结构微损旧厂房的加固及抗震性能

张哲，刘洪滨，关键

（1.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山114051；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京100088）

结构微损旧厂房的加固及抗震性能

张哲1，刘洪滨1，关键2

（1.辽宁科技大学土木工程学院，辽宁鞍山114051；2.中冶建筑研究总院有限公司，北京100088）

某化工厂厂房为混凝土框排架体系和不规则错层结构，因建成时间过长，结构出现了不同程度的破损。为了保证结构的正常使用，对该化工厂厂房进行了检测、鉴定与加固设计。对加固后的建筑进行了多遇及罕遇地震下静力弹塑性分析。分析表明，该结构加固后满足“强柱弱梁”的概念设计要求，从结构静力弹塑性分析可以看出，结构的破坏首先发生在进行过加固处理但是截面尺寸较小的构件。证明了错层结构可以采用局部加固的措施进行加固设计，但同时也需要进行整体分析计算，确保结构安全可靠。

结构加固；检测与鉴定；静力弹塑性分析；抗震性能

钢筋混凝土结构在使用30～50年之后会出现一定的损伤和安全隐患，可采取加固措施或加层来降低事故概率［1］。国外对结构加固的研究相对较早，日本、美国已经形成了一套丰富成熟的理论体系。国内相关专家紧跟国外建筑结构加固的研究步伐，近些年不断地进行实验研究。蒋青青等对采用外包钢法加固的钢筋混凝土柱进行了试验研究［2］；王余棘等分别对采用增大截面法四周加固和采用外包钢法加固的钢筋混凝土柱进行了试验研究［3］；白保旭、白刚、张保检、梁红星等人先后对粘钢法加固混凝土构件的抗弯、抗剪、抗疲劳等性能进行了试验研究和受力情况分析［4-7］；刘祖华等利用解析方法分析了粘钢加固梁的受力情况［8］。这些研究都极大地促进了我国建筑结构加固理论的发展。同时我国还颁布了一系列的结构加固规范，如《混凝土结构加固技术规范》《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》《钢结构加固技术规范》《建筑抗震加固技术规程》等。这些专业的改造加固类标准规范与相关的设计规范一起，初步形成了我国建筑工程改造加固领域的标准规范体系，对我国该领域的发展和各种最新科研成果的推广应用起到了积极作用［9］。

本文依据现行规范对某化工厂房结构框架进行相应的鉴定与加固。综合考虑结构的检测鉴定结论和静力分析结论给出了结构的加固措施，对加固后的结构进行了计算分析，确保了结构的安全性和可靠性。由于结构是错层结构，考虑到结构的不规则性，运用SAP2000对结构进行静力弹塑性分析，得出结构在多种地震作用下的性能点位移、结构塑性铰的发展过程，验证了结构遭受强震时的安全性，并找出结构的薄弱环节，为后期维护提供可靠依据。

1 工程概况

某化工厂框架建于1993年，采用混凝土框排架结构体系。A～D轴为单层框架，平台高度为11.480 m；D～F为错层框架，平台高度为8.980 m、14.480 m。框架总长30.000 m，宽15.000 m，横向柱距为6.000 m，纵向柱距为7.500 m，框架柱均采用500 mm×800 mm的钢筋混凝土柱。框架柱基础为钢筋混凝土独立基础，框架为露天无围护结构。框架柱布置如图1所示。

图1 框架柱布置图，mmFig.1 Frame column layout，mm

2 结构的检测加固

2.1 结构检测鉴定结论

现场检查发现，框架柱、梁的混凝土保护层开裂、脱落，钢筋裸露严重锈蚀，且所检测平台梁和板混凝土强度高于C20等级，低于设计要求的C25等级；柱混凝土强度高于C25等级，低于设计要求的C30等级。原结构配筋率在结构强度折减之后仍符合要求，结构的X，Y方向层间位移角均小于规范规定的1/500，结构柱的轴压比均小于0.75的要求。

根据国标《工业建筑可靠性鉴定标准》（GB 50144-2008），对某化工厂框架结构的现场检查、检测、计算及分析，得出鉴定结论如下：该厂房结构部分构件破损严重，存在安全性缺陷和隐患，可靠性等级为三级，即该框架不符合国家现行标准规范的可靠性要求，在目标使用年限内明显影响整体正常使用，应采取加固措施。

2.2 结构的加固分析

2.2.1 加固设计综合结构鉴定结果采取以下加固措施：（1）对有裂缝，保护层脱落的混凝土柱、平台梁加以修补，凿除破损的混凝土保护层，将外露钢筋进行除锈处理，喷射灌浆料重新保护。（2）对有钢筋裸露锈蚀严重的混凝土柱、平台梁需将外露钢筋进行除锈处理，喷射灌浆料重新保护后用角钢及钢板加固。对现状缺陷评级为c和d级的混凝土梁柱进行加固。

综合考虑场地条件，价格比，性能比等条件决定采用外包型钢加固法。结构的梁和柱均采用规格为L160×16 mm的等边角钢对其加固，具体的加固形式如图2所示。

图2 框架柱梁加固图Fig.2 Schematic diagram of reinforced frame

2.2.2 分析计算采用PKPM软件对结构加固前后计算进行了对比，并给出了具体的对比结果。

（1）加固前后周期对比。由表1可知，加固后结构的X方向平动周期为加固前的81.09%，Y方向平动周期为加固前的81.08%，扭转周期为加固前的79.62%。周期缩短说明加固后结构整体刚度增加。

其中，矿石矿物主要有毒砂、黄铁矿、褐铁矿、自然金；脉石矿物主要为石英、绢云母、白云石、方解石。矿石结构主要有自形粒状结构、半自形粒状结构、他形粒状结构、草莓状结构、交代结构、包含结构、变余显微鳞片泥质结构等。矿石构造主要有浸染状构造、脉状穿插构造、斑杂构造[6]。矿体围岩蚀变较明显，主要有硅化、绢云母化、碳酸盐化、黄铁矿化、毒砂化等。矿石主要为浸染状压碎岩型。主要含金矿物为毒砂，Au元素以细小的自然金的形式被毒砂包裹。

表1 加固前后周期对比Tab.1 Comparison of period before and after reinforcement

（2）加固前后轴压比对比。由表2可知，经加固处理的柱子轴压比减小了一半左右，未经加固的柱子轴压比不变或略有增加，这是因为结构部分刚度增大，内力发生重分布。柱子的轴压比均满足规范要求。

表2 加固前后轴压比对比Tab.2 Axial compression ratio of concrete column of reinforced structure

（3）加固前后层间位移角对比。由表3可知，加固后结构的X方向的层间位移角为加固前的93%，Y方向的层间位移角为加固前的92%。其大小满足规范要求。

表3 加固前后层间位移角对比Tab.3 Comparison of interlayer displacement angle before and after reinforcement

所以只对部分构件加固，结构的各项性能仍然符合规范要求，加固处理合理。

3 结构的静力弹塑性分析

由于本结构为错层结构，为不规则结构，薄弱部位在遭遇强震时可能导致结构发生严重破坏，故需要对其进行多种地震下的弹塑性分析［10］。本文选用SAP2000软件对结构进行静力弹塑性分析，以探讨结构在强震下的抗震性能。

3.1 结构荷载施加

常用的荷载施加方式有三种：重力荷载+大小相等的均布荷载，重力荷载+倒三角荷载，重力荷载+结构振型分解反应谱法组合出的惯性力。本文采用重力荷载+Y方向水平荷载的加载方式。

3.2 塑性铰的定义

图3 塑性铰的力-位移曲线Fig.3 Force displacement curve of plastic hinge

本文均采用系统默认铰，在距离结构梁两端十分之一梁长处分别定义了一个弯矩（M3）塑性铰，在距离柱两端十分之一柱长处分别定义一个双向弯矩轴力耦合铰（P-M2-M3）［12］。

3.3 荷载-位移曲线的确定

结构的荷载-位移曲线如图4所示。随着荷载的增加，结构位移也在增加，且随着荷载的增加，曲线的斜率逐渐减小，这是由于结构塑性铰的增加使结构刚度降低。结构荷载最大值为3 264 kN，此时的位移约为0.033 mm。

图4 结构的荷载位移曲线Fig.4 Force-displacement curve of structure

3.4 结构性能点的确定

不同形式地震的最大影响系数αmax大小不同，从而使得反应谱不同，软件通过定义的CA和CV大小来定义不同的反应谱，比较中国和美国的相应规范可以得出地震最大影响系数和CA与CV的关系：2.5CA=αmax，CV/Tg=αmax。多遇地震：CA= 0.048，CV=0.042；罕遇地震：CA=0.288，CV= 0.252。经过Pushover计算分析，地震下结构的性能点如表4所示。

表4 地震下结构性能点Tab.4 Structure performance under earthquake

经计算，多遇地震下结构的层间位移角为1/ 2204，小于规范所要求的1/550，所以符合要求；罕遇地震下结构的层间位移角为1/701，小于规范所要求的1/50，所以符合要求。

3.5 结构塑性铰的发展过程

为了研究结构在地震作用下塑性铰的发展过程，本文在结构的Y方向施加10步水平荷载，每步荷载为300 kN，以模仿地震荷载。结构上不同的塑性铰代表了不同能力水平，塑性铰（B）代表着结构发生屈服，（IO）的塑性铰对应着结构处于直接使用状态，（LS）对应着结构处于生命安全状态，（CP）对应着结构处于防止倒塌状态，（C）对应着结构达到极限承载力状态，（D）对应着结构还有一定的残余强度，可认为结构发生了破坏。塑性铰数量变化如表5所示。其中在B阶段之前塑性铰为弹性变形，塑性铰从B到破坏发生塑性变形。

表5 塑性铰数量变化表Tab.5 Quantity change table of plastic hinge

对于结构的A-D轴，结构的塑性铰首先出现在未加固的梁端，随着外力的增加，结构在加固的梁、柱两端才渐渐出现塑性铰。相对于A-D轴的塑性铰，两层结构的D-F轴塑性铰的发展要快许多，结构的薄弱环节在已进行了加固处理但是截面尺寸较小的F轴上，且结构破坏时A-D轴没有达到其最大承载力，整个结构在分析过程中未出现结构倒塌的塑性铰。

同一框架的塑性铰先出现在梁上，再出现在柱上，且结构最先破坏的构件也是梁，所以此结构符合强柱弱梁的要求。静力弹塑性分析证明了错层结构在进行加固处理时也可采用局部加固的方法，但需要进行加固后的整体分析计算。

4 结论

通过对结构进行静力弹塑性分析中塑性铰的发展过程可知，结构在遭遇强震的破坏过程中塑性铰最先出现在梁处，然后再出现在柱处，且在结构破坏时梁先破坏，故结构满足抗震设计中的“强柱弱梁”的要求。结构不论在多遇地震还是在罕遇地震时，结构达到性能点时的层间位移角均满足相应规范的要求，说明结构满足抗震规范中“大震不倒”的要求。对于错层结构，结构破坏首先发生在楼层高度较高的结构，塑性铰首先出现在进行加固处理后的截面尺寸较小的构件。错层结构可以采用局部加固措施，但需要进行加固后的整体分析计算，以确保结构在后续使用过程中的安全可靠性。

［1］王建勋.钢筋混凝土结构加固技术［J］.山西建筑，2010，36（10）：70-71.

［2］蒋青青，杜海强，周俏冰.某工业厂房的加固改造设计［J］.工程抗震与加固改造，2006，28（6）：90-93.

［3］王余棘.某教学楼的多种加固方法设计［J］.建筑与结构设计，2006（6）：33-36.

［4］白保旭，黄瑞平.建筑结构外部粘钢加固技术的研究与应用［J］.中国科技信息，2005（13）：126-126.

［5］白刚.建筑结构外部粘钢加固技术的研究与应用［J］.科技信息：科学教研，2007（18）：126-126.

［6］张保检，孟桂花，王建.建筑物加固改造过程中粘钢技术［J］.科学之友，2007，10（16）：54-55.

［7］梁红星.粘钢加固技术的应用［J］.山西建筑，2006，32（23）：159-159.

［8］刘祖华，朱伯龙.粘钢加固混凝土梁的解析分析［J］.同济大学学报，1994，22（1）：21-26.

［9］李林.建筑结构加固改造工程实例分析［D］.西安：西安建筑科技大学土木工程学院，2005.

［11］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.北京：人民交通出版社，2006：237-239.

［12］姜锐.SAP2000在静力弹塑性分析中的作用［J］.郑州大学学报，2004，25（4）：20-23

Seismic performance analysis of plant after reinforcement

ZHANG Zhe1，LIU Hongbin1，GUAN Jian2
（1.School of Civil Engineering，University of Science and Technology Liaoning，Anshan 114051，China；2.Central Research Institude of Building and Construction Co.，Ltd，MCC Group，Beijing 100088，China）

A chemical plant with concrete frame system and irregular staggered structure fell into disrepair and the structure has been damaged to varying degrees.In order to ensure the normal use of the plant，the detection，identification and reinforcement design of the plant is carried out.The static elastic-plastic analysis of reinforced buildings on frequent and rare earthquakes is carried out.The result shows that the structural design meets the requirements of the concept of"strong column and weak beam".It can be seen from the static elasticplastic analysis that the destruction occurs first in the reinforced beams with small sections.The local reinforcement design can be used onto the staggered structure，meanwhile to make the calculation to ensure the safety and reliability of the structure.

structure reinforcement；elasto-plastic analysis；seismic performance

September 29，2016）

TU313

A

1674-1048（2017）02-0138-05

10.13988/j.ustl.2017.02.011

2016-09-29。

张哲（1993—），女，辽宁鞍山人。

刘洪滨（1966—），女，辽宁鞍山人，教授。