某框架結(jié)構(gòu)抗震鋼筋性能缺陷的計算分析與加固設(shè)計

李葛葛 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

框架結(jié)構(gòu)被普遍地應(yīng)用于各種多層建筑中，其優(yōu)點(diǎn)眾多，但由于其整體結(jié)構(gòu)剛度小、冗余度低，造成其抗強(qiáng)震和抗倒塌能力弱，在強(qiáng)震中易造成較大損失，震后修復(fù)困難，修復(fù)費(fèi)用較高?；谝陨显?，為在地震區(qū)建設(shè)符合“小震不壞、中震可修、大震不倒”設(shè)防水準(zhǔn)的框架結(jié)構(gòu)房屋，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）[1]做出相應(yīng)的規(guī)定和要求，其中“強(qiáng)柱弱梁”就是其中的一條保證“中震可修、大震不倒”的重要技術(shù)措施。因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)一般不具備多道抗震防線，所以要求框架結(jié)構(gòu)塑性鉸發(fā)生在不影響框架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的框架梁上，使柱得到保護(hù)，從而保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，做到“大震不倒”。

基于某一實(shí)際工程抗震鋼筋材料性能不滿足抗震規(guī)范要求，對其進(jìn)行鑒定以及評估，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)整體承載力滿足規(guī)范要求，并且在抗震性能上仍能滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求[2]。為進(jìn)一步推遲框架柱塑性鉸的出現(xiàn)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，本工程最終采用了增大框架柱截面的加固方法，并對比分析了加固前后的抗震性能指標(biāo)，優(yōu)化效果明顯，以期為類似工程提供方法和經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況

某工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架+鋼框架結(jié)構(gòu)，36.6m 平面以下為混凝土框架結(jié)構(gòu)，36.6m 平面以上為鋼框架結(jié)構(gòu)。該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防烈度為6 度（0.05g），設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。建筑平面呈矩形分布，幾何尺寸為（69.0×38.0）m，縱向開間尺寸為（7.0+6.0+9.0+5.0+9.0+5.0+9.0+5.0+9.0+5.0）m，共10 個 開間，進(jìn)深尺寸為（8.0+10.0×3）m。當(dāng)前形象進(jìn)度為施工至六層柱，鋼結(jié)構(gòu)部分尚未施工，建筑物1 層層高為7.97m，2～6 層層高依次為：5m、6m、6m、6.2m、5.4m。現(xiàn)場外觀如圖1。

圖1 現(xiàn)場外觀照片

3 現(xiàn)存問題

經(jīng)現(xiàn)場對主體結(jié)構(gòu)檢測，該結(jié)構(gòu)存在以下問題：

①部分構(gòu)件混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求，這可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不滿足設(shè)計要求；

②部分抗震鋼筋不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）第3.9.2 條要求：抗震鋼筋的實(shí)測抗拉強(qiáng)度與實(shí)測屈服強(qiáng)度特征值之比不應(yīng)小于1.25；抗震鋼筋的實(shí)測屈服強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的屈服強(qiáng)度特征值之比不應(yīng)大于1.30。規(guī)范要求強(qiáng)屈比≥1.25，屈屈比≤1.30 是為了保證塑性鉸有足夠的轉(zhuǎn)動能力與耗能能力，保證“強(qiáng)柱弱梁”的實(shí)現(xiàn)。

4 計算分析

為了復(fù)核該工程是否滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）要求，本文采用SAP2000 建立有限元模型（圖2），其中框架梁柱采用梁柱單元，樓板采用殼單元。

圖2 氣化框架有限元模型

4.1 承載力復(fù)核

針對工程中實(shí)際存在的問題，取最不利情況，即框架梁柱中鋼筋和混凝土強(qiáng)度取最小值，來驗(yàn)證實(shí)際結(jié)構(gòu)承載力能否滿足。經(jīng)過復(fù)核驗(yàn)證，框架梁柱計算承載力均小于實(shí)際承載力，滿足承載力要求。

4.2 強(qiáng)柱弱梁復(fù)核

針對工程中實(shí)際存在的問題，取最不利組合，即框架梁中鋼筋和混凝土強(qiáng)度取最大值，框架柱中鋼筋和混凝土強(qiáng)度取最小值，對其靜力彈塑性分析，分別加載《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定的五個階段，如表1 所示，得到結(jié)構(gòu)在不同地震力作用下的位移、內(nèi)力響應(yīng)和出鉸順序，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求。

《抗震規(guī)范》建筑結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)及變形參考值 表1

結(jié)構(gòu)橫向和縱向靜力彈塑性分析均表明，不同加載階段塑性鉸的發(fā)展主要發(fā)生在梁構(gòu)件上，由此說明結(jié)構(gòu)滿足“強(qiáng)柱弱梁”的要求，具體結(jié)果如下。

4.2.1 結(jié)構(gòu)橫向靜力彈塑性分析結(jié)果

圖3a 為第一階段，加載至層間位移角為1/550 時結(jié)構(gòu)的塑性鉸分布，由圖可以看出，結(jié)構(gòu)的塑性鉸主要分布在2～3 層的框架梁上，結(jié)構(gòu)大部分保持彈性。

第二至第五階段分析結(jié)果如圖3b～圖3e 所示。結(jié)構(gòu)在加載到第三階段，即層間位移角約為1/120 左右時，底層柱出現(xiàn)塑性鉸如圖3c，但在此之前，結(jié)構(gòu)1～5 層框架梁兩端均出現(xiàn)不同數(shù)量的塑性鉸，這表明結(jié)構(gòu)布置合理，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)范要求的“強(qiáng)柱弱梁”機(jī)制。

圖3 結(jié)構(gòu)橫向各階段靜力彈塑性分析結(jié)果

加載至第四階段，即層間位移角為1/60 左右時，結(jié)構(gòu)中間層框架柱出現(xiàn)塑性鉸如圖3d?？蚣苤怂苄糟q均出現(xiàn)在框架梁已經(jīng)屈服的節(jié)點(diǎn)，從而說明結(jié)構(gòu)能夠在大震下保證框架梁先破壞，框架柱后破壞的損傷機(jī)制。當(dāng)加載至第五階段，即在層間位移角達(dá)到1/50 左右時，結(jié)構(gòu)依然具有一定的承載能力。當(dāng)頂點(diǎn)位移為400mm 時，3/D 處框架柱頂出現(xiàn)塑性鉸。

4.2.2 結(jié)構(gòu)縱向靜力彈塑性分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的塑性鉸發(fā)展與橫向靜力彈塑性分析的結(jié)果類似，塑性鉸主要出現(xiàn)在各層的框架梁上。頂點(diǎn)位移為420mm時，4/D框架柱柱底出現(xiàn)塑性鉸。

5 加固設(shè)計

5.1 加固方法選擇

為推遲框架柱塑性鉸的出現(xiàn)，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要對框架柱采取加固措施。對混凝土柱進(jìn)行加固處理時，常用的加固方法主要有增大截面法、粘貼纖維材料法、粘鋼法、外加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件加固法等[3]。

纖維材料雖耐腐蝕、輕質(zhì)、施工便捷，但其抗老化能力較差、耐火能力不高、對環(huán)境溫度濕度要求較嚴(yán)格；粘鋼加固一般要求環(huán)境溫度不超過60℃，相對濕度不宜大于70%，后期維護(hù)費(fèi)用較高，不宜用于腐蝕環(huán)境中；外加預(yù)應(yīng)力構(gòu)件加固法主要適用于原構(gòu)件截面偏小或需要增加使用荷載、原構(gòu)件需要改善其使用性能或者原構(gòu)件處于高應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，且難以直接卸除其結(jié)構(gòu)上荷載的情況。而增大截面加固法是目前工程中使用最廣泛的加固方法，主要是通過增加構(gòu)件的截面積和配筋，提高其承載能力和整體剛度。此方法對材料要求不高，施工簡單、適用性強(qiáng)，且加固后受力穩(wěn)定、加固費(fèi)用低[4]。

考慮到本工程為工業(yè)建筑，使用環(huán)境復(fù)雜，綜合考量后，選擇采用增大截面法對本工程框架柱進(jìn)行加固。

5.2 加固方案設(shè)計

本工程采用增大截面加固法對基礎(chǔ)頂～3層頂混凝土框架柱進(jìn)行加固，本工程采用的加固材料為HRB400 鋼筋和CGM 灌漿料（強(qiáng)度等級≥C40），框架柱截面四邊各增加80mm，與基礎(chǔ)相連的柱端截面四邊各新增280mm，另外，為保證后加固結(jié)構(gòu)與原混凝土框架的有效錨固，柱增大截面范圍從三層頂又向上延伸了一個柱寬的高度?？蚣苤敳?、中部與底部的加固詳圖如圖4所示。

圖4 框架柱增大截面法加固詳圖

5.3 加固后分析

模擬加固后的結(jié)構(gòu)，對其進(jìn)行靜力彈塑性分析，橫向靜力彈塑性分析表明，結(jié)構(gòu)在頂點(diǎn)位移為460mm 時，柱底首先出現(xiàn)塑性鉸，頂層混凝土框架柱未出現(xiàn)塑性鉸，較未加固之前的出鉸模式有所優(yōu)化。同樣，縱向靜力彈塑性分析表明，結(jié)構(gòu)在頂點(diǎn)位移為470mm 時，柱底首先出現(xiàn)塑性鉸，表明增大截面法的加固方案合理有效，其能提高柱端的抗彎承載能力與變形能力，能有效地推遲框架柱出現(xiàn)塑性鉸，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的損傷分布。

6 結(jié)語

通過對該工程的計算分析，明確了抗震鋼筋材料性能缺陷對結(jié)構(gòu)整體抗震的影響，采用增大截面法對框架柱進(jìn)行加固，并驗(yàn)證了該方法能夠有效提高鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，為其他類似工程的加固設(shè)計提供參考。