基于性能的既有建筑防屈曲支撑抗震加固设计

2021-04-06王四清艾辉军唐学武毛土明

建筑科学与工程学报 2021年2期

王四清，陈宇，艾辉军，唐学武，邵磊，毛土明

(1. 湖南省建筑设计院有限公司，湖南长沙 410006； 2. 湖南省地震局，湖南长沙 410004)

0 引言

随着《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)[1]的实施，湖南的抗震设防要求全面提高，实现了抗震设防全覆盖，新增抗震设防6度区域占到了湖南省面积50%以上。原非抗震区的既有建筑物普遍存在抗震能力偏低，甚至没有任何抗震构造措施的情况。这些区域内重点设防类建筑、生命线工程建筑以及老旧保护性建筑等有提高抗震能力的切实需求[2-3]。

现行《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)[4]对抗震鉴定工作起到了重要指导作用，但其基于的设计思想是“小震弹性承载力+抗震延性构造措施”。随着抗震评估和加固设计工作遇到越来越复杂的挑战。如能直接定量评估建筑结构在中震和大震下的抗震性能，包括各构件在中震和大震下的性能状况，则可更准确判断既有建筑是否需要抗震加固及如何更有效地加固结构[5-7]。因此，急需引入性能化设计理论，更好地评估既有建筑在中震和大震下的抗震性能。

既有结构加固方法很多。传统方案一般基于结构构件加固，对于混凝土结构有：增大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、粘碳纤维加固法等，但这些方法湿作业多，施工影响大，实施困难[8-9]。防屈曲支撑由内核构件和外围约束体系构成，是一种兼具普通支撑和金属阻尼器双重功能的支撑形式，不仅能调整结构刚度，而且具有优异的滞回性能，为建筑结构抗震设计和抗震加固改造提供了一种新的选择[10-12]。同时，防屈曲支撑安装方便，一般使用过程中不需要定期检查，维护工作量小，能满足加固工程施工影响小和维护次数少的要求。

1 工程概况

湖南湘潭市某小学教学楼建成于2000年左右，当时其所在区域为非抗震设防区，故其未考虑抗震设计。教学楼主要由3排南北向的建筑(第一教学楼、中部实验楼、第二教学楼)和连接它们的走廊围合而成(图1)。第一教学楼和第二教学楼关于中部实验楼完全对称，主要为教室。中部实验楼则主要为教学试验用房和公共用房。教学楼各单体的平面布置如图2所示。

图1 教学楼整体结构

图2 教学楼各单体平面图

建筑总高20.2 m，底部1层为架空层，层高3.4 m；其余4层均为4.2 m。整个教学楼以变形缝分为A～F六个单体，均为框架结构。柱截面尺寸主要有400 mm×400 mm，300 mm×300 mm，500 mm×500 mm，C单体建筑入口大堂处有圆柱φ550；梁截面尺寸主要有250 mm×550 mm，250 mm×400 mm，250 mm×500 mm，250 mm×600 mm等。楼面主要为100 mm和110 mm厚现浇钢筋混凝土楼板，局部采用300 mm厚空心楼盖。结构柱、梁、楼板的混凝土强度等级均为C30。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，该地区已划分为6度设防区，且根据《建筑工程抗震设防分类标准》[13]规定，该学校建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类)，应按6度进行地震作用计算，按7度(抗震等级三级)采取抗震措施。显然，原教学楼结构已不满足当前的抗震设防需求。

2 抗震鉴定分析

目前教学楼外观质量状况良好，柱、梁、楼板均未发现一般缺陷，地面无明显变形、开裂等情况，未发生地基沉降引起的上部墙体开裂，结构垂直度偏差满足要求；根据现行《建筑抗震鉴定标准》要求，本工程属于C类建筑，后续使用年限为50年，应按现行《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》)[14]的要求对各单体结构进行抗震鉴定。

鉴定结果表明：①建筑总高20.2 m，属于多层建筑；②部分单体平面凹凸不规则，扭转位移比偏大，扭转周期比大于0.9；③结构小震下层间位移角均满足规范限值要求，且有一定富余；④框架柱满足承载力需求，纵筋构造基本满足现行规范要求，部分柱加密区箍筋不满足最小体积配箍率要求，第一、二教学楼的走廊柱截面尺寸偏小，不满足《抗规》对三级框架柱最小尺寸的要求；⑤框架梁截面尺寸满足抗震要求，部分框架梁纵筋不能满足规范对三级框架梁的构造要求，几乎所有框架梁箍筋直径及间距均不满足《抗规》对三级框架梁的要求，但除部分梁加密区箍筋外，框架梁纵筋和箍筋配置基本能满足四级框架梁的构造要求。

3 加固方案比选

原结构虽能满足小震下的承载力需求，但结构缺少必要的延性构造措施，结构耗能能力不强，在中震及大震作用下易发生脆性破坏而危及生命安全。同时该建筑为小学教学楼，宜在加固设计中留有一定的安全余量，尤其应保证建筑在“破坏性地震”(大震)作用下有足够优秀的抗震性能。

若仅采用外包钢、粘钢或增大截面法等传统加固手段，即使大范围加固梁柱，仍可能难以保障结构在大震下的抗震性能。因此，此类项目适宜采用消能减震加固手段进行抗震加固[15]。对于本项目，在一定位置设置防屈曲支撑。小震下，它能调整结构抗扭刚度，减小扭转效应，使扭转周期比等满足规范要求；大震下，防屈曲支撑能屈服耗能，消耗输入的地震能量，减小主体结构的地震作用，显著提高结构的抗震性能。

4 基于性能的抗震加固设计

4.1 性能化设计思想

设置防屈曲支撑后，主体钢筋混凝土框架的抗震等级仍应按框架结构确定，对于支撑框架，其抗震等级还需提高一级[16]。按此思路，即使设置了防屈曲支撑，结构的抗震性能得到了提高，结构仍需要大范围加固因构造措施不足的框架梁柱。

根据性能设计原理，承载力和延性构造是可以互补的。《抗规》规定，对于满足性能3要求的结构，当构件的承载力高于多遇地震提高1度的要求时，构件的抗震构造措施可按降低1度的规定采用。《建筑消能减震加固技术规程》[17]规定，采用消能减震技术进行加固设计时，可根据大震下楼层弹塑性位移角确定相应的构造措施，当大震下最大层间位移角为2.0Δue～4.0Δue(Δue为弹性层间位移角)时，B，C类钢筋混凝土结构房屋的构造措施可按常规设计的有关规定降低1度且不低于6度采用；钢筋混凝土柱箍筋加密区最小配箍特征值也可根据大震下楼层弹塑性位移角确定。

因此，着眼于结构的整体抗震性能，基于结构小震承载力有富余，大震下耗能支撑能显著提高抗震性能的实际情况。本项目通过确定加固后结构在小震和大震下较高的综合抗震性能来降低构件层次的抗震构造措施要求。采用上述加固思路，不仅可以显著提高结构的抗震性能，也可以避免因构造措施不足而需要大范围加固结构的问题。

4.2 抗震性能目标

根据上述分析，当加固后结构满足《抗规》性能3要求，大震下楼层最大弹塑性层间位移角不超过1/150，且小震下构件承载力满足7度小震(多遇地震提高1度)要求时，主体结构的抗震等级可按6度确定为四级。此时，主体结构除少部分框架梁纵筋不足、少部分框架梁加密区箍筋间距不满足四级构造要求外，其余均满足要求。子结构构件按重要构件设计，与支撑相连的框架梁柱抗震等级取为三级，且满足大震屈服承载力。对于不满足上述性能要求的结构梁柱在安装防屈曲支撑时同步进行加固。梁柱构件的加固主要采用外包钢、粘钢等传统加固方法。

结构加固后进行抗震性能评估的具体指标要求见表1。

4.3 防屈曲支撑的布置

根据确定的加固设计思路和目标，参考建筑功能布局，遵循“均匀、分散、对称”的布置原则，在各单体外围和中间布置防屈曲支撑。各单体底层屈曲约束支撑框架部分承受的地震倾覆力矩占结构总地震倾覆力矩的20%～50%，属于采用适量屈曲约束支撑的框架[18]。

表1 加固后结构抗震性能指标Tab.1 Seismic Performance Evaluation Indexes of Reinforced Structures

防屈曲支撑参数见表2，平面布置见图3，部分立面布置图见图4，支撑与既有梁柱节点的连接方式见图5。

4.4 地震作用

本工程既有建筑分类属于C类，不需要调整地震作用[19-20]。设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。综合考虑场地类别、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性等方面选取1组人工波(S01)、2组天然波(S02，S03)，其加速度曲线如图6所示。大震时程分析采用三向地震波(X，Y，Z向峰值加速度之比为1∶0.85∶0.65)输入，持续时间30 s。大震考虑了50年超越概率为3%(主方向地震波有效峰值125 cm·s-2)和50年超越概率为2%(主方向地震波有效峰值180 cm·s-2)2种情况。

表2 防屈曲支撑参数Tab.2 Parameters of BRBs

图3 防屈曲支撑平面布置图(单位:mm)

图4 部分防屈曲支撑立面布置图(单位:mm)

图5 防屈曲约束支撑与既有结构连接节点

图6 大震下的地震波曲线(仅列出主方向加速度)

4.5 既有结构非线性模型

纤维束模型模拟梁、柱等一维构件，分层壳模型模拟楼板、剪力墙等二维构件建立结构有限元模型，同时考虑材料非线性和几何非线性，采用显示积分方法进行动力计算，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应，是目前结构非线性地震反应分析领域较为完善的方法[21]。既有结构非线性模型中的材料强度和配筋信息应根据原有设计资料和结构检测结果确定[22]。本工程结构非线性分析模型采用SAUSAGE软件构建并计算，如图7所示。

图7 教学楼各单体加固后的非线性模型

综上，既有结构基于性能的抗震加固设计流程如图8所示。

图8 基于性能的既有建筑抗震评估流程图

5 计算结果分析

5.1 小震计算

加固前结构，A(E)，B(F)单体扭转周期比均达到了0.96，最大位移比为1.38，扭转效应明显；各单体X向最大地震位移角为1/1 293，Y向最大地震位移角为1/1 315；各单体构件基本满足6度小震承载力需求。加固后结构，各单体的最大扭转周期比为0.84，最大位移比为1.20；各单体X向最大地震位移角为1/2 167，Y向最大地震位移角为1/1 983；各单体构件满足7度小震承载力需求。其中B(F)单体加固前后的部分小震计算结果见表3。

表3 B(F)单体加固前后小震结果对比Tab.3 Results Comparison of B (F) Buildings Before and After Reinforcement

5.2 大震性能评估

5.2.1 结构层次性能分析

加固前和加固后结构在大震下的整体指标如表4，5所示。

表4 加固前结构大震性能整体指标Tab.4 Seismic Performance Overall Indexes of Buildings Before Reinforcement

从表4可以看出，加固前各单体在50年超越概率3%的地震下层间位移角尚满足限值要求，结构整体的塑性发展程度也不是很大，结构弹塑性附加阻尼比最大为1.6%；在超越概率2%的地震下，单体C在部分地震工况下会因为发生影响计算收敛的很大变形而计算中止，表明结构此时已经发生了倒塌，其余各单体的最大层间位移角也接近限值要求，各单体结构弹塑性附加阻尼比也增加明显。

表5 加固后结构大震性能整体指标Tab.5 Seismic Performance Overall Indexes of Buildings After Reinforcement

从表5可以看出：加固后各单体在50年超越概率3%和50年超越概率2%的地震作用下最大层间位移角均小于1/150，满足性能目标要求；耗能防屈曲支撑充当了结构的第一道防线，有效地保护了主体结构，在50年超越概率3%的地震作用下，结构弹塑性附加阻尼比仅约0.3%，而耗能防屈曲支撑屈服耗能，提供了约1.2%的阻尼比；当地震作用从50年超越概率3%的地震增大到超越概率2%的地震时，耗能防屈曲支撑通过进一步屈服耗能，提供了约2.2%的附加阻尼比，而结构弹塑性附加阻尼比基本没有增大。

耗能防屈曲支撑的保护作用从结构的楼层剪力曲线上也可以看出。图9、图10分别为50年超越概率3%的大震和超越概率2%的大震作用下，单体B(F)的典型楼层剪力分布。50年超越概率3%的大震下，B(F)单体加固前弹塑性模型与弹性模型基底剪力的比值约为0.59，加固后该比值为0.81；超越概率2%的大震下，B(F)单体加固前弹塑性模型与弹性模型基底剪力的比值约为0.46，加固后该比值为0.77。加固后结构的钢筋混凝土损伤控制得更小，其刚度退化程度也更小。