钢筋混凝土框架结构采用防屈曲支撑加固分析

唐 俊 徐章雄 卢文胜

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)

1 引言

防屈曲支撑的概念最早于1973年由Wakabayashi M 等提出［1］，之后 Kimura等对其开展了包括疲劳性能在内的一系列研究［2］。防屈曲支撑可分为管式与墙板式，其相比普通支撑能提供更大的抗侧刚度和承载力，且在大震下，通过工作段充分的弹塑性变形可耗散大量地震能量，使结构主体仍处于弹性或弹塑性受力范围［3］。其优越性被逐渐认可并在国内外工程设计中应用，如大阪国际会议中心、上海世博中心会展区等［4－5］;同时在结构加固领域也广为应用，如北京顺义区某小学教学楼加固工程、安徽合肥某建筑夹层加固工程等［6－7］。对既有框架结构而言，相较于传统的增大截面法，防屈曲支撑加固法具备性能及工程量方面的双重优势。

框架结构是最常见的建筑结构形式，但在早期结构设计中往往采用静力设计方法，不考虑地震作用影响，加上年代久远使得结构性能严重退化，难以满足现行规范要求。

2 工程概况及加固方法

2．1 工程概况

上海市某优秀历史建筑建于1935年，占地面积约1 321 m2。建筑长 43．78 m，宽 30．18 m，标准层高为3．66 m，地下室1层，地上6层，其典型结构平面如图1所示。该建筑结构类型为钢筋混凝土结构，上部楼层柱截面逐渐减小，结构中柱具体尺寸参见图2。

图1 典型结构平面示意图(单位:mm)Fig．1 Typical plan of the structure(Unit:mm)

图2 典型结构剖面示意图(单位:mm)Fig．2 Typical cross-sectional view of the structure(Unit:mm)

柱截面在5层骤减，导致楼层抗侧刚度突变，上部结构抗震性能难以满足现行规范的要求。可采用防屈曲支撑加固法或增大截面加固法进行加固，两种方法对比如表1所示［8］。

表1 加固方法对比Table 1 Contrast of the strengthening methods

2．2 防屈曲支撑加固法

防屈曲支撑布置原则为:

(1)满足建筑使用空间与功能要求;

(2)保证结构安全前提下尽量经济;

(3)布置宜对称，尽量使得结构形心与刚度中心重合。选择对称布置双向防屈曲支撑，具体布置位置见图1、图2中虚线部分。考虑到原结构材料强度较低，为保证连接性能，可通过复合纤维材料加固等便捷措施改善与支撑相连构件的结构性能。其连接示意图如图3所示［9］。

2．3 增大截面法加固法

采用增大截面法对结构4～6层结构中柱加固。加固后柱边长增加240 mm，加固混凝土采用C30，加固钢筋采用HRB400，其具体加固方式见图4。对局部不满足抗震验算的少数梁，采用复合纤维材料加固法进行局部加固［10］。

3 加固模型建模分析

3．1 建模方法

采用PMCAD和SATWE进行建模分析，抗震部分进行小震验算。尺寸和强度采用现场检测数据，参见表2;结构模型不含地下室部分，加固后模型见图5。

3．2 建模参数与取值

建模参数与取值详见表2。依据现场检测情况，房屋结构材料老化现象较为严重，故钢筋与混凝土等级均采用较低等级。局部开裂与老化现象明显的构件对其混凝土强度予以折减，混凝土材料采用C10，约为现场检测数值的0．7倍。其中防屈曲支撑采用箱型截面支撑等效［11］。

图4 增大截面加固示意图(单位:mm)Fig．4 Schematic diagram of enlarging-cotumn-area(Unit:mm)

图5 加固模型截图Fig．5 Screenshots of the strengthening model

3．3 加固前构件承载力

对原结构按静力作用及风荷载、地震作用组合两种情况进行计算分析，并与原设计进行对比，结果为:

(1)考虑静载作用，按1．35恒+0．7活荷载组合，对结构各层梁、柱的承载力进行验算，均满足要求，且有较大富余度，参见表3;

由于不同压载舱水深不同，按照水深分成A、B、C等3类。A类压载舱包括D1和D2，B类舱包括L1、L2、L3，C类舱包括T1和T2。各舱由压载水表面至舱底的20个不同深度点进行采样，每个点采集5～15 L水样，测试水温。现场取5～8 L不等，使用15 μm孔径的筛绢进行过滤，水质澄清后灌入采样瓶，密封并带回实验室处理。采样船舶情况如表1所示。

(2)按现行抗震要求对加固前结构进行验算，发现柱截面尺寸发生突变的5层大部分中柱，及4和6层少数中柱无法满足要求;

(3)与支撑布置临近的10根梁无法通过验算。静载下轴力N与柱混凝土截面承载力C的比值见表3。

表2 建模参数表Table 2 Modeling parameters

表3 结构柱静载轴力与承载力比值Table 3 The ratio of lumn axialforce to the capacity under static loading

3．4 结构振型周期

加固前后结构前3阶振型周期如表4所示。

表4 结构前3阶振型周期对比Table 4 Contrast of periods of the first three vibration modes

由表4可知:

(1)结构加固前后周期均满足规范前两周期为平动，周期比小于0．9的要求;

(2)结构加固后周期均比加固前周期小，说明布置12榀防屈曲支撑或增大柱子截面会使结构整体刚度增大;

3．5 剪重比及有效质量参与系数

取前21阶振型参与地震组合作用计算时，加固前后X，Y方向的剪重比及有效参与质量系数列于表5，X，Y方向各楼层剪重比与有效质量参与系数均满足现行抗震规程要求。

表5 结构剪重比及有效质量参与系数对比Table 5 Contrast of shear-weight ratio and effective mass coefficient

3．6 位移反应

主体结构中添加防屈曲耗能支撑加固后，由于支撑作用，相邻梁柱的受力性能、抗震性能将会提高，且变形趋于协调一致，此时有支撑相连接的局部梁柱体系整体刚度将得到较大增强。

整体结构的结构体系将由纯框架结构转变为框架－抗震墙结构，故通过防屈曲支撑加固后的结构体系认定为框架－抗震墙体系更为合理，其相应的层间位移角限值取1/800。

加固前后的双向地震作用下楼层最大弹性层间位移角如图6所示。由图可知，两种加固方法均能有效控制结构最大层间位移角，提高结构的整体抗震性能。特别在柱截面尺寸突变的4～6层，最大层间位移角减小量较大，而防屈曲支撑加固法比增大截面加固法更为明显。

图6 地震作用下最大层间位移角对比曲线Fig．6 Comparison of curves of the maximum story drift angle under earthquake

4 结论

对框架结构分别采用防屈曲支撑加固法与增大截面加固法进行加固设计与建模分析，获得以下结论:

(1)分析建模过程依据检测资料，对有裂缝或破损部位进行强度、刚度的折减，可真实地模拟实际结构;

(2)防屈曲支撑加固或增大截面加固时，采用对称布置构件方法，可有效改善对结构整体扭转性能;

(3)采用防屈曲支撑加固法较增大截面加固法在加固效果及工程量上具有双重优势，能有效地从整体上改善框架结构抗震性能。

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［10］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50367—2006混凝土结构加固设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2006．Ministry of Housing and Urban-Rural Construction of the People’s Repubtic of China．GB 50367—2006 Design code for strengthening concrete structure［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2006．(in Chinese)

［11］ 上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司．TJ型屈曲约束支撑设计手册［M］．4版．上海:同济大学出版社，2009．Shanghai Lanke Steel Technology Development Co．，Ltd．，TJ buckling restrained braces design manual［M］．Fourth Edition．Shanghai:Tongji University Press，2009．(in Chinese)