對比樣本對照梁的數據，如圖3和圖4所示。

圖3 分災模式下梁L2與對照梁L1對比圖

圖4 分災模式下梁L3與對照梁L1對比圖

從圖3可以看出，加入了分災元件的梁L2的底部剪力明顯高于不含分災元件的樣本對照梁L1，這說明了分災元件能有效提高結構體系的抗震性能[5]。

同樣從圖4可以看出，采用分災元件的梁L3底部剪力明顯高于樣本對照梁L1，說明加入分災元件的混凝土梁可有效提高抗彎加固性能。

4 結語

通過文中分災模式受彎梁承載力的公式建立以及實驗分析數據可知，基于分災模式的結構抗震加固方法在實際工程中是具備可行性的。在已有的結構抗震加固設計上，引入結構分災元件的思想，該方法不僅能夠提高原建筑結構的整體承載力，還能夠增強結構體系的整體延性和耗能性能，可較好地利用分災元件消減地震作用，提高了原有結構的可靠度，更好地保護了原有建筑結構的整體安全。