基于PKPM的框架結(jié)構(gòu)加固前后的抗震性能分析

趙世宇

摘要：在我國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)行業(yè)中，PKPM系列軟件的日常使用率高達(dá)90%以上，其涵蓋了眾多工程領(lǐng)域，包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)計(jì)，工程計(jì)量以及工程計(jì)價(jià)，本文通過(guò)PKPM系列CAD系統(tǒng)軟件對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)在加固前后的滯回曲線，結(jié)果表明：PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的具有現(xiàn)實(shí)可行性和廣泛適用性。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)加固;數(shù)值模擬;PKPM軟件;滯回曲線

近些年來(lái)，關(guān)于結(jié)構(gòu)加固的理論、技術(shù)以及方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，關(guān)于建筑物的加固和改造，已經(jīng)逐漸成為了從事結(jié)構(gòu)工程專業(yè)人士的重點(diǎn)研究對(duì)象[1、2]，更是眾多科研人員進(jìn)行專項(xiàng)研究的一個(gè)分支學(xué)科，本文利用PKPM系列軟件對(duì)一榀鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析數(shù)值模擬，通過(guò)分析，各項(xiàng)參數(shù)均符合規(guī)范的要求，最后對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了時(shí)程分析[3]，計(jì)算結(jié)果均大于規(guī)范要求的0.8，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果證明，PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的具有現(xiàn)實(shí)可行性和廣泛適用性。

1. 數(shù)值模擬模型的建立

1.1 PKPM系列軟件在房屋抗震檢測(cè)鑒定的適用范圍[5]

對(duì)房屋的抗震能力進(jìn)行檢測(cè)在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的如火如荼，這種方法主要適用于抗震能力或等級(jí)不符合抗震規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)，包括如下幾種結(jié)構(gòu)：

1）改變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或改變房屋用途;

2）續(xù)建工程（含爛尾樓工程）;

3）災(zāi)后建筑檢測(cè)鑒定（如火災(zāi)、地震、水災(zāi)、泥石流）;

4）其他需要進(jìn)行抗震設(shè)防，以及出具抗震鑒定報(bào)告

1.2 結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定方法[4]

在對(duì)建筑物進(jìn)行抗震鑒定時(shí)，需要嚴(yán)格按照相關(guān)鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行堅(jiān)定，對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)進(jìn)行階梯式鑒定，評(píng)價(jià)方法一般分為兩級(jí)。

根據(jù)建筑物壽命周期的長(zhǎng)短差異，通常用兩種不同級(jí)別的方法來(lái)進(jìn)行鑒定，根據(jù)建筑物的不同類型，所注重的定性觀察和定量描述的點(diǎn)不相同。

第一級(jí)鑒定，在宏觀方向上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合考量，包括結(jié)構(gòu)的平、立、側(cè)面是否規(guī)整，質(zhì)量、剛度是否達(dá)標(biāo);材料強(qiáng)度是否符合強(qiáng)度理論;

第二級(jí)鑒定，結(jié)合抗震驗(yàn)算對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可表示為：

S≤ψ1ψ2R（1.1）

ψ1——抗震鑒定的整體構(gòu)造影響系數(shù)（體系影響系數(shù)）

ψ2——抗震鑒定的局部構(gòu)造影響系數(shù)（局部影響系數(shù)）

在上述的兩級(jí)鑒定方法當(dāng)中，充分地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗震能力的重要性，有機(jī)地將構(gòu)造要求和承載力要求緊密地銜接。

2. 基于PKPM結(jié)構(gòu)加固前后結(jié)構(gòu)的抗震性能對(duì)比

2.1 框架的滯回曲線

滯回曲線是指當(dāng)結(jié)構(gòu)受到一個(gè)重復(fù)且持續(xù)的力作用時(shí)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]，它所反映的是結(jié)構(gòu)在受到力的作用時(shí)，發(fā)生形變的情況以及對(duì)能量的抵消能力，在通常情況下，結(jié)構(gòu)的該曲線有4種形狀[6]，結(jié)構(gòu)在加固前的滯回曲線如圖2.1所示，加固后的結(jié)構(gòu)的滯回曲線如圖2.2所示。

從整體上來(lái)看，當(dāng)構(gòu)件被加固后，具有更強(qiáng)的消耗地震荷載的能力，構(gòu)件與加固材料協(xié)同工作，提高了抗震性能。

在圖2.1和圖2.2的對(duì)比中可以看出，開(kāi)始加載荷載時(shí)，兩組構(gòu)件在卸荷前后滯回曲線大致相同，當(dāng)持續(xù)增加荷載時(shí)，尤其是當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋達(dá)到屈服以后，改為控制應(yīng)變加載，通過(guò)兩圖對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：隨著應(yīng)變?cè)黾?，斜率變化幅度逐步變小，在變形后期，?dāng)繼續(xù)增加荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)損壞的跡象，此時(shí)圖像出現(xiàn)了收縮趨勢(shì)，圖像的飽滿度不斷增加。

3.3 骨架曲線的比較

根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值，加固前后框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線如圖3.3所示，

在兩次低周反復(fù)加載作用下，通過(guò)對(duì)比分析這些結(jié)果可以得出：

（1）骨架曲線呈直線狀態(tài)，此時(shí)構(gòu)件處于彈性階段，剛度不隨時(shí)間變化而發(fā)生變化，當(dāng)構(gòu)建發(fā)生開(kāi)裂之后，骨架曲線出現(xiàn)了第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，隨后曲線的斜率減小，與之前的彈性階段相比較，剛度減小，當(dāng)卸荷時(shí)已有殘余應(yīng)變，此時(shí)構(gòu)件處于彈塑性階段，當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋達(dá)到屈服以后，將變量從力變更為位移，可以從曲線中看出，斜率是持續(xù)變小的，這說(shuō)明，構(gòu)件的剛度在下降，位移增長(zhǎng)加快，而荷載增長(zhǎng)的速度減慢，構(gòu)件出現(xiàn)了越來(lái)越大的殘余應(yīng)變，此時(shí)構(gòu)件處于塑性強(qiáng)化階段。

（2）由骨架曲線可以看出，本實(shí)驗(yàn)中的結(jié)構(gòu)在加固后，承載力提高至原結(jié)構(gòu)的四倍。這是因?yàn)閷?duì)已有框架結(jié)構(gòu)中損傷的節(jié)點(diǎn)及梁、柱進(jìn)行了加固，選擇的加固方法合理，使得加固效果顯著。加固后框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)和梁、柱充分發(fā)揮了作用，從而增加了框架的整體穩(wěn)定性。

（3）本文中的實(shí)驗(yàn)對(duì)象在加固前后，其延性得到了1.7倍的提升。

3.4 延性與變形的比較

任何材料都具有延性屬性，這種屬性并不會(huì)因?yàn)橥庖蚨l(fā)生改變，它是材料在破壞前發(fā)生變形的能力，由于材料的這種特性，使得其在達(dá)到自身極限荷載的作用時(shí)，不會(huì)發(fā)生脆性斷裂，而是仍能繼續(xù)吸收一定量的能量，正式因?yàn)檠有裕沟媒Y(jié)構(gòu)不至于立即發(fā)生坍塌破壞。

在對(duì)表3.2所示的數(shù)值進(jìn)行比較和分析后，可以得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)數(shù)值得到了明顯增加，在得到加固以后為12.89，而再加固前只有9.79，高了1.32倍。由此看出，加固后框架結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo)得到了提高。

（2）結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)在加固前后均符合相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn);

3.5 強(qiáng)度和剛度退化的比較

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外力作用以后，便會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一種抵抗破壞的力量，這種力量的極限程度稱為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，如果超過(guò)了結(jié)構(gòu)的極限程度，物體就會(huì)出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為結(jié)構(gòu)的剛度，它是指結(jié)構(gòu)變形后恢復(fù)原狀的能力，與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不同，剛度不僅取決于材料本身，還受到一系列的外界因素的影響。

通常，結(jié)構(gòu)的破壞不是瞬時(shí)的，而是損傷累積的結(jié)果，結(jié)構(gòu)剛度的退化是表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的重要特種之一，一般來(lái)講，我們常用以下幾種方法來(lái)定義結(jié)構(gòu)剛度的退化。

（1）當(dāng)施加荷載的次數(shù)不斷增加，尤其是當(dāng)次數(shù)接近其最大數(shù)值時(shí)，構(gòu)件的剛度開(kāi)始減小;

（2）在控制應(yīng)力的條件下與施加荷載次數(shù)呈正相關(guān);

（3）在控制應(yīng)變的條件下與施加荷載次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。

在加固后框架經(jīng)歷二次反復(fù)循環(huán)加載后，由環(huán)線剛度所得出的剛度退化曲線對(duì)比如圖3.4所示，通過(guò)以上對(duì)比可以看出：

（1）在荷載的作用下，由于損傷和鋼筋的積累，初始剛度明顯高于初始框架。當(dāng)達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度的下降速度要慢于原有框架。當(dāng)達(dá)到峰值負(fù)荷點(diǎn)時(shí)，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度比原來(lái)的框架下降得更快。

（2）加固前后框架正負(fù)的兩個(gè)加載方向上，它們的剛度退化曲線都有不對(duì)稱的現(xiàn)象，這是由于試驗(yàn)時(shí)鋼材的包辛格效應(yīng)、混凝土材料的不均勻性以及加載裝置的不對(duì)稱性等所導(dǎo)致的;

（3）通過(guò)對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與原框架剛度退化曲線的比較，隨著應(yīng)力和應(yīng)變的增加，其剛度與應(yīng)力和應(yīng)變的變化呈負(fù)相關(guān)的變化趨勢(shì)。在此過(guò)程中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的剛度退化曲線相對(duì)平緩，說(shuō)明選擇正確的加固方法可以使受損的框架結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。

3.6耗能能力的比較

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到來(lái)自地震荷載產(chǎn)生的能量作用時(shí)，其內(nèi)部會(huì)對(duì)接收到的能量產(chǎn)生消耗效應(yīng)，這種效應(yīng)成為結(jié)構(gòu)的耗能耗能能力[7]，在一般情況下，耗能能力的大小，我們可以用滯回曲線所圍成面積的大小來(lái)進(jìn)行定量衡量。在每個(gè)循環(huán)的低循環(huán)重復(fù)加載下，能量耗散是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，因此，在地震過(guò)程中，能耗是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，通常，我們用粘滯阻尼系數(shù)來(lái)進(jìn)行定性描述，在本實(shí)驗(yàn)中，結(jié)構(gòu)加固前后的耗能對(duì)比如圖3.5所示。

在試驗(yàn)加載過(guò)程中，加固后框架的等效粘滯阻尼系數(shù)比原框架有所增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)幅度約為21%;在耗能曲線對(duì)比圖中，加固后框架的耗能能量值明顯高于原框架結(jié)構(gòu)，耗能值增加了約2.4倍，表明加固后框架的耗能能力明顯優(yōu)于原框架。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)一榀加固后的兩跨三層已重度損傷的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)利用PKPM系列軟件對(duì)加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能的鑒定，然后對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象加以描述，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并與原框架試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到如下結(jié)論：

（1）加固后的結(jié)構(gòu)與原框架試驗(yàn)相比，該加固框架的承載力提高了37%，滯后曲線更加豐滿。

（2）分別利用PKPM系列軟件中的SATWE和鑒定的加固模塊對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能評(píng)價(jià)和分析。計(jì)算了地震力、各振動(dòng)類型的基礎(chǔ)剪切力和地震作用下的剪切率、各層的結(jié)構(gòu)剪切強(qiáng)度比、傾角和垂直剪切、地位移和彈性變形角。將計(jì)算結(jié)果與《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層設(shè)計(jì)規(guī)范》相比較，均符合規(guī)范要求。

（3）利用時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)的底部剪力和最大位移，計(jì)算結(jié)果分別符合《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、《高層設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。

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