陳 特

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江金華 322100）

單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固方法的分析比較

陳 特

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江金華 322100）

現(xiàn)階段，比較常用的幾種單跨框架結(jié)構(gòu)加固方法主要有增設(shè)框架柱加固法和增設(shè)剪力墻加固法以及增設(shè)屈曲約束支撐加固法，三種方法在目前的建筑結(jié)構(gòu)加固過程中發(fā)揮出了重要的作用。本文中以一學(xué)校的單跨框架結(jié)構(gòu)的教學(xué)樓為例，對單框架結(jié)構(gòu)抗震加固的幾種方法進行了詳細(xì)的對比分析，希望對日后相關(guān)工作提供一定的借鑒和幫助。

單框架結(jié)構(gòu) 抗震加固 剪力墻 屈曲約束

引言

在現(xiàn)階段的我國中小學(xué)校舍建設(shè)中，采用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式就是單跨框架結(jié)構(gòu)，由于該結(jié)構(gòu)具有較少的超靜定次數(shù)、較小的抗側(cè)剛度，同時耗能能力也比較弱，因此在歷次的地震災(zāi)害中，單跨架構(gòu)所受到的損害是比較嚴(yán)重的。在我國中小學(xué)，一顯著特點就是人員集中程度普遍較高，一旦由于地震導(dǎo)致校舍的坍塌，那么勢必會造成重大的人員傷亡，嚴(yán)重威脅到師生們的生命安全，所以現(xiàn)在已經(jīng)將校舍建設(shè)工作提高到了重點設(shè)防類建筑項目。目前相關(guān)規(guī)定中明確表示，對于乙類建設(shè)項目已不得再使用單跨框架結(jié)構(gòu)，對于之前已經(jīng)應(yīng)用的單跨結(jié)構(gòu)也要進行必要的抗震加固工作。

一.工程概況

某學(xué)校4層教學(xué)樓，采用混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)；其具體結(jié)構(gòu)尺寸如下：單跨跨度為6米，開間為3.6米，外挑走廊寬度為2.1米，框架柱具體尺寸為400毫米*400毫米，縱向框架梁尺寸為250毫米*350毫米，橫向框架梁尺寸為250毫米*550毫米，連梁尺寸為250毫米*250毫米。工程中所有的空心樓板、柱、梁均采用型號為C25的混凝土，受力鋼筋為HRB335級鋼筋。設(shè)定場地類別為IV類，采用的放烈度為7度，地震加速度為0.1g。

二．加固方案

常見的加固方法有以下三種：

（一）增設(shè)框架柱加固法

在教學(xué)樓建筑中由于懸挑走廊的存在，使得結(jié)構(gòu)的剛度中心與質(zhì)量中心發(fā)生了一定程度的偏移，導(dǎo)致在地震的作用下框架結(jié)構(gòu)很容易就會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形。在主框架軸上加設(shè)一排框架柱便可有效地解決此問題。在橫向上，促使結(jié)構(gòu)成為了一種雙跨框架。新增框架其界面尺寸為300*300毫米，所用混凝土依然為C25型號。

（二）增設(shè)屈曲約束支撐加固法

屈曲約束支撐有效的解決了普通支撐穩(wěn)定性較差的問題，同時還有效的減小了支撐截面面積，促使結(jié)構(gòu)的剛度明顯降低，使得結(jié)構(gòu)地震的作用得到了最大化的減低，同時也促使結(jié)構(gòu)的延性性能及耗能能力得到了明顯的加強。在目前的加固工程中，屈曲約束支撐得到了廣泛的使用，而且發(fā)揮出了優(yōu)異的效果。約束支撐的應(yīng)用能夠減少了加固工程的工程量，降低的工程造價，同時還極大地提高了單跨框架結(jié)構(gòu)的設(shè)防等級，結(jié)構(gòu)耗能能力也得到了明顯的改善。在本文案例中，采取的增設(shè)屈曲約束，其中縱向支撐采取的是單斜撐布置，而橫向支撐采取的是人字形布置，其有效支撐面積取2500平方毫米，屈服力為300KN。

（三）增設(shè)剪力墻加固法

樓梯作為地震發(fā)生時的主要逃生通道，因此在樓梯兩側(cè)增設(shè)剪力墻進行結(jié)構(gòu)加固就顯得尤為重要。另外；由于教室在形狀上是長方形，因而為了有效地減小溫度裂縫，縱向剪力墻盡量避免在平面的兩端進行布置。綜合考慮教學(xué)樓的使用功能，現(xiàn)將剪力墻后去取150毫米，混凝土為C25型號。

三．多遇地震下的反應(yīng)譜分析

對單跨框架結(jié)構(gòu)加固前后，通過MIDAS/GEN的應(yīng)用來完成多遇地震下的反應(yīng)譜分析。對于原結(jié)構(gòu)的計算模型記為M0，而對于采用了上述三種單跨框架結(jié)構(gòu)加固方法的模型分別記為M1，M2和M3.

無論是采用上述三中的哪一種加固方法，單跨框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度在一定程度上都得到了提高，在多遇地震的環(huán)境中，其最大層間位移也明顯的減小，其中通過實施增設(shè)屈曲約束支撐及剪力墻的加固方法，取得的效果相比于增設(shè)框架柱的方法要更為明顯。

四．罕遇地震環(huán)境下的靜力彈塑性分析

（一）基本原理

靜力彈塑性在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)抗震性能的評估過程中具有極為廣泛的應(yīng)用。靜力彈塑性分析法就是將與沿結(jié)構(gòu)高度按一定形式分布的地震作用力等效的側(cè)向力施加于單跨框架結(jié)構(gòu)，并不斷的加強該側(cè)向力，促使單跨框架結(jié)構(gòu)實現(xiàn)由最初的彈性狀態(tài)向塑性狀態(tài)的逐漸轉(zhuǎn)變，直至實現(xiàn)預(yù)定的塑性目標(biāo)位移。對單跨框架結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析，能夠發(fā)現(xiàn)在罕遇地震的環(huán)境下所存在的薄弱環(huán)節(jié)及潛在的破壞機制。

依據(jù)美國的FEMA抗震評估方法，可以將結(jié)構(gòu)中的各種塑性鉸本構(gòu)關(guān)系進行具體歸納，將評估所得到的關(guān)系曲線分為了四個階段：1）彈性段；2）強化段；3)卸載段；4）塑性段。

上述三種加固方法的實施，除模型M3的縱向目標(biāo)位移取150毫米之外，其他模型均取300毫米。一般載荷的加載模式有三種，包括均勻分布、SRSS分布及倒三角形分布。對于結(jié)構(gòu)在地震過程中的全部變形和受力情況，目前還沒單一的一種荷載分布模式來反應(yīng)，所以在分析過程中一般會采取多種（至少兩種）荷載分布模式。

（二）靜力彈塑性結(jié)果分析

通過對上述四個基本模型進行橫向及縱向的分析，分別得到了四個模型的橫向及縱向的頂點位移剪力曲線。在應(yīng)用的增設(shè)框架柱的加固方法后，使得框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及承載力都有所提高，同時延性也略有降低；而采用的增設(shè)屈曲約束支撐加固方法，在實現(xiàn)了框架抗側(cè)剛度及承載能力明顯提高的同時，延性降低效果也比較明顯；采用增設(shè)剪力墻加固后，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度及承載能力得到了大幅度的提高，在曲線下降到一定程度后又出現(xiàn)了繼續(xù)升高的趨勢，同時上升段的直線斜率同M0曲線出時段的斜率相近，這也說明了當(dāng)?shù)卣鹱饔脹_破了作為第一道防線的剪力墻之后，作為第二道防線的框架開始替代剪力墻承受地震作用。

從模型M0到M3，隨著結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的不斷加大，橫向、縱向上的層間位移出現(xiàn)了逐漸減小的現(xiàn)象，采取增設(shè)剪力墻及增設(shè)屈曲約束加固的方法能夠促使在縱向上的層間位移角度得到了明顯的降低效果。在M0模型中，其底層及2層框架梁的端部最先出現(xiàn)了塑性鉸，而后再三層框架的接近走廊端出現(xiàn)塑性鉸，在臨近性能點時，底層框架柱根部出現(xiàn)塑性鉸；而在M1模型中，底層和2層框架梁的端部及新增框架柱的根部最先出現(xiàn)塑性鉸，隨后在3層新增框架柱頂部及三層框架梁端部出現(xiàn)塑性鉸，臨近性能點時，所有的原框架柱根部出現(xiàn)塑性鉸；而在M2模型中，屈曲約束支撐的中部最先出鉸，在接近性能點時，所加設(shè)的支撐的底層框架梁兩端及2層框架梁靠近走廊端的邊跨框柱根部出鉸。在模型M3中，僅在性能點時刻，底層和2層的局部框架柱及縱向剪力墻出鉸。

從上述的塑性鉸發(fā)展過程分析，采取的增設(shè)屈曲約束支撐及增設(shè)剪力墻使結(jié)構(gòu)體系得到了有效地固化，同時還增設(shè)了多道防線，促使單跨框架結(jié)構(gòu)在地震時能夠具有更強的穩(wěn)定性。

五．結(jié)語

單跨框架加固的方法應(yīng)用比較廣泛的有三種，其一是增設(shè)框架柱，其二是增設(shè)屈曲約束支撐，其三是增設(shè)剪力墻。通過文中對三種方法的詳細(xì)對比分析，最終得出，增設(shè)屈曲約束支撐及增設(shè)剪力墻相比于增設(shè)框架柱的方法具有更為顯著的加固效果，前兩種方法能夠給結(jié)構(gòu)帶來很大的剛度和承載能力，同時又保證了結(jié)構(gòu)主體的安全性能，另外還具備施工簡單，無濕作業(yè)的優(yōu)點，應(yīng)該得到進一步的推廣。

[1]華飛翔. 中小學(xué)校舍單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)比較分析[D].合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[2]李鵬. FRP抗震加固RC框架結(jié)構(gòu)的動力時程分析[D].濟南大學(xué),2013.

[3]吳善能,湯翔. 幾種單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固方法的比較[J]. 四川建筑科學(xué)研究,2012,04:160-164.

[4]連軍. 單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固與改造[J]. 土木建筑與環(huán)境工程,2012,S1:25-27.

[5]段貴明,史鐵花. 單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固方法研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2010,05:72-73.

[6]胡凱,儲雋,謝宇峰,瞿革. 某單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計與分析[J]. 建筑結(jié)構(gòu),2010,S2:7-9+20.

[7]高朝陽. 損傷混凝土框架抗震加固Pushover分析[D].鄭州大學(xué),2013.

[8]王財權(quán). 單跨框架結(jié)構(gòu)翼墻加固抗震性能研究[D].中國地震局工程力學(xué)研究所,2012.

[9]杜志強. 基于性能的RC框架結(jié)構(gòu)抗震加固研究[D].沈陽建筑大學(xué),2011.

[10]駱劍峰. 框架結(jié)構(gòu)靜力與動力彈塑性抗震分析對比研究[D].同濟大學(xué),2007.

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1007-6344（2015）12-0100-01

陳特 浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江金華 322100 男 198901 浙江金華 研究生 職稱無 研究方向：結(jié)構(gòu)工程