姜 麗，郭海浩，劉 琴

(1.安徽工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵 244000；2.東華工程科技股份有限公司，合肥 230024)

2008年汶川地震造成了極大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，尤其是中小學(xué)校校舍嚴重受損.基于此，國家重新修訂了抗震設(shè)防規(guī)范，進一步提高了中小學(xué)校抗震設(shè)防標準；重新劃分了地震動參數(shù)區(qū)劃圖，新修訂的全國地震動峰值加速度整體有適當提高，城市抗震設(shè)防水平也有所提高[1].部分地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高，導(dǎo)致許多既有建筑不再滿足新版抗震規(guī)范設(shè)防要求而需進行抗震加固.其中一部分建筑物接近設(shè)計使用年限、抗震能力低下[2]；還有一部分建筑物由于抗震設(shè)防烈度的提高，建筑物進行改建或擴建等原因，需要進行抗震加固.在抗震加固之前，往往需要對原結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定，并依據(jù)抗震鑒定結(jié)果選擇合理的加固方式.

對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震加固通常采用加大截面法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維織物(布)復(fù)合材加固法、增設(shè)支撐加固法、增設(shè)BRB加固法、基礎(chǔ)隔震加固法等[3-6].建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固主要從整體性考慮，保證結(jié)構(gòu)加固后具有良好的整體抗震性能[7].因此，需要提出多種結(jié)構(gòu)加固方案，經(jīng)過多種技術(shù)經(jīng)濟指標的對比之后，方可實施對結(jié)構(gòu)的加固，達到既經(jīng)濟高效又安全環(huán)保的目的.

1 工程概況

原建筑為辦公樓，設(shè)計建設(shè)于1992年，為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用柱下獨立基礎(chǔ)，主體5層，建筑高度約21 m.結(jié)構(gòu)采用的混凝土強度等級分別是：基礎(chǔ)為C20，基礎(chǔ)頂至4.2 m處柱為C30；4.2 m以上柱為C25；梁板均為C25.1層層高為4.2 m，其中5和6軸線之間為建筑通道；2～4層層高為3.6 m；5層1～3軸為樓梯間及衛(wèi)生間，層高為3.6 m，3～8軸原為學(xué)?；顒邮?，層高為5.6 m(跨度大，室內(nèi)無柱子).辦公樓建筑面積約2 100 m2，平面尺寸約28.8 m×14 m，平面形狀呈長方形，為單向框架結(jié)構(gòu)體系，見圖1.

圖1 原結(jié)構(gòu)一層平面

2 擬改造工程加固方案對比

原結(jié)構(gòu)抗震鑒定結(jié)果為：原辦公樓擬改造為中學(xué)宿舍樓，工程屬于重點設(shè)防類(乙類)，后續(xù)使用年限40 a(B類建筑)；本地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，中學(xué)宿舍樓為重點設(shè)防類，需要按比本地區(qū)設(shè)防烈度提高1度的要求核查其抗震性能[8].

根據(jù)收集的工程圖紙以及現(xiàn)場復(fù)核結(jié)果，采用PKPM軟件建立該建筑物的結(jié)構(gòu)分析模型.計算結(jié)果與原結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙對比得出：現(xiàn)有建筑基礎(chǔ)滿足抗震要求；現(xiàn)有建筑抗震措施不滿足抗震要求，主要包括存在部分框架柱軸壓比不足(其中5和6軸與A、B、C軸相交的框架柱軸壓比大于0.8)，框架梁和柱箍筋不滿足構(gòu)造要求；現(xiàn)有建筑部分梁和柱抗震承載力不滿足要求.

2.1 擬采取的加固方案

根據(jù)抗震鑒定結(jié)果，提出以下2種加固方案：

1)BRB為主的加固方案.增設(shè)屈曲約束支撐，形成BRB-混凝土框架結(jié)構(gòu)體系.對軸壓比不足的框架柱采用增大截面的方法進行加固；對配筋不足的框架梁或者框架柱采用外粘型鋼加固法和粘貼鋼板加固法進行加固.在第1層布置單斜桿屈曲約束支撐，屈曲約束支撐等效截面面積是2 500 mm2，屈服力取500 kN；在1層以上各層布置支撐有效截面面積是1 444 mm2，屈服力取300 kN.BRB布置詳見圖2～圖4.

圖2 1層BRB平面布置

圖3 PKPM模型BRB布置正面

圖4 PKPM模型BRB布置側(cè)面

2)增大截面法加固方案.對軸壓比不足的框架柱和對配筋不足的框架梁或者框架柱采用增大截面加固法進行加固.

2.2 加固方案技術(shù)經(jīng)濟指標對比

采用PKPM軟件對上述2種加固改造方案進行分析，分別得出其抗震性能、經(jīng)濟等指標，對比結(jié)果見表1.

表1 加固改造方案技術(shù)及經(jīng)濟指標對比

綜上，2種加固方案均安全可靠，滿足預(yù)定抗震性能的要求.由于BRB為主的加固方案工期短、造價低，對建筑使用功能影響小，可有效提高建筑的抗震性能；增大截面法加固方案既增加了施工工期，又影響了建筑的使用功能.因此，采用BRB為主的加固方案對該辦公樓改造宿舍樓建筑進行加固.

3 多遇地震下加固結(jié)構(gòu)在MIDAS/Gen中的整體指標對比

為了進一步檢驗采用BRB為主的加固方案后結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用MIDAS/Gen軟件與PKPM軟件對BRB為主的加固方案的結(jié)構(gòu)進行多遇地震作用下的振型分解反應(yīng)譜分析，并對結(jié)構(gòu)的多項整體指標進行對比分析，結(jié)果見表2和表3.

由表2和表3可知，采用BRB為主的加固方案后，結(jié)構(gòu)在2種軟件中的計算結(jié)果比較相近，由此可見整體結(jié)構(gòu)模型是可靠的，且在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)可以滿足規(guī)范的各項要求，驗證了BRB加固工程MIDAS/Gen模型的準確性.同時用該模型在MIDAS/Gen中做結(jié)構(gòu)的Pushover分析，獲取結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況，以此評價結(jié)構(gòu)是否滿足罕遇地震作用下的性能目標.

表2 質(zhì)量、周期與振型參與質(zhì)量系數(shù)對比

表3 各控制指標對比

4 基于Pushover分析方法的抗震性能評價

采用BRB為主的加固改造方案加固后的合肥六中學(xué)生宿舍樓結(jié)構(gòu)類型屬于鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)，按照多道防線的概念設(shè)計，支撐是第1道防線，鋼筋混凝土框架是第2道防線.因而結(jié)構(gòu)在受到地震作用時，支撐應(yīng)該先出現(xiàn)塑性鉸，然后是鋼筋混凝土框架中的梁和柱.由《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[9]可知，對于鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)并未給出其彈塑性層間位移角的限值.我國的鋼支撐-混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中鋼支撐雖承擔較大的水平力，但不及剪力墻，故本文取其彈塑性層間位移角限值為鋼筋混凝土框架與鋼筋混凝土框架-剪力墻的中間值，為1/75.采用MIDAS/Gen對加固后的結(jié)構(gòu)進行Pushover分析.

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

在MIDAS/Gen中，采用重力荷載代表值作為初始荷載.增量法中有荷載控制和位移控制.由于事先不清楚結(jié)構(gòu)的承載力，且對于民用建筑一般是以結(jié)構(gòu)的位移作為控制目標，故采用位移控制，并選用頂層的梁和柱交點處的1個主節(jié)點作為最大位移的控制點.

在Pushover鉸特性值的設(shè)置中，梁作為主要的抗彎構(gòu)件，選擇強軸和弱軸方向的彎矩My和Mz定義骨架曲線.由于構(gòu)件材料類型為鋼筋混凝土，故選擇FEMA骨架曲線.柱作為壓彎構(gòu)架或拉彎構(gòu)件，需要考慮軸力和彎矩之間的相互影響，因此在交互類型中選擇狀態(tài)“P-M-M”.與梁類似，其骨架曲線也采用FEMA.BRB采用桁架單元建立，由于其主要受軸向壓力和拉力，故鉸成分選擇Fx.BRB加固方案模型如圖5所示.

圖5 BRB加固方案模型

4.2 性能點確定

采用7度0.1 g的罕遇地震反應(yīng)譜作為需求譜，分別求出結(jié)構(gòu)在各側(cè)向加載模式下的性能點.結(jié)構(gòu)在X向平動模態(tài)分布模式作用下沿X向加載，通過迭代求出性能點，見圖6(a).由圖6(a)可知，性能點處加速度譜Sa=0.155 g，位移譜Sd=0.070 13 m，轉(zhuǎn)換成X向推覆能力曲線上的性能點，性能點處的位移為0.09 m，基底剪力為3 800 kN.結(jié)構(gòu)在Y方向平動模態(tài)分布模式作用下沿Y向加載，通過迭代求出性能點，見圖6(b).由圖6(b)可知，性能點處的加速度譜Sa=0.102 g，位移譜Sd=0.090 11 m，轉(zhuǎn)換成Y向推覆能力曲線上的性能點，性能點處的位移為0.13 m，基底剪力為2 500 kN.結(jié)構(gòu)在X向及Y向均可求出在罕遇地震作用下的性能點，由此可判斷結(jié)構(gòu)滿足“大震不倒”的性能目標.

4.3 塑性鉸狀態(tài)

在一階模態(tài)側(cè)向荷載模式作用下，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下性能點處的鉸狀態(tài)分布見圖7.由圖7可知，在罕遇地震作用下，屈曲約束支撐首先進入D狀態(tài)，塑性鉸發(fā)展較深，尤其是2，3，4層的塑性鉸發(fā)展最深；柱子的塑性鉸基本處于B狀態(tài)，并且在底層的塑性鉸發(fā)展較深；梁的塑性鉸也處于B狀態(tài)，數(shù)量較多.

圖7 一階模態(tài)下性能點處鉸分布

臨界破壞時梁、柱塑性鉸分布狀態(tài)見圖8.由圖8可知，梁、柱塑性鉸主要集中在第2層和第3層.在臨界破壞之前，梁比柱先出現(xiàn)塑性鉸；隨著梁、柱塑性鉸的發(fā)展，結(jié)構(gòu)趨于破壞.

圖8 臨界破壞時梁、柱塑性鉸分布狀態(tài)

Pushover分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下，各個構(gòu)件均未出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，滿足“小震不壞”的設(shè)計要求；在罕遇地震作用下，構(gòu)件中BRB首先出現(xiàn)較深的塑性鉸，而梁、柱塑性鉸發(fā)展不深，滿足支撐為第1道防線的設(shè)計要求；在結(jié)構(gòu)臨界失效前，梁比柱先出現(xiàn)較深的塑性鉸，當數(shù)量發(fā)展到一定程度后，結(jié)構(gòu)倒塌，喪失繼續(xù)承受側(cè)向力的能力，結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求.

4.4 層間位移角

Pushover推覆至性能點時，結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下性能點處X向最大層間位移角出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的第1層，為1/158；Y向最大層間位移角出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的第4層，為1/588，均滿足彈塑性層間位移角限值1/75的彈塑性變形要求.

5 結(jié)論

1)在抗震加固中采用BRB為主的加固方式比單純采用增大截面法更經(jīng)濟，同時還減少了對建筑使用功能的影響.

2)采用MIDAS/Gen軟件對以BRB為主的加固方案的結(jié)構(gòu)進行Pushover分析，結(jié)果表明BRB能夠有效成為結(jié)構(gòu)的第1道抗震防線；由構(gòu)件的塑性鉸發(fā)展狀態(tài)可知，結(jié)構(gòu)滿足“強柱弱梁”的設(shè)計要求；在罕遇地震作用下，最大彈塑性層間位移角為1/158，小于1/75，滿足“大震不倒”的性能目標.