某既有框架结构抗震加固设计

【摘 要】文章以某一大型商场为例，介绍增设剪力墙改变原有结构类型并增加消能阻尼器以提高既有框架结构抗震等级的方法，利用Midas软件进行三维建模分析，结果表明此方法能够减小结构的地震响应，同时避免了常规加固方案对梁、柱等主要受力构件由于抗震等级提高而带来的大面积补强、加固，为后续类似的加固工程提供参考。

【关键词】加固; 框架结构; 剪力墙; 金属阻尼器

【中图分类号】TU746.3【文献标志码】A

随着建筑行业的迅猛发展，我国建筑已进入新建与维修改造并存的階段，框架结构因其空间分隔灵活，自重轻，节省材料，在高层民用建筑和多层的工业厂房中应用广泛。目前，针对框架结构的常用加固方法主要包括加大截面法、预应力拉杆加固法、粘钢或粘碳纤维布加固法等[1]，但对既有结构，结合工程实际，需要考虑经济性与时效性因素，以往方法未必是最优选择。故本文以某一大型商场为例，提出改变原有结构类型并结合消能减震技术增设金属阻尼器的方法[2]，在尽可能保持原有建筑不变的条件下，提高结构抗震能力并有效降低造价，缩短工期。

1 工程概况

吉林白山市某大型商业楼为一栋地下2层、地上6层，高度为31.2 m框架结构建筑，效果图见图1，按非抗震要求进行设计，施工完成后进行了主体结构验收但未投入使用。现需按照既有建筑进行抗震加固，抗震设防烈度为 6 度，抗震设防类别为重点设防类（乙类），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，设计使用年限50 a，结构的安全等级为二级。

2 加固方案设计

本文首先对原有商业结构单元按照6度设防烈度进行弹性分析，发现结构周期比并不满足JGJ 3-2002《高层建筑混凝土结构技术规程》第3.4.5条中关于周期比的要求（后文简称《高规》），然后针对现有结构已经施工完毕，暂未投入使用的实际情形，拟采用增设层间剪力墙，形成框架-剪力墙结构体系，降低框架结构的抗震需求，由于本工程的车库顶板将7个单元连为一体，车库顶板有足够的约束能力，其抗震需求较低，因此，增设的剪力墙为地上6层，确保第一道防线可靠有效。同时，由于框架柱和框架梁未设加密区，地震工况下的延性不足，在位移较大部位适当增设了阻尼器提高结构的耗能能力，减少框架结构的延性需求，其性能参数如表1所示，布置见图2。为了验证本工程在罕遇地震下的性能目标，采用Mides软件对该结构增设部分剪力墙和消能阻尼器的模型进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析[3]，计算模型如图3，验证结构在大震作用下的弹塑性性能能否满足大震不倒的需求，最后对现有结构采取的抗震加强措施和分析计算结果作了总结。

3 弹性反应计算分析

3.1 结构周期和振型

由表2可知，纯框架结构前三阶振型分别为Y向平动、X向平动及扭转，结构的第一扭转周期与第一平动周期之比不满足《高规》关于A级高度高层建筑周期比大于0.9的要求，对结构采取加固措施后，能有效降低各阶振型周期，实现周期比要求，尤其是转换结构体系，增加剪力墙后效果明显，对比模型二和模型三可发现增设金属阻尼器对结构自振周期影响不大。

3.2 层位移与层间位移角

在地震作用下结构顶部最大位移与层间位移角计算结果见表3。可以看出，模型层间位移角的计算结果均满足GB 50011-2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》以下简称《抗规》限值要求。在1～6层增设了剪力墙后，地震作用下的楼层水平位移的绝对值是降低了，X方向从15.78 mm降低到9.24 mm，Y方向从17.16 mm降低到10.47 mm。但是由于鞭鞘效应，层间位移角反而在结构顶部的设备层增大了，导致位移呈现发散状态，最大的位移角由Y方向1/1536变为1/859，但仍在1/800的限值范围以内，安全起见，在顶部出屋面的设备需要做足够的加强处理。

3.3 增设剪力墙作用

3.3.1 竖向构件倾覆力矩及百分比

根据《高规》8.1.3-2条规定：抗震设计的框架-剪力墙结构，应根据在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩与结构总地震倾覆力矩的比值，确定相应的设计方法，结构框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10 %但不大于50 %时，按框架-剪力墙结构进行设计[4]。提取模型中剪力墙承担的倾覆力矩如表4、表5所示。

3.3.2 竖向构件地震剪力及百分比

楼层抗剪承载力验算主要用于控制竖向不规则性，避免竖向楼层承载力突变从而形成结构薄弱层，从表6、表7的地震剪力分布可以发现在结构底部，剪力墙作为主要抗侧力构件，承担剪力超过70 %，而在结构顶部框架承担剪力达到近80 %，框架和剪力墙相互制约，协同受力，有效增强了结构抗震性能。

从以上周期比、层间位移角、抗倾覆弯矩、层剪力分布等数据可以看出，增设了剪力墙后可以控制整体位移，有效改善结构的抗震性能，同时将结构体系变为框剪结构后，在结构底部剪力墙承担了超过60 %以上的地震作用，可以承担第一道防线的作用，将整个结构的抗震需求前移，满足抗震设防要求。

4 动力弹塑性分析

4.1 选取地震波

根据《抗规》规定，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符[5]，所谓“在统计意义上相符”指的是：其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20 %，弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65 %，不大于振型分解反应谱法计算结果的135 %。多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80 %，不大于振型分解反应谱法计算结果的120 %。

故本文选取3条地震波，在进行弹塑性动力时程分析时，采用双向地震输入，水平主向、水平次向的加速度峰值按抗震规范1.0∶0.85的比例要求进行调幅。加速度时程曲线如图4所示，各地震波反应谱与规范反应谱对比如图5所示。

4.2 层位移和层间位移角

罕遇地震作用下，三个模型的层间位移和层间位移角详见表8和图6所示。

结构在 3 条地震波作用下，X和Y方向层间位移都有所减小，3个模型层间位移角变化趋势一致，且均满足罕遇地震下框剪结构不超过1/100的限值要求，采用加固措施后，各层平均层间位移角均有不同程度的减小，在结构中部效果尤为显著。

4.3 塑性铰分布

三条地震波计算出的墙、柱、梁出铰情况相似，下面给出地震波USA00684作用下剪力墙和框架出铰的性能状态，见图7、图8，在6度罕遇地震作用下，剪力墙塑性发展程度较大，从下往上塑性损伤逐渐减小，而框架梁和框架柱上的塑性铰数量很少，基本处于弹性状态，结合本工程中某阻尼器滞回曲线见图9，表明剪力墙和阻尼器耗散了主要地震能量。

5 结论

（1）增设剪力墙与阻尼器后，结构楼层刚度分布较为均匀，无明显薄弱层，弹塑性层间位移角均小于1/100，最大值不到1/200，满足《抗规》的要求，结构在罕遇地震作用下有足够的安全保障。

（2）结构能量耗散主要是通过结构阻尼和弹性应变耗散的，并且随着阻尼器的添加，阻尼耗能占比能提高9 %，如果合理控制阻尼器的数量和参数，能使结构在大震作用下拥有更强的耗能能力，因此布置金属阻尼器的方案具有可行性和有效性。

（3）剪力墙是抗侧力关键构件，可以明显减少非抗震框架的延性需求，降低框架的塑性损伤程度。罕遇地震下，剪力墙塑性分布较严重，建议做好剪力墙的抗震构造措施及边缘构件的设计，使整体结构达到更好的抗震效果。

参考文献

[1]周剑，刘洋，王翊辉.框架结构加固设计方案比选[J].特种结构，2019，36（2）：113-118.

[2]邢书涛，郭迅.一种新型软钢阻尼器力学性能和减震效果的研究[J].地震工程与工程振动，2003（6）：179-186.

[3]田慧，张海，孟亚翠，刘德志.框架结构加固后的动力弹塑性分析研究[J].工程抗震与加固改造2020，42（1）：18-27.

[4]JGJ 3-2010 高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[5]GB 50011-2010 （2016年版） 建筑抗震设计規范[S].

[定稿日期]2021-02-03

[作者简介]余伟（1995～），男，硕士，从事结构抗震研究。