基于有限元分析的某框架结构节点抗震加固方法比较

蔡 润，赵修明

（1.天津城建大学，天津 300384；2.天津城建设计院有限公司，天津 300122）

随着我国城市化进程的不断推进，老旧建筑进行加固改造实现其功能性与耐久性优化慢慢代替了拆迁新建，从而使得房屋修缮与加固改造的研究越来越受到人们关注.目前我国老旧建筑基本采用钢筋混凝土框架结构或者框架-剪力墙结构较多，由于框架节点的应力比较集中，侧向刚度较小，在地震作用下结构产生的水平位移较大，容易造成较严重的非结构性破坏，使得节点成为了房屋加固改造的优先加固对象.

经过多年工程实践，我国在节点抗震加固技术方面取得了较多成果，许多学者也提出了诸多方法：如郭梁[1]采用了预应力钢带加固法对混凝土梁进行加固；徐成祥等[2]采用了碳纤维布加固法对混凝土柱进行加固；廖新雪[3]等采用增大截面加固法对混凝土柱进行加固；赵侃[4]采用了预应力钢绞线-外包钢复合加固法对混凝土柱进行加固.每种结构或构件的自身性质和受力特点各有差异，不同结构采用不同加固方法才能起到事半功倍的效率，因此针对不同建筑结构，加固方法的优选比较研究已是目前工程的热点问题.

本文以某大跨度框架结构厂房为例，对采用不同方法进行加固的节点进行抗震模拟.通过施加反复低周荷载，从加固方法的耐用适用性、施工条件等技术指标进行综合对比，优选其加固方法，为此类框架结构节点在加固方法的选择上提出建议与参考.

1 某框架结构及其抗震加固方案

1.1 工程概况

该工程位于天津市东丽区，为一幢建于九十年代的两层钢筋混凝土框架结构厂房（二层为错层），长宽为95.5 m×57.6 m，一层高6.5 m，二层均高7.1 m，每一榀框架内均设置有井字形次梁. 原设计抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.15 g，设计地震分组为第二组. 鉴于目前《建筑抗震设计规范》GB 50011—2010（2016 年修订版）要求，现天津市（除西青、静海、蓟州）抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.20 g，设计地震分组为第二组.故为了该厂房能够保证后续使用的安全性，有必要对其进行抗震加固.

该厂房的主梁梁端截面为200 mm×580 mm，柱端截面为700 mm×700 mm，混凝土为C40 等级，梁柱纵筋与箍筋均采用HRB400 型钢筋.该厂房为大跨度结构，梁端为负弯区，上部受拉，下部受压.设置梁配筋为上部8 根直径22 mm 钢筋，下部8 根18mm 钢筋，计算配筋率为2.5%. 设置柱配筋为四周放置12 根20 mm 钢筋，计算配筋率为1.85%. 梁柱箍筋均为8@100/200.本文取该厂房一框架进行加固计算，图1为原结构梁柱配筋示意图.

图1 原结构的梁柱配筋示意

1.2 加固方案

由于该厂房空间大、周边环境干燥温和，黏贴碳纤维布加固法、增大截面加固法以及外包预应力钢带加固法加固等方法均较适宜.本文拟采用有限元方法对该3 种加固法进行模拟计算，以结构在给定的低周反复荷载下不发生剪切破坏为加固目标.

由于各加固方法无法定量比较，本文参考卓卫东[5]的方案，假设加固后柱的轴压比为0.3，计算得出加固材料用量，并由此设计加固方案，各具体加固方案见表1.

表1 加固方法及材料用量

2 有限元模型计算

2.1 有限元模型

本文采用Abaqus 软件进行模拟分析. 由于研究重点是框架节点处的加固效果，故在节点部位以外粗化了网格.基于预定的加固方案，本文设计了4 个框架模型，加固所需的部件（见图2）以下列方式连接.

图2 加固所需的部件

（1）钢筋-混凝土以及增大截面加固法新增钢筋与混凝土之间使用“Embedded region”连接.

（2）梁柱之间、外包混凝土与原有混凝土之间、预应力钢带与滚凝土之间以及碳纤维布与混凝土之间使用“Tie”连接.

（3）由于柱底以及梁柱节点处施加荷载和约束不利于模型计算速度，故设置几个参考点与柱底和梁柱节点使用“Couple”连接.

2.2 加载制度

本文采用线性静力分析，首先约束柱底的六个自由度，其次对框架施加恒定竖向均布荷载和反复低周水平力作用，其中上下两层梁受到0.9 m/s2的恒定竖向荷载，在二层一侧梁柱节点处施加低周反复水平荷载[6].

低周反复水平荷载的加载制度采用等周期变幅值的加载方式，如图3 所示.位移从小到大，在整个框架屈服后，继续加载，直至框架承载力下降至最大承载力的85%，即达到极限状态为止[7].

图3 低周反复加载制度

基于本模型，分别计算其梁柱节点的反作用力与位移、结构钢筋骨架整体的应力与应变以及加固材料的应力与应变.

3 计算结果与分析

3.1 加固效果与分析

针对本文提出的3 种加固方法进行了分析，经模拟计算，其计算结果和抗震性能指标见图4 和表2.由图4 和表2 可知：对于未加固模型JG-0，当加载位移达到20 mm 时，节点处纵筋接近或已经屈服；当位移达到40 mm 时，承载力已降至水平力的85%以下，已不能保证基本承载能力，发生了弯曲破坏. 在加固后的模型中，外包预应力钢带加固提升的延性最高，破坏时位移达到了80 mm 左右，其塑性应变也达到了0.014，相较未加固结构提升了91.79%；增大截面加固法对承载力的提高十分明显，最大承载力达到了471.5 kN，比未加固结构提升了91.12%，但对结构的延性没有太多提高；黏贴碳纤维布加固对屈服应力和延性性能均有提高，但对承载力的提高很小.

图4 加固模型计算结果

表2 加固模型的性能指标

图5 为各模型的骨架曲线，由图5 可以进一步证实，在三种加固技术中，增大截面加固法对结构承载力提升最大，但延性最小；外包预应力钢带加固法虽然承载力提升方面不如增大截面法效果显著，但是其骨架曲线下降段十分平缓，在震害发生时有利于耗散更多地震能量.

图5 各加固模型的骨架曲线

3.2 滞回曲线分析

图6 为低周反复水平荷载下梁柱节点滞回曲线，表3 为各模型滞回环面积以及有效滞回环面积.从图6 和表3 可以看出，采用各加固方法的滞回环面积明显比未加固时有所提升.但经计算分析，虽然增大截面加固法使得结构的最大承载力提升明显并导致整体滞回环面积远超其他加固法，但由于增大截面加固的结构在承受较小的水平位移后就达到破坏状态，因此实际有效耗能与其他加固法相比并不具有优势.相反由于施加外包预应力钢带加固后结构的延性提高，其滞回环面积远超其它加固方式.表3 给出了各模型滞回环面积以及有效滞回环面积.

表3 各加固模型的能量耗散性能

图6 各加固模型的滞回曲线

3.3 加固方法优选

基于前述分析认识到，通过黏贴碳纤维布加固后，结构屈服强度大幅提高，弹性应变的幅度得到提升；在地震烈度不大的情况下，结构产生的变形能够自行恢复，抵抗小震的性能明显优于其他两种.通过增大截面法加固的结构，其承载力大幅提高，适合于恒载较大、使用空间充足且高度低面积大的工业建筑，这样可以减小增大截面加固法抵抗变形能力不强的缺点[8]；而外包预应力钢带加固法耗能能力突出，且屈服强度增幅也比较明显，并且抵抗变形能力远优于其他两种加固方法.

从成本和施工难度而言，增大截面加固法施工工艺较为简单，但成本较高，且湿作业施工时间长，施工完成后需要养护一段时间，施工周期长.相较而言，外包预应力钢带加固施工方便，加固完成后可立即投入使用，但是要求工人的施工技术高，钢带穿孔的位置要求十分精准才能达到预期效果.而黏贴碳纤维布加固法成本低廉，施工简单，但耐高温能力差，不适宜长期在高温工况下工作.

综上分析，虽然外包预应力钢带加固法的施工技术要求较高，但是在加固后的效果使其更有优势，因此预应力加固法在本工程中应作为优选加固方案考虑.

4 结论

本文基于某框架工程实例，采用Abaqus 软件对不同加固方法进行节点抗震性能分析，得到以下结论.

（1）黏贴碳纤维布加固法、增大截面加固法以及外包预应力钢带加固法对梁柱节点的抗震性能均有加强，三种加固方法均为有效的抗震加固方法.

（2）黏贴碳纤维布加固法对整个框架的屈服强度提升最大，增大截面加固法对梁柱节点的承载力提升最大，外包预应力钢带加固法对梁柱节点的耗能能力和延性性能均提升最大.但是，碳纤维不易在高温环境下工作，增大截面法成本很高且施工工期长不适宜于作为正在使用的厂房的加固手段.考虑到各项指标以及实际工程中施工难度以及适用性，外包预应力钢板加固法相对其他两种是最优选项.