基于性能的既有建筑防屈曲支撐抗震加固設(shè)計(jì)

王四清，陳 宇，艾輝軍，唐學(xué)武，邵 磊，毛土明

(1. 湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長沙 410006； 2. 湖南省地震局，湖南長沙 410004)

0 引 言

隨著《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[1]的實(shí)施，湖南的抗震設(shè)防要求全面提高，實(shí)現(xiàn)了抗震設(shè)防全覆蓋，新增抗震設(shè)防6度區(qū)域占到了湖南省面積50%以上。原非抗震區(qū)的既有建筑物普遍存在抗震能力偏低，甚至沒有任何抗震構(gòu)造措施的情況。這些區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)設(shè)防類建筑、生命線工程建筑以及老舊保護(hù)性建筑等有提高抗震能力的切實(shí)需求[2-3]。

現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50023—2009)[4]對抗震鑒定工作起到了重要指導(dǎo)作用，但其基于的設(shè)計(jì)思想是“小震彈性承載力+抗震延性構(gòu)造措施”。隨著抗震評估和加固設(shè)計(jì)工作遇到越來越復(fù)雜的挑戰(zhàn)。如能直接定量評估建筑結(jié)構(gòu)在中震和大震下的抗震性能，包括各構(gòu)件在中震和大震下的性能狀況，則可更準(zhǔn)確判斷既有建筑是否需要抗震加固及如何更有效地加固結(jié)構(gòu)[5-7]。因此，急需引入性能化設(shè)計(jì)理論，更好地評估既有建筑在中震和大震下的抗震性能。

既有結(jié)構(gòu)加固方法很多。傳統(tǒng)方案一般基于結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固，對于混凝土結(jié)構(gòu)有：增大截面法、外包鋼加固法、粘鋼加固法、粘碳纖維加固法等，但這些方法濕作業(yè)多，施工影響大，實(shí)施困難[8-9]。防屈曲支撐由內(nèi)核構(gòu)件和外圍約束體系構(gòu)成，是一種兼具普通支撐和金屬阻尼器雙重功能的支撐形式，不僅能調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，而且具有優(yōu)異的滯回性能，為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和抗震加固改造提供了一種新的選擇[10-12]。同時(shí)，防屈曲支撐安裝方便，一般使用過程中不需要定期檢查，維護(hù)工作量小，能滿足加固工程施工影響小和維護(hù)次數(shù)少的要求。

1 工程概況

湖南湘潭市某小學(xué)教學(xué)樓建成于2000年左右，當(dāng)時(shí)其所在區(qū)域?yàn)榉强拐鹪O(shè)防區(qū)，故其未考慮抗震設(shè)計(jì)。教學(xué)樓主要由3排南北向的建筑(第一教學(xué)樓、中部實(shí)驗(yàn)樓、第二教學(xué)樓)和連接它們的走廊圍合而成(圖1)。第一教學(xué)樓和第二教學(xué)樓關(guān)于中部實(shí)驗(yàn)樓完全對稱，主要為教室。中部實(shí)驗(yàn)樓則主要為教學(xué)試驗(yàn)用房和公共用房。教學(xué)樓各單體的平面布置如圖2所示。

圖1 教學(xué)樓整體結(jié)構(gòu)

圖2 教學(xué)樓各單體平面圖

建筑總高20.2 m，底部1層為架空層，層高3.4 m；其余4層均為4.2 m。整個(gè)教學(xué)樓以變形縫分為A～F六個(gè)單體，均為框架結(jié)構(gòu)。柱截面尺寸主要有400 mm×400 mm，300 mm×300 mm，500 mm×500 mm，C單體建筑入口大堂處有圓柱φ550；梁截面尺寸主要有250 mm×550 mm，250 mm×400 mm，250 mm×500 mm，250 mm×600 mm等。樓面主要為100 mm和110 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，局部采用300 mm厚空心樓蓋。結(jié)構(gòu)柱、梁、樓板的混凝土強(qiáng)度等級均為C30。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，該地區(qū)已劃分為6度設(shè)防區(qū)，且根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》[13]規(guī)定，該學(xué)校建筑抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，應(yīng)按6度進(jìn)行地震作用計(jì)算，按7度(抗震等級三級)采取抗震措施。顯然，原教學(xué)樓結(jié)構(gòu)已不滿足當(dāng)前的抗震設(shè)防需求。

2 抗震鑒定分析

目前教學(xué)樓外觀質(zhì)量狀況良好，柱、梁、樓板均未發(fā)現(xiàn)一般缺陷，地面無明顯變形、開裂等情況，未發(fā)生地基沉降引起的上部墻體開裂，結(jié)構(gòu)垂直度偏差滿足要求；根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》要求，本工程屬于C類建筑，后續(xù)使用年限為50年，應(yīng)按現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《抗規(guī)》)[14]的要求對各單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定。

鑒定結(jié)果表明：①建筑總高20.2 m，屬于多層建筑；②部分單體平面凹凸不規(guī)則，扭轉(zhuǎn)位移比偏大，扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9；③結(jié)構(gòu)小震下層間位移角均滿足規(guī)范限值要求，且有一定富余；④框架柱滿足承載力需求，縱筋構(gòu)造基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，部分柱加密區(qū)箍筋不滿足最小體積配箍率要求，第一、二教學(xué)樓的走廊柱截面尺寸偏小，不滿足《抗規(guī)》對三級框架柱最小尺寸的要求；⑤框架梁截面尺寸滿足抗震要求，部分框架梁縱筋不能滿足規(guī)范對三級框架梁的構(gòu)造要求，幾乎所有框架梁箍筋直徑及間距均不滿足《抗規(guī)》對三級框架梁的要求，但除部分梁加密區(qū)箍筋外，框架梁縱筋和箍筋配置基本能滿足四級框架梁的構(gòu)造要求。

3 加固方案比選

原結(jié)構(gòu)雖能滿足小震下的承載力需求，但結(jié)構(gòu)缺少必要的延性構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)耗能能力不強(qiáng)，在中震及大震作用下易發(fā)生脆性破壞而危及生命安全。同時(shí)該建筑為小學(xué)教學(xué)樓，宜在加固設(shè)計(jì)中留有一定的安全余量，尤其應(yīng)保證建筑在“破壞性地震”(大震)作用下有足夠優(yōu)秀的抗震性能。

若僅采用外包鋼、粘鋼或增大截面法等傳統(tǒng)加固手段，即使大范圍加固梁柱，仍可能難以保障結(jié)構(gòu)在大震下的抗震性能。因此，此類項(xiàng)目適宜采用消能減震加固手段進(jìn)行抗震加固[15]。對于本項(xiàng)目，在一定位置設(shè)置防屈曲支撐。小震下，它能調(diào)整結(jié)構(gòu)抗扭剛度，減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使扭轉(zhuǎn)周期比等滿足規(guī)范要求；大震下，防屈曲支撐能屈服耗能，消耗輸入的地震能量，減小主體結(jié)構(gòu)的地震作用，顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

4 基于性能的抗震加固設(shè)計(jì)

4.1 性能化設(shè)計(jì)思想

設(shè)置防屈曲支撐后，主體鋼筋混凝土框架的抗震等級仍應(yīng)按框架結(jié)構(gòu)確定，對于支撐框架，其抗震等級還需提高一級[16]。按此思路，即使設(shè)置了防屈曲支撐，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了提高，結(jié)構(gòu)仍需要大范圍加固因構(gòu)造措施不足的框架梁柱。

根據(jù)性能設(shè)計(jì)原理，承載力和延性構(gòu)造是可以互補(bǔ)的?！犊挂?guī)》規(guī)定，對于滿足性能3要求的結(jié)構(gòu)，當(dāng)構(gòu)件的承載力高于多遇地震提高1度的要求時(shí)，構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施可按降低1度的規(guī)定采用?！督ㄖ軠p震加固技術(shù)規(guī)程》[17]規(guī)定，采用消能減震技術(shù)進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)大震下樓層彈塑性位移角確定相應(yīng)的構(gòu)造措施，當(dāng)大震下最大層間位移角為2.0Δue～4.0Δue(Δue為彈性層間位移角)時(shí)，B，C類鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋的構(gòu)造措施可按常規(guī)設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)定降低1度且不低于6度采用；鋼筋混凝土柱箍筋加密區(qū)最小配箍特征值也可根據(jù)大震下樓層彈塑性位移角確定。

因此，著眼于結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，基于結(jié)構(gòu)小震承載力有富余，大震下耗能支撐能顯著提高抗震性能的實(shí)際情況。本項(xiàng)目通過確定加固后結(jié)構(gòu)在小震和大震下較高的綜合抗震性能來降低構(gòu)件層次的抗震構(gòu)造措施要求。采用上述加固思路，不僅可以顯著提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，也可以避免因構(gòu)造措施不足而需要大范圍加固結(jié)構(gòu)的問題。

4.2 抗震性能目標(biāo)

根據(jù)上述分析，當(dāng)加固后結(jié)構(gòu)滿足《抗規(guī)》性能3要求，大震下樓層最大彈塑性層間位移角不超過1/150，且小震下構(gòu)件承載力滿足7度小震(多遇地震提高1度)要求時(shí)，主體結(jié)構(gòu)的抗震等級可按6度確定為四級。此時(shí)，主體結(jié)構(gòu)除少部分框架梁縱筋不足、少部分框架梁加密區(qū)箍筋間距不滿足四級構(gòu)造要求外，其余均滿足要求。子結(jié)構(gòu)構(gòu)件按重要構(gòu)件設(shè)計(jì)，與支撐相連的框架梁柱抗震等級取為三級，且滿足大震屈服承載力。對于不滿足上述性能要求的結(jié)構(gòu)梁柱在安裝防屈曲支撐時(shí)同步進(jìn)行加固。梁柱構(gòu)件的加固主要采用外包鋼、粘鋼等傳統(tǒng)加固方法。

結(jié)構(gòu)加固后進(jìn)行抗震性能評估的具體指標(biāo)要求見表1。

4.3 防屈曲支撐的布置

根據(jù)確定的加固設(shè)計(jì)思路和目標(biāo)，參考建筑功能布局，遵循“均勻、分散、對稱”的布置原則，在各單體外圍和中間布置防屈曲支撐。各單體底層屈曲約束支撐框架部分承受的地震傾覆力矩占結(jié)構(gòu)總地震傾覆力矩的20%～50%，屬于采用適量屈曲約束支撐的框架[18]。

表1 加固后結(jié)構(gòu)抗震性能指標(biāo)Tab.1 Seismic Performance Evaluation Indexes of Reinforced Structures

防屈曲支撐參數(shù)見表2，平面布置見圖3，部分立面布置圖見圖4，支撐與既有梁柱節(jié)點(diǎn)的連接方式見圖5。

4.4 地震作用

本工程既有建筑分類屬于C類，不需要調(diào)整地震作用[19-20]。設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。綜合考慮場地類別、頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時(shí)間、統(tǒng)計(jì)特性等方面選取1組人工波(S01)、2組天然波(S02，S03)，其加速度曲線如圖6所示。大震時(shí)程分析采用三向地震波(X，Y，Z向峰值加速度之比為1∶0.85∶0.65)輸入，持續(xù)時(shí)間30 s。大震考慮了50年超越概率為3%(主方向地震波有效峰值125 cm·s-2)和50年超越概率為2%(主方向地震波有效峰值180 cm·s-2)2種情況。

表2 防屈曲支撐參數(shù)Tab.2 Parameters of BRBs

圖3 防屈曲支撐平面布置圖(單位:mm)

圖4 部分防屈曲支撐立面布置圖(單位:mm)

圖5 防屈曲約束支撐與既有結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

圖6 大震下的地震波曲線(僅列出主方向加速度)

4.5 既有結(jié)構(gòu)非線性模型

纖維束模型模擬梁、柱等一維構(gòu)件，分層殼模型模擬樓板、剪力墻等二維構(gòu)件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，同時(shí)考慮材料非線性和幾何非線性，采用顯示積分方法進(jìn)行動力計(jì)算，直接模擬結(jié)構(gòu)在地震力作用下的非線性反應(yīng)，是目前結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析領(lǐng)域較為完善的方法[21]。既有結(jié)構(gòu)非線性模型中的材料強(qiáng)度和配筋信息應(yīng)根據(jù)原有設(shè)計(jì)資料和結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果確定[22]。本工程結(jié)構(gòu)非線性分析模型采用SAUSAGE軟件構(gòu)建并計(jì)算，如圖7所示。

圖7 教學(xué)樓各單體加固后的非線性模型

綜上，既有結(jié)構(gòu)基于性能的抗震加固設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 基于性能的既有建筑抗震評估流程圖

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 小震計(jì)算

加固前結(jié)構(gòu)，A(E)，B(F)單體扭轉(zhuǎn)周期比均達(dá)到了0.96，最大位移比為1.38，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)明顯；各單體X向最大地震位移角為1/1 293，Y向最大地震位移角為1/1 315；各單體構(gòu)件基本滿足6度小震承載力需求。加固后結(jié)構(gòu)，各單體的最大扭轉(zhuǎn)周期比為0.84，最大位移比為1.20；各單體X向最大地震位移角為1/2 167，Y向最大地震位移角為1/1 983；各單體構(gòu)件滿足7度小震承載力需求。其中B(F)單體加固前后的部分小震計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 B(F)單體加固前后小震結(jié)果對比Tab.3 Results Comparison of B (F) Buildings Before and After Reinforcement

5.2 大震性能評估

5.2.1 結(jié)構(gòu)層次性能分析

加固前和加固后結(jié)構(gòu)在大震下的整體指標(biāo)如表4，5所示。

表4 加固前結(jié)構(gòu)大震性能整體指標(biāo)Tab.4 Seismic Performance Overall Indexes of Buildings Before Reinforcement

從表4可以看出，加固前各單體在50年超越概率3%的地震下層間位移角尚滿足限值要求，結(jié)構(gòu)整體的塑性發(fā)展程度也不是很大，結(jié)構(gòu)彈塑性附加阻尼比最大為1.6%；在超越概率2%的地震下，單體C在部分地震工況下會因?yàn)榘l(fā)生影響計(jì)算收斂的很大變形而計(jì)算中止，表明結(jié)構(gòu)此時(shí)已經(jīng)發(fā)生了倒塌，其余各單體的最大層間位移角也接近限值要求，各單體結(jié)構(gòu)彈塑性附加阻尼比也增加明顯。

表5 加固后結(jié)構(gòu)大震性能整體指標(biāo)Tab.5 Seismic Performance Overall Indexes of Buildings After Reinforcement

從表5可以看出：加固后各單體在50年超越概率3%和50年超越概率2%的地震作用下最大層間位移角均小于1/150，滿足性能目標(biāo)要求；耗能防屈曲支撐充當(dāng)了結(jié)構(gòu)的第一道防線，有效地保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)，在50年超越概率3%的地震作用下，結(jié)構(gòu)彈塑性附加阻尼比僅約0.3%，而耗能防屈曲支撐屈服耗能，提供了約1.2%的阻尼比；當(dāng)?shù)卣鹱饔脧?0年超越概率3%的地震增大到超越概率2%的地震時(shí)，耗能防屈曲支撐通過進(jìn)一步屈服耗能，提供了約2.2%的附加阻尼比，而結(jié)構(gòu)彈塑性附加阻尼比基本沒有增大。

耗能防屈曲支撐的保護(hù)作用從結(jié)構(gòu)的樓層剪力曲線上也可以看出。圖9、圖10分別為50年超越概率3%的大震和超越概率2%的大震作用下，單體B(F)的典型樓層剪力分布。50年超越概率3%的大震下，B(F)單體加固前彈塑性模型與彈性模型基底剪力的比值約為0.59，加固后該比值為0.81；超越概率2%的大震下，B(F)單體加固前彈塑性模型與彈性模型基底剪力的比值約為0.46，加固后該比值為0.77。加固后結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土損傷控制得更小，其剛度退化程度也更小。

圖9 50年超越概率3%大震下單體B(F)樓層剪力

圖10 50年超越概率2%大震下單體B(F)樓層剪力

5.2.2 構(gòu)件層次性能分析

圖11，12分別為加固前和加固后單體C的典型框架在大震地震波作用下的損壞性能水平。

圖11 加固前單體C大震下構(gòu)件損壞性能水平

圖12 加固后單體C大震下構(gòu)件損壞性能水平

加固前單體在50年超越概率3%的地震下，關(guān)鍵豎向構(gòu)件達(dá)到了重度損壞，而同時(shí)框架梁則多為輕度損壞，顯然原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的屈服順序不合理。50年超越概率2%的地震下，原結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵豎向構(gòu)件已經(jīng)普遍嚴(yán)重?fù)p壞，瀕臨發(fā)生整體倒塌或已經(jīng)發(fā)生倒塌。

加固后單體在50年超越概率3%和50年超越概率2%的地震下，防屈曲支撐屈服耗能，使鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷大幅減小，加固后的子結(jié)構(gòu)構(gòu)件和關(guān)鍵豎向構(gòu)件始終保持在輕度損壞以下，滿足性能水準(zhǔn)要求。圖13為耗能防屈曲支撐的典型滯回曲線，多數(shù)耗能防屈曲支撐大震下的滯回曲線飽滿，很好地起到了第一道抗震防線的作用。

圖13 大震下防屈曲支撐典型滯回曲線

6 結(jié)語

(1)本文原非抗震設(shè)防區(qū)教學(xué)樓雖有一定的抗震承載力，能滿足6度小震要求，但抗震構(gòu)造措施普遍不足，缺乏延性設(shè)計(jì)，大震下耗能能力不強(qiáng)，已不能滿足當(dāng)前的抗震設(shè)防要求。

(2)采用防屈曲支撐加固，小震下減小了教學(xué)樓結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。加固前，單體中最大的扭轉(zhuǎn)周期比達(dá)到了0.96，最大位移比為1.38；加固后，單體中最大的扭轉(zhuǎn)周期比控制為0.84，最大位移比為1.20。

(3)大震下，防屈曲支撐屈服耗能，很好地起到了第一道抗震防線的作用。加固前各單體在大震下塑性發(fā)展明顯，關(guān)鍵豎向構(gòu)件普遍損壞嚴(yán)重。加固后鋼筋混凝土損傷控制的很小，各單體關(guān)鍵豎向構(gòu)件始終保持在輕度損壞以下。

(4)基于性能化設(shè)計(jì)原理，教學(xué)樓加固后滿足性能3要求，小震下構(gòu)件承載力滿足7度小震，大震下層間位移角小于1/150，教學(xué)樓主體結(jié)構(gòu)的抗震等級可由三級降低為四級，抗震構(gòu)造措施要求大幅降低，避免大范圍加固梁柱。