低烈度区单跨框架结构基于性能的抗震加固设计.pdf

第 卷第 期 年 月土木工程与管理学报 .:./.收稿日期:修回日期:作者简介:周志锦()男湖南湘乡人硕士高级工程师研究方向为房屋建筑结构设计(:.)基金项目:国家自然科学基金()低烈度区单跨框架结构基于性能的抗震加固设计周志锦 罗晓勇 冯 欢 陈轶君 孟 灿 吕伟荣(.湘潭市建筑设计院集团有限公司 湖南 湘潭.娄底市施工图审查服务有限公司 湖南 娄底.华中科技大学 土木与水利工程学院 湖北 武汉.湖南科技大学 土木工程学院 湖南 湘潭)摘 要:在城市更新过程中不可避免地需要对既有老旧建筑进行抗震加固 对低烈度区的多层框架结构地震作用往往不起控制作用依据高强度低延性的抗震原则可采用基于性能的抗震加固设计方法根据对结构抗震性能的评估采取相应的抗震加固措施 本文以某低烈度区多层单跨框架建筑改造工程为例对其结构进行鉴定分析和承载力加固设计并在此基础上进行基于性能的抗震加固设计根据结构体系的特点补充了结构的稳定性分析以此评估结构抗倒塌性能制定结构的抗震性能目标进行了不同地震动水准下的性能分析和抗震性能评估 相比常规抗震加固设计本工程采用基于性能的抗震加固方法仅需采用较少的抗震加固措施即可满足结构的抗倒塌和抗震性能经济效益明显关键词:抗震性能 抗震加固设计 单跨框架结构 低烈度抗震设防区 既有建筑中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.土木工程与管理学报 年:随着城市发展方式的转变城市更新已经成为城市建设的重要组成部分在城市更新过程中因建筑品质提升和使用功能改变等原因不可避免需对既有老旧建筑进行改造升级 既有建筑鉴定与加固通用规范要求既有建筑的加固应进行承载能力加固和抗震能力加固 年我国第五代地震动参数区划图颁布全国设防参数整体上得到了提高城镇不再出现地震动峰值加速度小于.的分区 统计表明.的城镇设防烈度提高一档.的城镇提高两档.的城镇提高三档 这意味着大量既有建筑在进行改造升级时需进行抗震能力加固特别是对于第四代地震动参数区划图地震动峰值加速度小于.地区中未进行抗震设防的既有建筑抗震能力加固是其改造升级时需考虑的首要问题 常规抗震加固方法往往仅以满足现行规范要求为基准需要付出极高的经济代价且一般未对加固后是否引起结构薄弱部位转移进行评估存在一定的安全风险基于性能的抗震设计起源于美国用于既有建筑现状的抗震性能评估该方法引入我国后主要用于新建抗震超限复杂建筑的设计这与其概念的初衷大相径庭 黄超等提出宜优先采用基于性能的抗震评估方法证明既有结构是否需要进行抗震加固 张祥龙徐开等对基于性能的抗震加固基本思路和有待解决的问题进行了研究 尹保江等基于模型试验对按 版抗震规范设计框架抗震性能进行评估 程绍革等采用地震易损性方法对既有框架性能化抗震鉴定进行研究并应用在某 度区框架结构抗震加固工程 高鹏等采用基于抗震性能分析方法对某 度区(.)单跨框架进行约束屈曲支撑抗震加固 孙魁从地震动参数取值、既有框架性能水准划分和弹塑性分析等方面对既有钢筋混凝土框架结构性能化抗震鉴定进行了研究基于性能的抗震鉴定与加固方法研究与应用已日趋成熟但以往工程应用多位于为中高烈度区或采用消能减震加固方案在低烈度区应用偏少 对未进行抗震设防的低烈度区既有多层钢筋混凝土结构而言地震影响往往不起控制作用在改造过程中进行承载力加固后基本能满足小震弹性甚至中震不屈服的性能要求 按高强度低延性的设计准则对低烈度区多层钢筋混凝土结构采用基于性能的抗震鉴定与加固方法评估结构实际的抗震性能有针对性地采用加固措施并视情况适当放松其抗震构造要求降低加固施工难度可在付出较小经济代价的前提下满足相应的设防目标 本文对某 度区单跨框架结构采用基于性能的抗震加固设计方法对其实际抗震能力进行评估并根据评估结果有针对性地采取加固措施 工程概况该项目位于湖南省湘潭市地区抗震设防烈度为 度(第四代区划图中为小于 度区)建成于 年原设计使用功能为办公楼未进行抗震设防建筑总高度为.层数为 层第 层层高为.第 层层高分别为.结构形式为现浇混凝土框架结构其中 向框架以单跨为主 向典型开间尺寸为 向典型柱间尺寸为 基础形式为人工挖孔灌注桩结构平面布置如图 所示 图中未标明柱为典型框架柱 截面尺寸为 截面尺寸为 向典型框架梁 截面尺寸为 向典型框架梁 截面尺寸为 楼盖部分采用现浇楼板部分采用预制楼板?2?1?KZ2KZ2KZ2KZ1KL1KL2KZ1xy图 结构平面布置改造后建筑使用功能为活动中心为满足消防疏散和使用要求增设楼梯 和电梯屋面增设消防水箱 根据文献要求改变使用功能后应按现行规范和标准进行鉴定与加固其抗震性能应根据文献要求按设防烈度 度进行评估 第 期周志锦等:低烈度区单跨框架结构基于性能的抗震加固设计 结构鉴定分析与承载力加固设计.结构现状安全性鉴定分析根据项目现状安全性鉴定结论结构目前处于正常工作状态外观质量良好()室外地坪与主体结构之间无明显相对位移未发现结构上部构件因基础不均匀沉降引起的裂缝垂直度检测结果满足规范要求()主体结构观感良好混凝土构件尺寸、混凝土强度、钢筋布置及轴线偏差等均与原设计吻合未发现混凝土构件存在钢筋锈蚀、较大变形和裂缝等缺陷()结构鉴定单元现状安全性等级评定为 级 本工程可按原设计图纸进行下一步加固改造设计.结构抗震鉴定分析本工程后续工作年限确定为 根据文献要求按 类建筑进行抗震鉴定改变使用功能后按折减的地震作用进行抗震承载力和变形验算按现行规范进行抗震措施核查 结果表明结构抗震鉴定存在以下问题:()结构平面凹凸不规则扭转位移比大于.扭转周期比大于.()结构体系为单跨框架结构不满足双向多跨的要求()框架梁柱设置了箍筋加密区(典型框架柱 截面及配筋见图)但 向典型框架梁 箍筋加密区间距不满足规范要求()楼梯间柱截面净高与截面尺寸比值小于 箍筋未进行全高加密()部分楼板采用预制板楼盖整体性较差2 182 222 25KZ14504508100/2002 18KZ14504508100/2002 181 18(a)?(b)?图 典型框架柱截面及配筋示意.结构承载力加固设计根据上述结构安全性鉴定与抗震鉴定结论本工程在改变使用功能后应按现行规范和标准进行承载力复核并采取相应的加固措施.荷载取值在结构承载力加固时宜尽量采用减荷方法本工程改造前为小开间办公室拆除原办公室实心砖隔墙改造为活动中心后除楼梯间、卫生间、电梯井隔墙采用蒸压加气混凝土砌块外其余隔墙均采用木龙骨石膏板墙体以减少结构自重 活荷载、地震作用按现行规范取值并根据后续工作年限进行折减 改造前与改造后结构荷载对比详见表 改造后结构恒载约为改造前的表 改造前后结构荷载对比类别恒载()活载().改造前/改造后/比值/.承载力加固设计综合采用减荷法并对活荷载、地震作用折减按现行规范计算仅少部分梁正截面抗弯承载力不满足要求对梁底抗弯承载力不足之处采用粘贴碳纤维的方法进行加固处理对悬挑梁顶抗弯承载力不足之处采用加大截面法进行加固尽量避免对原结构抗侧刚度的影响 因结构总质量减少柱轴压比、承载力验算及桩基础承载力均能满足现行规范要求 基于性能的抗震加固设计.抗震加固方案比选由.节分析可知经承载力加固后结构在正常使用状态及多遇地震作用下结构承载力满足现行规范要求但应针对结构体系、抗震构造等不足进行相应的抗震加固设计 单跨框架结构体系存在结构冗余度小、抗侧刚度较弱等不足常规的加固方法主要有两类:一类是增加多余约束将部分单跨框架改为多跨框架(图)另一类是改变结构体系通过增设抗震墙(图)或防屈曲支撑(图)(a)1?(b)2?(a)3?(d)4?图 抗震加固方案示意方案 中新增框架柱位于建筑红线以外占用人行道位置采用方案 能大幅提高结构抗侧刚度但会引起结构内力重分布造价较高且施工周期较长采用方案 能调整多遇地震下的抗侧刚度和罕遇地震下的耗能能力但对施工要求较 土木工程与管理学报 年?图 基于性能的抗震加固设计流程高施工不到位会导致 耗能性能受填充墙体约束不能充分发挥 考虑本工程单跨框架柱距在开间方向较为密集且平面尺寸为“”形并结合当地为低烈度设防区的实际情况本文拟采用基于性能的抗震加固设计方法(方案 图)不改变既有结构体系通过对其抗震性能的评估有针对性采取抗震加强措施设计流程如图 所示其中新加楼梯与改造楼梯均采用滑动支座不考虑楼梯对结构刚度和整体性的影响.结构稳定性分析单跨框架结构体系存在的主要问题之一在于其抗侧刚度较弱在水平荷载作用下重力二阶效应明显 在多遇地震下 向与 向计算刚重比分别为.和.考虑规范刚重比计算的简化条件进一步采用屈曲分析和推覆分析对结构的稳定性进行论证.屈曲分析采用荷载设计值对结构进行弹性屈曲分析计算结果详见图 与 方向临界屈曲因子 均大于 可近似不考虑 效应的影响(a),=23.1)x?minx(b),=23.8)y?miny(图 屈曲分析结果.推覆分析为进一步论证结构抗倾覆能力进行同时计入材料非线性和几何非线性的推覆分析分别以第一振型(向)和第二振型(向)作为推覆力沿高度的加载模式分别得到基底剪力与顶点位移的推覆曲线如图 所示?m/x?y?6?7?40003000200010000?/kN0.20.40.6图 推覆分析结果从图 可以看出 向的多跨框架明显较 向的单跨框架有着较好的延性 向在基底剪力达到 (约为多遇地震作用下基底剪力的.倍)后推覆曲线进入刚度退化的下降段 向在基底剪力达到 (约为多遇地震作用下基底剪力的.倍)后推覆曲线进入刚度退化的下降段这说明在不考虑构件损伤的前提下结构在 度(.)罕遇地震作用下都能具有足够的抗侧刚度不会因侧移过大而造成失稳倒塌.抗震性能目标综合考虑 建筑抗震设计规范(年版)附录 抗震性能设计要求及美国 和 机构对性能水准等级划分参考文献层间位移角与构件性能的对应关系确定本工程抗震性能目标如表 所示 对于单跨框架结构的框架柱当其严重破坏形成塑性铰时结构体系将形成机构加剧倒塌风险因此本工程严格控制框架柱在罕遇地震下不产生重度损坏此时框架梁允许部分重度损坏耗能在极罕遇地震下考察结构整体性能以防止倒塌为性能目标表 层间位移角与结构构件性能指标构件及指标多遇地震设防地震罕遇地震极罕遇地震层间位移角/框架梁完好()轻度损坏()大部分中度损坏()不严重损坏()框架柱完好()基本完好()小部分中度损坏()不严重损坏().抗震性能分析.多遇地震结构抗震性能分析在多遇地震作用下根据现行规范计算并考虑活荷载、地震作用按后续工作年限折减的结构主要计算结果如表 所示最大位移比大于.周期比大于.进一步采用弹塑性分析评估结构构件损伤情况在承载力加固时已考虑多遇地震 第 期周志锦等:低烈度区单跨框架结构基于性能的抗震加固设计的影响最大层间位移角远小于规范限值可认为在多遇地震作用下结构处于弹性状态能满足完好()的性能目标表 多遇地震作用下主要计算结果参数指标计算结果参数指标计算结果 向周期/.向最大层间位移角/向周期/.向最大层间位移角/扭转周期/.向基底剪力/.周期比.向基底剪力/.向最大位移比.总质量/.向最大位移比.柱最大轴压比.弹塑性时程分析地震波选择和模型建立综合考虑场地类别、频谱特性、有效时长选取 条人工波和 条天然波其加速度时程及频谱特性详见图 其峰值加速度在不同地震动水准下按 调整设防地震、罕遇地震和极罕遇地震下的峰值加速度分别取 (a)TH1?(b)TH2?(c)RH1?(d)?5?/s102520155?/s10252015?/s510252015?426?s/15010050050100150-?/m.s-215010050050100150-?/m.s-215010050050100150-?/m.s-20.60.40.20TH1TH2RG1?/m.s-2图 地震波选择及频谱特性既有结构非线性模型中材料强度、构件实配钢筋根据原设计文件和结构检测鉴定结果输入加固构件按加固后的构件截面及钢筋输入以考虑承载力加固的影响 梁柱等一维构件采用纤维束模型进行模拟箍筋加密区考虑混凝土约束效应并同时考虑几何非线性影响采用 非线性分析软件的计算模型如图 所示图 结构非线性分析模型.设防地震结构抗震性能分析采用等代弹性方法对框架柱抗弯弹性进行计算典型框架柱 承载力复核详见图 各内力点均在 曲线包络范围内满足抗弯弹性要求(a)?(b)?x?y?x?y?54321012-54321012-?/10 kN3P?/10 kN3P?/10 kN.m3M-0.3-0.10.10.3?/10 kN.m3M-0.3-0.10.10.3P M-yP M-xP M-yP M-x图 典型框架柱 抗弯弹性验算采用弹塑性时程分析方法以层间位移角为指标评估结构整体抗震性能(图)从图 可以看出在设防地震作用下 向与 向最大层间位移角分别为/和/接近弹性层间位移角限值/小于性能目标水准/框架柱处于弹性状态框架梁轻微损伤结构满足既定的设防地震性能目标(a)x?(b)y?rad/TH1TH2RH1?1 500/1 250/?rad/1 500/1 250/543210543210TH1TH2RH1?1 470/1 384/图 设防地震结构层间位移角.罕遇地震结构抗震性能分析()结构整体抗震性能评估采用弹塑性时程分析方法对结构在罕遇地震下的抗震性能进行评估 在罕遇地震作用下结构楼层剪力见图 向与 向基底剪力最大值分别为 为多遇地震弹性分析结果的.倍和.倍符合一般工程经验 土木工程与管理学报 年(a)x?(b)y?kN/1000200010002000543210?543210?kN/TH1TH2RH1TH1TH2RH1图 罕遇地震楼层剪力罕遇地震作用下的结构层间位移角见图 向与 向最大层间位移角分别为/和/小于性能目标水准/且未出现明显薄弱楼层(a)x?(b)y?rad/1 200/1 125/?1 200/1 125/543210TH1TH2RH1?TH1TH2RH1?1 215/1 207/?543210?rad/图 罕遇地震结构层间位移角图 顶部位移时程给出了天然波 作用下结构弹塑性位移时程与弹性位移时程的对比从图中可以看出约在 以前结构基本处于弹性工作状态 以后结构进入弹塑性状态弹塑性位移时程的波峰出现明显滞后结构刚度变小周期延长 表 给出了 条地震作用前后结构周期与阻尼比的结果结构的弹塑性行为使震后的周期最高提高了.倍阻尼比最高增加了.说明结构进入弹塑性的水平较低 图 给出了天然波 作用下能量平衡从图中可以看出结构耗能主要以阻尼耗能为主应变能不足总能量的 进一步说明在罕遇地震作用下结构未产生较大损伤(a)x?(b)y?/m?/s?5101520?/m?/s?51015200.080.0400.040.08-0.080.0400.040.08-图 顶部位移时程(天然波)()结构构件抗震性能评估罕遇地震作用下结构构件损伤情况详见图框架柱混凝土应变小于极限压应变纵筋应变(a)x?(b)y?/s?20104003002001000?/kJ2010?/s4003002001000?/kJ?图 能量平衡(天然波)小于屈服应变处于中度损伤范围内框架梁混凝土应变小于极限压应变部分 向框架梁纵筋应变大于屈服应变梁端出现塑性铰起到耗能作用 向框架梁纵筋接近屈服状态弹塑性程度较低损伤程度较 向框架梁低表 周期与阻尼比变化对比类别初始自振周期/.阻尼比/.(a)?0(d)?ry0.090.180.260.350.440.530.610.7000.6%13.1%5.9%3.9%2.3%13.9%35.7%24.6%/00.080.170.250.340.420.500.590.6700.8%8.5%6.2%3.2%1.8%17.5%39.1%22.9%/00.110.210.320.430.530.640.740.8500.8%12.9%7.4%6.1%2.0%11.3%34.6%24.8%ry/0.320.650.971.291.621.942.262.5900.2%4.8%1.8%0.6%0.5%44.7%33.3%14.1%ry/(b)?0(c)?ry图 混凝土构件损伤 采用等代弹性方法对框架柱在罕遇地震作用 第 期周志锦等:低烈度区单跨框架结构基于性能的抗震加固设计下进行抗剪验算典型框架柱 抗剪承载力复核详见表 从表中可以看出罕遇地震作用下柱截面抗剪承载力 与剪力设计值 的最小比值为.抗剪承载力验算满足要求表 典型框架柱 抗剪承载力验算框架柱剪力设计值/截面抗剪承载力/第一层 向.第一层 向.标准层 向.标准层 向.极罕遇地震结构抗震性能分析采用弹塑性时程分析方法以层间位移角为指标评估结构在极罕遇地震作用下的抗倒塌性能(图)从图中可以看出在极罕遇地震作用下 向与 向最大层间位移角分别为/和/小于性能目标水准/满足规范对防止倒塌限值/的要求(a)x?(b)y?rad/1 200/1 100/1 200/1 100/?543210?543210?rad/1 170/1 165/TH1TH2RH1?TH1TH2RH1?图 极罕遇地震结构层间位移角.抗震加固措施通过.节对结构在多遇、设防、罕遇和极罕遇地震下的抗震性能的评估结构满足并超过了既定的性能目标能达到“小震不坏、中震轻微损坏、大震中度损坏、极大震不倒”的性能水准针对.节对抗震鉴定分析中存在的问题采取如下处理措施:()针对单跨框架结构体系和结构不规则性的问题通过对结构抗震性能评估该单跨框架结构具有较好的抗倒塌性能并满足相应的性能指标未出现明显薄弱楼层和严重的构件损伤抗震加固时可不对结构体系进行处理()向典型框架梁 箍筋加密区间距小于梁高的/根据罕遇地震下的实际损伤情况其弹塑性程度较低混凝土未达到极限压应变按高承载力低延性的原则可不进行加固处理()对楼梯间形成的短柱采用沿全高粘贴碳纤维的方式提高其延性()凿除预制板上方已有面层利用装修面层厚度浇筑钢筋网细石混凝土叠合层增强楼盖的整体性 结 语本文得出以下结论:()对于低烈度区的既有多层框架结构地震影响往往不起控制作用抗震加固设计时可根据高强度低延性的设计原则确定结构的性能目标采用基于性能的分析方法在承载力加固的基础上综合采用等代弹性和弹塑性时程分析方法对结构整体和结构构件的抗震性能进行评估()抗震加固可根据性能分析的结果有针对性地采取抗震加固措施如对未采取抗震构造措施的结构构件根据其实际的潜在塑性铰区采取相应的延性增强措施对部分纵筋最小配筋率不满足要求的构件根据其纵筋实际屈服情况采取加强措施根据构件损伤情况确定是否采用耗能构件等抗震加固措施应有的放矢以取得较好的经济效果()进行相应抗震加固措施后仍应评估加固后结构的抗震性能避免导致结构薄弱位置的转移同时应考虑加固方式对混凝土约束效应的影响采用相应的材料本构关系参考文献 中华人民共和国住房和城乡建设部.既有建筑鉴定与加固通用规范:.北京:中国建筑工业出版社.中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会.中国地震动参数区划图:.北京:中国标准出版社.程绍革.中国抗震鉴定加固五十年回顾与展望.建筑科学 ():.:.:.程绍革 尹保江 史铁花.既有建筑抗震鉴定与加固技术研究新进展.北京:中国建筑工业出版社.黄 超 季静 韩小雷 等.基于性能的既有钢筋混凝土建筑结构抗震评估与加固技术研究.地震工程与工程振动 ():.张祥龙.基于性能的抗震加固初探.工程抗震与加固改造 ():.(下转第 页)土木工程与管理学报 年 刘晓斌.超高层建筑钢结构施工焊接关键技术.金属加工(热加工)():.王 彬.我国焊接自动化技术的现状与发展趋势.电焊机():.林治阳.建筑机器人在我国建筑业企业中的应用障碍及对策研究.重庆:重庆大学.赵 臣 王 刚.我国工业机器人产业发展的现状调研报告.机器人技术与应用():.周进兵 胥超明 宋乐乐.焊接机器人在高建钢厚板中的应用.施工技术 ():.周军红 高如国 栾公峰 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