李蔚興，練俊江

(1.重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016；2.重慶北緯建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司，重慶 401120)

0 前 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，大量老舊建筑物在性能上已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的要求，尤其是安全標(biāo)準(zhǔn)。但是拆除老舊建筑物需要耗費(fèi)大量的財(cái)力和人力，因此，加固改造成為一種有效的方式。加固改造的建筑物需要滿足承載力及抗震的要求。眾多學(xué)者對此做了一系列研究，并取得了豐碩的科研成果。桂國慶等[1]基于三維有限元軟件建立數(shù)值模型，研究了地震作用下高層多塔連體結(jié)構(gòu)連廊的動(dòng)力響應(yīng)，對相關(guān)敏感參數(shù)進(jìn)行了影響因素分析。鄒昀[2]基于上海環(huán)球金融中心大廈結(jié)構(gòu)，通過ANSYS數(shù)值模擬軟件建立大型三維模型，研究了地震作用下上海環(huán)球金融中心大廈的動(dòng)力響應(yīng)，并對抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。吳剛等[3]基于某實(shí)際工程，對外貼 CFRP 加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。白雪霜等[4]基于某實(shí)際工程，對現(xiàn)有建筑抗震鑒定地震動(dòng)參數(shù)取值進(jìn)行研究。本文基于三維有限元軟件ANSYS建立三維模型，對某加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為相關(guān)工程提供指導(dǎo)意見。

1 工程概況

某廠房為五層框架結(jié)構(gòu)。廠房首層層高5.2 m，其余層層高3.5 m。廠房建筑面積約4 200 m2。廠房所在地區(qū)設(shè)防烈度8度，基本地震加速度值為0.20 g。該廠房框架柱的截面為500 mm×500 mm和600 mm×600 mm，框架梁截面尺寸為450 mm×1 100 mm和350 mm×700 mm。該廠房于2002年建造完成并投入使用。因?qū)S房功能進(jìn)行升級，廠房原設(shè)計(jì)功能不能滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，需要對廠房進(jìn)行加固改造。該項(xiàng)目采用CFRP法加固首層及二層部分框架柱和框架梁。

2 有限元三維數(shù)值模型

圖1為加固結(jié)構(gòu)模型示意圖。模型按照實(shí)際尺寸建模。圖2為地震時(shí)程曲線。

圖1 模型示意圖

圖2 地震波時(shí)程曲線

3 結(jié)果分析

圖3給出了加固前后的結(jié)構(gòu)第一振型結(jié)果。圖中可以看出，加固改造對結(jié)構(gòu)剛度影響顯著，加固后的結(jié)構(gòu)頻率明顯增大。說明CFRP 加固對提升結(jié)構(gòu)整體剛度有顯著效果，結(jié)構(gòu)頻率顯著增大。

(a)加固前第一振型

通過對結(jié)構(gòu)模型數(shù)值結(jié)果中的其他振型和固有頻率的提取后可知，加固前后的第二振型至第五振型所對應(yīng)的固有頻率如下：第二振型的未加固的頻率為1.001 8 Hz，CFRP加固后的頻率為1.189 4 Hz，較未加固時(shí)增大了18.73%；第三振型的未加固的頻率為1.13 Hz，CFRP加固后的頻率為1.354 6 Hz，較未加固時(shí)增大了19.87%；第四振型的未加固的頻率為3.225 4 Hz，CFRP加固后的頻率為3.624 8 Hz，較未加固時(shí)增大了12.38%；第五振型的未加固的頻率為3.294 4 Hz，CFRP加固后的頻率為3.698 3 Hz，較未加固時(shí)增大了12.26%。可見CFRP加固能提高該框架結(jié)構(gòu)廠房的固有頻率。又根據(jù)自由度體系方程：

(1)

式中，ω為固有頻率；m為質(zhì)量；k為固有圓頻率。CFRP使房屋質(zhì)量增加較小，其固有頻率增大，致使其剛度變大。

各樓層的位移角和層間位移是控制結(jié)構(gòu)最大變形的指標(biāo)，辨別結(jié)構(gòu)最薄弱部位的參數(shù)。

圖4給出了地震作用下框架結(jié)構(gòu)廠房的各層位移和層間位移角。如圖4(a)所示，結(jié)構(gòu)位移隨著樓層逐漸增大，但是增大幅度慢慢減小。在廠房底層，未加固時(shí)的1層位移為24 mm，加固后的1層位移為22 mm；未加固時(shí)的2層位移為43 mm，加固后的2層位移為39 mm；未加固時(shí)的3層位移為55 mm，加固后的3層位移為47 mm；未加固時(shí)的4層位移為65 mm，加固后的4層位移為57 mm；其加固后層間位移均減小了約10%左右。從圖4(b)中可以看出，廠房的最大層間位移角出現(xiàn)在第一層，即為薄弱層。采用CFRP加固后的廠房各層層間位移角均較加固前的廠房各層層間位移角有顯著減小?？梢妼蚣芙Y(jié)構(gòu)廠房采用CFRP加固能有效提升結(jié)構(gòu)的安全性。

(a)位移

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，地震作用下結(jié)構(gòu)的峰值加速度為220 cm/s2，此時(shí)其未加固頂點(diǎn)的最大位移為70 mm，CFRP加固后的頂點(diǎn)的最大位移為63 mm，較未加固時(shí)的點(diǎn)的最大位移減小了約10%。通過對未加固和加固下的頂點(diǎn)最大位移比較可知，CFRP加固后的頂點(diǎn)的最大位移較未加固時(shí)顯著減小，CFRP加固后結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度得到了提高，抗側(cè)移能力也得到了提高。在地震作用下水平位移減少，CFRP加固效果顯著。

圖5給出了加固前后基底剪力與頂點(diǎn)位移的變化曲線。從圖中可以看出，當(dāng)采用CFRP加固后的曲線斜率比未加固的時(shí)的曲線斜率大，說明CFRP加固能顯著提高結(jié)構(gòu)本身的剛度。這是因?yàn)榈讓又募庸烫岣吡私Y(jié)構(gòu)底層的剛度。進(jìn)一步觀察曲線可以發(fā)現(xiàn)，采用CFRP加固可以顯著提升結(jié)構(gòu)的延性，相比未加固前的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的延性提高了約9.5%，結(jié)構(gòu)的承載力提高了約24%。

圖5 加固前后基底剪力與頂點(diǎn)位移的變化曲線

綜上所述，CFRP加固從加固效果上來說，能顯著改善結(jié)構(gòu)的延性，同時(shí)顯著提升結(jié)構(gòu)承載力和結(jié)構(gòu)剛度。抵抗地震的能力也較未加固時(shí)顯著提高。

4 結(jié) 論

本文以某5層框架結(jié)構(gòu)廠房為背景，基于三維有限元軟件ANSYS建立三維模型，分析了地震作用下框架結(jié)構(gòu)加固后的動(dòng)力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，廠房結(jié)構(gòu)的最大層間位移角出現(xiàn)在第一層，即為薄弱層。采用CFRP 加固后位移和層間位移角均顯著減小，CFRP 加固對提升結(jié)構(gòu)整體剛度、改善結(jié)構(gòu)延性及提高抵抗地震的能力有顯著效果。可見對框架結(jié)構(gòu)廠房采用CFRP加固能有效提升結(jié)構(gòu)的安全性。

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