单跨框架结构抗震加固方法的分析比较

陈 特

（浙江广厦建设职业技术学院 浙江金华 322100）

单跨框架结构抗震加固方法的分析比较

陈 特

（浙江广厦建设职业技术学院 浙江金华 322100）

现阶段，比较常用的几种单跨框架结构加固方法主要有增设框架柱加固法和增设剪力墙加固法以及增设屈曲约束支撑加固法，三种方法在目前的建筑结构加固过程中发挥出了重要的作用。本文中以一学校的单跨框架结构的教学楼为例，对单框架结构抗震加固的几种方法进行了详细的对比分析，希望对日后相关工作提供一定的借鉴和帮助。

单框架结构 抗震加固 剪力墙 屈曲约束

引言

在现阶段的我国中小学校舍建设中，采用最为广泛的一种结构形式就是单跨框架结构，由于该结构具有较少的超静定次数、较小的抗侧刚度，同时耗能能力也比较弱，因此在历次的地震灾害中，单跨架构所受到的损害是比较严重的。在我国中小学，一显著特点就是人员集中程度普遍较高，一旦由于地震导致校舍的坍塌，那么势必会造成重大的人员伤亡，严重威胁到师生们的生命安全，所以现在已经将校舍建设工作提高到了重点设防类建筑项目。目前相关规定中明确表示，对于乙类建设项目已不得再使用单跨框架结构，对于之前已经应用的单跨结构也要进行必要的抗震加固工作。

一.工程概况

某学校4层教学楼，采用混凝土单跨框架结构；其具体结构尺寸如下：单跨跨度为6米，开间为3.6米，外挑走廊宽度为2.1米，框架柱具体尺寸为400毫米*400毫米，纵向框架梁尺寸为250毫米*350毫米，横向框架梁尺寸为250毫米*550毫米，连梁尺寸为250毫米*250毫米。工程中所有的空心楼板、柱、梁均采用型号为C25的混凝土，受力钢筋为HRB335级钢筋。设定场地类别为IV类，采用的放烈度为7度，地震加速度为0.1g。

二．加固方案

常见的加固方法有以下三种：

（一）增设框架柱加固法

在教学楼建筑中由于悬挑走廊的存在，使得结构的刚度中心与质量中心发生了一定程度的偏移，导致在地震的作用下框架结构很容易就会出现扭转变形。在主框架轴上加设一排框架柱便可有效地解决此问题。在横向上，促使结构成为了一种双跨框架。新增框架其界面尺寸为300*300毫米，所用混凝土依然为C25型号。

（二）增设屈曲约束支撑加固法

屈曲约束支撑有效的解决了普通支撑稳定性较差的问题，同时还有效的减小了支撑截面面积，促使结构的刚度明显降低，使得结构地震的作用得到了最大化的减低，同时也促使结构的延性性能及耗能能力得到了明显的加强。在目前的加固工程中，屈曲约束支撑得到了广泛的使用，而且发挥出了优异的效果。约束支撑的应用能够减少了加固工程的工程量，降低的工程造价，同时还极大地提高了单跨框架结构的设防等级，结构耗能能力也得到了明显的改善。在本文案例中，采取的增设屈曲约束，其中纵向支撑采取的是单斜撑布置，而横向支撑采取的是人字形布置，其有效支撑面积取2500平方毫米，屈服力为300KN。

（三）增设剪力墙加固法

楼梯作为地震发生时的主要逃生通道，因此在楼梯两侧增设剪力墙进行结构加固就显得尤为重要。另外；由于教室在形状上是长方形，因而为了有效地减小温度裂缝，纵向剪力墙尽量避免在平面的两端进行布置。综合考虑教学楼的使用功能，现将剪力墙后去取150毫米，混凝土为C25型号。

三．多遇地震下的反应谱分析

对单跨框架结构加固前后，通过MIDAS/GEN的应用来完成多遇地震下的反应谱分析。对于原结构的计算模型记为M0，而对于采用了上述三种单跨框架结构加固方法的模型分别记为M1，M2和M3.

无论是采用上述三中的哪一种加固方法，单跨框架结构的抗侧刚度在一定程度上都得到了提高，在多遇地震的环境中，其最大层间位移也明显的减小，其中通过实施增设屈曲约束支撑及剪力墙的加固方法，取得的效果相比于增设框架柱的方法要更为明显。

四．罕遇地震环境下的静力弹塑性分析

（一）基本原理

静力弹塑性在现代结构抗震性能的评估过程中具有极为广泛的应用。静力弹塑性分析法就是将与沿结构高度按一定形式分布的地震作用力等效的侧向力施加于单跨框架结构，并不断的加强该侧向力，促使单跨框架结构实现由最初的弹性状态向塑性状态的逐渐转变，直至实现预定的塑性目标位移。对单跨框架结构进行弹塑性分析，能够发现在罕遇地震的环境下所存在的薄弱环节及潜在的破坏机制。

依据美国的FEMA抗震评估方法，可以将结构中的各种塑性铰本构关系进行具体归纳，将评估所得到的关系曲线分为了四个阶段：1）弹性段；2）强化段；3)卸载段；4）塑性段。

上述三种加固方法的实施，除模型M3的纵向目标位移取150毫米之外，其他模型均取300毫米。一般载荷的加载模式有三种，包括均匀分布、SRSS分布及倒三角形分布。对于结构在地震过程中的全部变形和受力情况，目前还没单一的一种荷载分布模式来反应，所以在分析过程中一般会采取多种（至少两种）荷载分布模式。

（二）静力弹塑性结果分析

通过对上述四个基本模型进行横向及纵向的分析，分别得到了四个模型的横向及纵向的顶点位移剪力曲线。在应用的增设框架柱的加固方法后，使得框架结构的抗侧刚度及承载力都有所提高，同时延性也略有降低；而采用的增设屈曲约束支撑加固方法，在实现了框架抗侧刚度及承载能力明显提高的同时，延性降低效果也比较明显；采用增设剪力墙加固后，结构的抗侧刚度及承载能力得到了大幅度的提高，在曲线下降到一定程度后又出现了继续升高的趋势，同时上升段的直线斜率同M0曲线出时段的斜率相近，这也说明了当地震作用冲破了作为第一道防线的剪力墙之后，作为第二道防线的框架开始替代剪力墙承受地震作用。

从模型M0到M3，随着结构抗侧刚度的不断加大，横向、纵向上的层间位移出现了逐渐减小的现象，采取增设剪力墙及增设屈曲约束加固的方法能够促使在纵向上的层间位移角度得到了明显的降低效果。在M0模型中，其底层及2层框架梁的端部最先出现了塑性铰，而后再三层框架的接近走廊端出现塑性铰，在临近性能点时，底层框架柱根部出现塑性铰；而在M1模型中，底层和2层框架梁的端部及新增框架柱的根部最先出现塑性铰，随后在3层新增框架柱顶部及三层框架梁端部出现塑性铰，临近性能点时，所有的原框架柱根部出现塑性铰；而在M2模型中，屈曲约束支撑的中部最先出铰，在接近性能点时，所加设的支撑的底层框架梁两端及2层框架梁靠近走廊端的边跨框柱根部出铰。在模型M3中，仅在性能点时刻，底层和2层的局部框架柱及纵向剪力墙出铰。

从上述的塑性铰发展过程分析，采取的增设屈曲约束支撑及增设剪力墙使结构体系得到了有效地固化，同时还增设了多道防线，促使单跨框架结构在地震时能够具有更强的稳定性。

五．结语

单跨框架加固的方法应用比较广泛的有三种，其一是增设框架柱，其二是增设屈曲约束支撑，其三是增设剪力墙。通过文中对三种方法的详细对比分析，最终得出，增设屈曲约束支撑及增设剪力墙相比于增设框架柱的方法具有更为显著的加固效果，前两种方法能够给结构带来很大的刚度和承载能力，同时又保证了结构主体的安全性能，另外还具备施工简单，无湿作业的优点，应该得到进一步的推广。

[1]华飞翔. 中小学校舍单跨框架结构抗震加固技术比较分析[D].合肥工业大学,2013.

[2]李鹏. FRP抗震加固RC框架结构的动力时程分析[D].济南大学,2013.

[3]吴善能,汤翔. 几种单跨框架结构抗震加固方法的比较[J]. 四川建筑科学研究,2012,04:160-164.

[4]连军. 单跨框架结构抗震加固与改造[J]. 土木建筑与环境工程,2012,S1:25-27.

[5]段贵明,史铁花. 单跨框架结构抗震加固方法研究[J]. 建筑结构,2010,05:72-73.

[6]胡凯,储隽,谢宇峰,瞿革. 某单跨框架结构抗震加固设计与分析[J]. 建筑结构,2010,S2:7-9+20.

[7]高朝阳. 损伤混凝土框架抗震加固Pushover分析[D].郑州大学,2013.

[8]王财权. 单跨框架结构翼墙加固抗震性能研究[D].中国地震局工程力学研究所,2012.

[9]杜志强. 基于性能的RC框架结构抗震加固研究[D].沈阳建筑大学,2011.

[10]骆剑峰. 框架结构静力与动力弹塑性抗震分析对比研究[D].同济大学,2007.

G322

B

1007-6344（2015）12-0100-01

陈特 浙江广厦建设职业技术学院 浙江金华 322100 男 198901 浙江金华 研究生 职称无 研究方向：结构工程