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2023年7月总第337期陕西建筑1 8某框架结构办公楼采用屈曲约束支撑加固的抗震性能研究李伟朋（西部建筑抗震勘察设计研究院有限公司 西安 7 1 0 0 0 0）摘 要：经历多次震害表明抗震加固可以有效提高既有建筑的抗震性能。结合陕西某办公楼拟改造为公寓的实例，对既有建筑改造时如何抗震加固进行了探讨，并根据抗震鉴定结果，对提出的以屈曲约束支撑(简称为B RB)为主的加固方案、增设抗震墙、增大截面法加固方案对比分析其技术经济指标，结果表明以B RB 为主的加固方案比单纯采用增大截面和增设抗震墙方案更经济，同时还减少了对建筑使用功能的影响；对拟采用的以B RB 为主的加固方案进行了弹性时程分析和罕遇地震作用下变形验算，结果表明B RB 能有效成为结构的第1 道抗震防线，满足“强柱弱梁”的结构设计要求和“大震不倒”的性能目标。关键词：多层框架结构；加固设计；防屈曲支撑；时程分析；抗震性能中图分类号：T U 3 1 文献标识码：A建筑设计与建筑结构作者简介：李伟朋，本科，工程师，主要研究方向：建筑结构。0 引言地震作为自然灾害之一，一直影响着人类的生活，特别是在房屋建筑中，因此抗震是房屋设计中一个重要的要素之一。传统的结构抗震思路，一般采用硬抗的思路，采用增强结构竖向和水平向抗侧力构件，提高结构的整体抗侧力能力来抵抗地震作用，这样势必要求结构构件具有较大尺寸和配筋，是一种消极被动的抗震方式。近几十年来，工程减震作为一种新兴的抗震思路，得到了快速发展和广泛应用。工程减震一般包括耗能减震、消能减震和基础隔震三种类型，其中消能减震和消能减震合称为减震，基础隔震简称为隔震。减震主要指在结构一些部位采用消能（耗能）构件（如屈曲约束支撑、阻尼墙等）在地震时消耗地震作用，从而提高结构的抗震性能；隔震主要是在结构某一层（如基础顶、顶板或上部某一楼层）设置隔震支座，隔绝地震减少地震作用传递给主体结构，从而抵抗地震作用。在减震中，屈曲约束支撑（简称B R B）作为一个比较好的耗能材料被广泛使用，本文主要通过一个案例阐述屈曲约束2023年7月总第337期陕西建筑1 9支撑作为耗能构件在抗震加固项目中的应用。1 工程概况本工程位于陕西省西安市，该建筑原设计为办公楼，本次建筑改造后的使用功能为职工宿舍，建造于1 9 8 2 年，为现浇混凝土框架结构，地上五层框架结构，采用柱下独立基础，首层层高为5.8 0 0 m，其余各个标准层层高为4.2 0 0 m，平面尺寸约2 8.8 m 1 4 m，办公楼建筑面积约4 7 0 0 m2，平面形状呈长方形，标准层结构平面布置图详见（图1）。结构梁、柱混凝土等级均为C 3 0。抗震设防类别为标准设防类，设防烈度为8 度0.2 0 g，设计地震分组为第二组，场地类别为类，特征周期为0.4 5 s，抗震等级为二级，基本风压为0.3 5 k N/m2，基本雪压为0.2 5 k N/m2。结构柱截面尺寸均为5 0 0 m m 5 0 0 m m，框架梁的主要截面尺寸为2 5 0 m m 7 5 0 m m，楼板均为预制楼板。2 结构加固方案对比原结构抗震鉴定的结果为：原办公楼拟改造职工宿舍楼，工程属于抗震设防属于标准设防类。根据现行的建筑抗震鉴定标准（G B 5 0 0 2 3 2 0 0 9 1 第1.0.4条之规定，其后续使用年限为3 0年，属于A 类砌体房屋后续使用年限3 0 年(A 类建筑)；本地区原设计抗震设防烈度为7 度区，本次加固改造需按现行8 度抗震设防的要求核查其抗震性能。根据收集的工程图纸以及现场复核结果，采用P K P M系列软件建立该建筑物的结构模分析计算。计算结果与原结构设计图纸对比得出结果：（1）现有建筑基础满足抗震要求。（2）现有建筑抗震措施不满足抗震要求。（3）主要包括存在部分框架柱轴压比不满足计算要求，框架梁和柱箍筋不满足构造要求。（4）现有建筑部分梁和柱抗震承载力不满足要求。2.1 拟选用结构加固设计方案依据混凝土结构加固设计规范G B 5 0 3 6 7-2 0 1 3 和建筑抗震加固技术规程J G J 1 1 6-2 0 0 9 之规定，提高结构整体抗侧刚度和构件承载力，宜选择下列加固方法见表1：2.2 加固设计方案计算技术指标对比本工程采用北京构力科技有限公司P K P M减隔震模块软件对上述3 种加固设计方案进行计算图1 标准层结构平面布置图2023年7月总第337期陕西建筑2 0加固方法适用范围优缺点增大截面法适用范围较广，用于梁、板柱、墙等构件及一般构筑物的加固，特别是原截面尺寸显著偏小及轴压比明显偏高的构件加固。优点:有长期的使用经验，施工简单，适应性强。缺点:湿作业，施工期长，构件尺寸的增大可能影响使用功能和其他构件的受力性能。增设抗震墙适用于多高层建筑，结构整体刚度较小及抗震加固。优点:能大幅度提高结构整体性和抗震能力。缺点:新旧结构可能存在差异沉降，新增结构构件可能影响使用功能。粘贴钢板适用于钢筋混凝土受弯、斜截面受剪、受拉及大偏心受压构件的加固。构件截面内力存在拉压变化时慎用。优点:施工简便快速，原构件自重增加小，不改变结构外形，不影响建筑使用空间。缺点:有机胶的耐久性和耐火性问题，钢板需进行防腐防火处理。增设屈曲约束支撑屈曲约束支撑作为一种抗震耗能构件，有着抗震性能好，实用性强，经济环保甚至能缩短工期等优势，已广泛应用到各种建筑中。屈曲约束支撑不同于普通支撑，小震下可以提供结构刚度，在中震和大震时，在提供结构刚度的同时，又起到耗能的作用，保护建筑主体结构、防止建筑倒塌。优点：屈曲约束支撑可以在小震时提供很好的抗侧刚度，减小基底地震剪力，在中大震时可以提供很好的耗能能力，确保结构能很好地抵抗地震作用。分析（图2），P K P M 计算模型详见图3。分别得出其抗震性能、经济等指标，对比结果详见表2。综上所述，经计算分析可知，以上3 种加固方案均安全可靠，可满足预定抗震性能的要求。考虑经济效益，减少施工工序，降低施工成本，同时保证安全可靠、适用性强等因素。由增设屈曲约束支撑B R B 为主的加固方案工期短、造价低，对建筑使表1 框架结构常用的加固设计方法图2 标准层屈曲约束平面布置图2023年7月总第337期陕西建筑2 1加固设计方案技术指标屈曲约束支撑（BRB）法增大截面法 增设抗震墙周期比0.750.860.87位移比1.211.351.25层间位移角1/7511/7411/820楼层承载力之比大于0.8大于0.8大于0.8刚度比大于1.0大于1.0大于1.0建筑使用功能影响较小大大第1平动周期（S）第2平动周期（S）周期比原结构1.2081.1850.916增设BRB结构0.8080.7460.750楼层加固前加固后X向层间位移角Y向层间位移角X向层间位移角Y向层间位移角1F1/4181/3801/8031/7512F1/4451/4361/7711/7023F1/5251/5081/8761/7964F1/6721/6431/10141/9955F1/7381/8561/16941/1534用功能影响很小，可有效提高结构整体抗侧刚度、构件抗震承载力；增大截面法加固方案既增加了施工工期，又影响了建筑的使用功能；增设抗震墙影响建筑外立面门窗洞口，采光受限，新旧结构可能存在差异沉降，湿作业施工周期长。因此，本工程采用以B R B 屈曲约束支撑为主的加固方案对该办公楼进行加固设计。3 布置B R B 后结构在振型分解反应谱法和弹性时程分析结果 3.1 振型分解反应谱分析结果对原结构和加固后结构使用S A T WE 程序进行反应谱分析计算时，采用刚性楼板假定，结构阻尼比取5%，周期折减系数取0.7 0，计算中考虑双向地震作用和偶然偏心地震作用。两种结构计算结果如下。由表2 可以看出，原结构周期比为0.9 1 6，不满足规范限值0.9，加固后结构周期比为0.7 5 0，满足规范要求。说明增加 B R B 屈曲约束支撑构件可以改善结构的抗扭刚度，减少结构所受的扭转效应；同时，支撑提供的附加刚度可以显著减小层间位移，达到减少构件地震损伤的效果。规范要求框架结构弹性层间位移角不应大于1/5 5 0。由表3 表4可以看出，结构在加固前和加固图3 PKPM计算模型图表2 结构加固方案技术指标对比结果表3 结构扭转周期比对比表4 原结构和加固结构位移角对比表2023年7月总第337期陕西建筑2 2后均能满足规范要求，但使用屈曲约束支撑B R B 构件加固后结构的最大层间位移角由原先的1/3 8 0减小为1/7 5 1，说明屈曲约束支撑B R B 构件能够实现预期的设计目标，在多遇地震作用下，屈曲约束支撑B R B 构件处于弹性工作状态，增加小震作用下结构的整体刚度。3.2 弹性时程分析结果建筑消能减震技术规程 3 J G J 2 9 7-2 0 1 3 第4.1.2 条之规定，当消能减震结构主体结构处于弹性工作状态，且消能器处于非线性工作状态时，可将消能器进行等效线性化，采用附加有效阻尼比和有效刚度的振型分解反应谱法、弹性时程分析法进行补充计算。本工程使用P K P M软件S A T WE 程序对两种结构进行弹性时程分析，根据建筑抗震设计规范 2（G B 5 0 0 1 1-2 0 1 0）5.1.2条所列选波 件，经过试算，最终选取R H 3 T G 0 4 0（人工波）、G I L R O Y _ N O _ 2 0 3 9（天然波）和L O MA P R I E T A _ N O _ 7 3 9（天然波）三条地震波进行分析。分析时，输入地震主分量峰值加速度为7 0 c m/s2，阻尼比为0.0 5。双向地震波输入时，主次方向峰值加速度按照1 0.8 5 的比例进行调整，计算结果如表5 7 所示。由表5 7 可知，在多遇地震作用下，加固前结构的层间位移角不满足规范要求，结构整体刚度较小。经增设屈曲约束支撑B R B 构件加固后的结构层间位移角约减小3 5%，由此可以看出，加固后结构整体刚度明显增强。楼层加固前位移角加固后位移角X 向Y向X 向Y向5F1/11371/10891/17611/16444F1/7121/6991/11321/10533F1/5931/5741/9021/8512F1/4841/4731/7981/7581F1/4311/3851/8201/839楼层加固前位移角加固后位移角X 向Y向X 向Y向5F1/9921/9441/13451/12874F1/5891/5651/8991/8653F1/4611/4391/7701/7022F1/4101/3921/7291/7451F1/4101/3681/7341/785楼层加固前位移角加固后位移角X 向Y向X 向Y向5F1/12721/13331/23411/21334F1/7911/8451/15161/13663F1/6551/7071/12301/10752F1/5961/6451/11181/9561F1/4251/4901/11241/1023表5 弹性时程分析楼层位移角（地震波：RH3TG040）表6 弹性时程分析楼层位移角（地震波：GILROY_NO_2039）表7 弹性时程分析楼层位移角（地震波：LOMAPRIETA_NO_739）2023年7月总第337期陕西建筑2 34 罕遇地震下结构弹塑性变形结果分析建筑抗震设计规范 2 G B 5 0 0 1-2 0 1 0 第5.5.2 条之规定，采用隔震和消能减震设计的结构应进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算。规范给出了三种计算方法，即考察楼层屈服强度系数的简化计算方法，静力弹塑性分析方法(P u s h o v e r 法)和动力弹塑性时程分析法。本项目采用E P D A 软件对加固前和加固后的结构分别进行罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。在计算模型中，梁、柱等杆件均采用纤维束模型，混凝土本构模型采用三线性模拟，钢筋本构模型采用双线性应力应变关系模拟。弹塑性时程分析所选地震波与弹性时程分析所选波一致，采用双向地震输入，主分量峰值加速度按规范取值为4 0 0 c m/s2，主、次方向峰值加速度比值为1 0.8 5，不考虑竖向地震作用，地震持续时间为3 0 s，地震波时间间距取0.0 2 s，阻尼比取8%。由图4 5 可以看出，原结构在罕遇地震作用下，楼层最大楼层位移为2 7 7.6 m m，最大层间位移角为1/3 9。由图6 7 可以看出，在使用屈曲约束支撑B R B 构件对结构进行加固后，结构在罕遇地震作用下，最大楼层位移为1 0 0.3 m m，最大层间位移角分别为1/1 5 1。综上所述，增设屈曲约束支撑B R B加固后结构整体刚度变大，结构的弹塑性变形变小，在一定程度上可以防止因填充墙和门窗等建筑围护构件破坏而带来的伤害。通过E P D A 软件计算结果显示，大震作用下所有B R B 的轴力值介于屈服承载力与极限承载力之间，即构件进入屈服阶段，起到了消耗地震力保护主体结构的作用。以薄弱层X 向和Y 向布置的两根支撑为例，表8 给出了构件最大内力和最大变形，图8 9所示为B R B 构件在大震下的屈曲滞回曲线。在罕遇地震作用下，B R B 构件可以有效地减小结构在地震中受到的破坏，增加了结构的抗震防线，防止结构在地震作用下发生整体坍塌。图4 原结构的楼层最大位移图5 原结构的楼层最大层间位移角2023年7月总第337期陕西建筑2 4图6 加固后结构的楼层最大位移值 图7 加固后结构的层间位移角5 结语（1）屈曲约束支撑应用于钢筋混凝土框架结构加固改造工程，能有效调整结构刚度，提供附加阻尼，增加结构延性并控制变形。在抗震加固中采用B R B 为主的加固方式比单纯采用增大截面法更经济，同时还减少了对建筑使用功能的影响。（2）采用E P D E 软件对以B R B 为主的加固方案的结构进行弹性时程分析和罕遇地震作用下变形验算分析，结果表明B R B 能够有效成为结构的第1 道抗震防线；由构件的塑性铰发展状态可知，结构满足“强柱弱梁”的设计要求；在罕遇地震作用下，最编号屈服承载力（KN）屈服位移（mm）极限承载力（KN）最大轴力（KN）最大变形量（mm）BRB112006.81800159810.1BRB212006.81800164010.9表8 罕遇地震下屈曲约束支撑BRB的最大内力和变形图8 第1层屈曲约束支撑X向的滞回耗能曲线2023年7月总第337期陕西建筑2 5大弹塑性层间位移角为1/1 5 1，小于1/5 0，满足“大震不倒”的性能目标。（3）B R B 在多遇地震下处于弹性变形阶段，为结构提供固定的抗侧刚度，提高抗震承载力；在罕遇地震作用下进入塑性变形阶段，力位移滞回曲闭合饱满，耗能效果明显。（4）加固后，结构在各水准地震作用下的抗震性能指标均能满足规范要求，实现了抗震性能的提升。（5）屈曲约束支撑B R B 布置灵活，施工便捷，并能显著减少加固工程量，具有良好的经济效益，广泛用于框架结构加固改造项目中。参考文献 1 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震鉴定标准:G B 5 0 0 2 3 2 0 0 9 S .北京:中 国建筑工业出版社,2 0 0 9.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:G B 5 0 0 1-2 0 1 0 S .北京:中 国建筑工业出版社,2 0 1 6.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑消能减震技术规程:J G J 2 9 7-2 0 1 3 S .北京:中 国建筑工业出版社,2 0 1 3.图9 第1层屈曲约束支撑Y向的滞回耗能曲线