基于PKPM的框架结构加固前后的抗震性能分析

2022-02-21赵世宇

科技信息·学术版 2022年5期

赵世宇

摘要：在我国结构设计行业中，PKPM系列软件的日常使用率高达90%以上，其涵盖了众多工程领域，包括建筑、结构、设备设计，工程计量以及工程计价，本文通过PKPM系列CAD系统软件对加固后的结构进行了数值模拟，通过实验数据分析结构在加固前后的滞回曲线，结果表明：PKPM系列软件在结构加固领域的具有现实可行性和广泛适用性。

关键词：结构加固;数值模拟;PKPM软件;滞回曲线

近些年来，关于结构加固的理论、技术以及方法在结构设计领域得到了蓬勃发展，关于建筑物的加固和改造，已经逐渐成为了从事结构工程专业人士的重点研究对象[1、2]，更是众多科研人员进行专项研究的一个分支学科，本文利用PKPM系列软件对一榀钢筋混凝土框架结构进行了抗震分析数值模拟，通过分析，各项参数均符合规范的要求，最后对加固后的结构进行了时程分析[3]，计算结果均大于规范要求的0.8，通过数值模拟结果证明，PKPM系列软件在结构加固领域的具有现实可行性和广泛适用性。

1. 数值模拟模型的建立

1.1 PKPM系列软件在房屋抗震检测鉴定的适用范围[5]

对房屋的抗震能力进行检测在当今社会发展的如火如荼，这种方法主要适用于抗震能力或等级不符合抗震规范要求的结构，包括如下几种结构：

1）改变原设计结构或改变房屋用途;

2）续建工程（含烂尾楼工程）;

3）灾后建筑检测鉴定（如火灾、地震、水灾、泥石流）;

4）其他需要进行抗震设防，以及出具抗震鉴定报告

1.2 结构抗震性能鉴定方法[4]

在对建筑物进行抗震鉴定时，需要严格按照相关鉴定标准的要求进行坚定，对建筑物结构进行阶梯式鉴定，评价方法一般分为两级。

根据建筑物寿命周期的长短差异，通常用两种不同级别的方法来进行鉴定，根据建筑物的不同类型，所注重的定性观察和定量描述的点不相同。

第一级鉴定，在宏观方向上对结构进行综合考量，包括结构的平、立、侧面是否规整，质量、刚度是否达标;材料强度是否符合强度理论;

第二级鉴定，结合抗震验算对结构进行综合评价，可表示为：

S≤ψ1ψ2R（1.1）

ψ1——抗震鉴定的整体构造影响系数（体系影响系数）

ψ2——抗震鉴定的局部构造影响系数（局部影响系数）

在上述的两级鉴定方法当中，充分地体现了结构抗震能力的重要性，有机地将构造要求和承载力要求紧密地衔接。

2. 基于PKPM结构加固前后结构的抗震性能对比

2.1 框架的滞回曲线

滞回曲线是指当结构受到一个重复且持续的力作用时得到的应力-应变曲线[5]，它所反映的是结构在受到力的作用时，发生形变的情况以及对能量的抵消能力，在通常情况下，结构的该曲线有4种形状[6]，结构在加固前的滞回曲线如图2.1所示，加固后的结构的滞回曲线如图2.2所示。

从整体上来看，当构件被加固后，具有更强的消耗地震荷载的能力，构件与加固材料协同工作，提高了抗震性能。

在图2.1和图2.2的对比中可以看出，开始加载荷载时，两组构件在卸荷前后滞回曲线大致相同，当持续增加荷载时，尤其是当构件中的钢筋达到屈服以后，改为控制应变加载，通过两图对比，可以得出如下结论：随着应变增加，斜率变化幅度逐步变小，在变形后期，当继续增加荷载时，结构逐渐出现损坏的迹象，此时图像出现了收缩趋势，图像的饱满度不断增加。

3.3 骨架曲线的比较

根据试验的实测值，加固前后框架结构的骨架曲线如图3.3所示，

在两次低周反复加载作用下，通过对比分析这些结果可以得出：

（1）骨架曲线呈直线状态，此时构件处于弹性阶段，刚度不随时间变化而发生变化，当构建发生开裂之后，骨架曲线出现了第一个转折点，随后曲线的斜率减小，与之前的弹性阶段相比较，刚度减小，当卸荷时已有残余应变，此时构件处于弹塑性阶段，当构件中的钢筋达到屈服以后，将变量从力变更为位移，可以从曲线中看出，斜率是持续变小的，这说明，构件的刚度在下降，位移增长加快，而荷载增长的速度减慢，构件出现了越来越大的残余应变，此时构件处于塑性强化阶段。

（2）由骨架曲线可以看出，本实验中的结构在加固后，承载力提高至原结构的四倍。这是因为对已有框架结构中损伤的节点及梁、柱进行了加固，选择的加固方法合理，使得加固效果显著。加固后框架结构中的节点和梁、柱充分发挥了作用，从而增加了框架的整体稳定性。

（3）本文中的实验对象在加固前后，其延性得到了1.7倍的提升。

3.4 延性与变形的比较

任何材料都具有延性属性，这种属性并不会因为外因而发生改变，它是材料在破坏前发生变形的能力，由于材料的这种特性，使得其在达到自身极限荷载的作用时，不会发生脆性断裂，而是仍能继续吸收一定量的能量，正式因为延性，使得结构不至于立即发生坍塌破坏。

在对表3.2所示的数值进行比较和分析后，可以得出以下结论：

（1）结构的延性系数数值得到了明显增加，在得到加固以后为12.89，而再加固前只有9.79，高了1.32倍。由此看出，加固后框架结构的延性指标得到了提高。

（2）结构的延性系数在加固前后均符合相关规范的标准;

3.5 强度和刚度退化的比较

当结构受到外力作用以后，便会在结构内部产生一种抵抗破坏的力量，这种力量的极限程度称为结构的强度，如果超过了结构的极限程度，物体就会出现破坏現象。

应力与应变的比值称为结构的刚度，它是指结构变形后恢复原状的能力，与结构的强度不同，刚度不仅取决于材料本身，还受到一系列的外界因素的影响。

通常，结构的破坏不是瞬时的，而是损伤累积的结果，结构刚度的退化是表征结构动力性能的重要特种之一，一般来讲，我们常用以下几种方法来定义结构刚度的退化。

（1）当施加荷载的次数不断增加，尤其是当次数接近其最大数值时，构件的刚度开始减小;

（2）在控制应力的条件下与施加荷载次数呈正相关;

（3）在控制应变的条件下与施加荷载次数呈负相关。

在加固后框架经历二次反复循环加载后，由环线刚度所得出的刚度退化曲线对比如图3.4所示，通过以上对比可以看出：

（1）在荷载的作用下，由于损伤和钢筋的积累，初始刚度明显高于初始框架。当达到屈服点时，钢筋混凝土框架结构的承载力和刚度的下降速度要慢于原有框架。当达到峰值负荷点时，钢筋混凝土框架结构的承载力和刚度比原来的框架下降得更快。

（2）加固前后框架正负的两个加载方向上，它们的刚度退化曲线都有不对称的现象，这是由于试验时钢材的包辛格效应、混凝土材料的不均勻性以及加载装置的不对称性等所导致的;

（3）通过对钢筋混凝土框架结构与原框架刚度退化曲线的比较，随着应力和应变的增加，其刚度与应力和应变的变化呈负相关的变化趋势。在此过程中，钢筋混凝土框架结构的刚度退化曲线相对平缓，说明选择正确的加固方法可以使受损的框架结构具有更好的抗震性能。

3.6耗能能力的比较

当结构受到来自地震荷载产生的能量作用时，其内部会对接收到的能量产生消耗效应，这种效应成为结构的耗能耗能能力[7]，在一般情况下，耗能能力的大小，我们可以用滞回曲线所围成面积的大小来进行定量衡量。在每个循环的低循环重复加载下，能量耗散是一个循环过程，因此，在地震过程中，能耗是评价结构抗震性能的重要指标，通常，我们用粘滞阻尼系数来进行定性描述，在本实验中，结构加固前后的耗能对比如图3.5所示。

在试验加载过程中，加固后框架的等效粘滞阻尼系数比原框架有所增长，其增长幅度约为21%;在耗能曲线对比图中，加固后框架的耗能能量值明显高于原框架结构，耗能值增加了约2.4倍，表明加固后框架的耗能能力明显优于原框架。

结语

本文对一榀加固后的两跨三层已重度损伤的钢筋混凝土框架结构利用PKPM系列软件对加固后的结构进行了抗震性能的鉴定，然后对试验现象加以描述，最后对实验得到的数据进行了详细的分析，并与原框架试验数据进行对比，得到如下结论：

（1）加固后的结构与原框架试验相比，该加固框架的承载力提高了37%，滞后曲线更加丰满。

（2）分别利用PKPM系列软件中的SATWE和鉴定的加固模块对加固结构进行了抗震性能评价和分析。计算了地震力、各振动类型的基础剪切力和地震作用下的剪切率、各层的结构剪切强度比、倾角和垂直剪切、地位移和弹性变形角。将计算结果与《抗震设计规范》、《高层设计规范》相比较，均符合规范要求。

（3）利用时程分析法计算结构的底部剪力和最大位移，计算结果分别符合《抗震设计规范》、《高层设计规范》的要求。

参考文献：

[1] 郭健.钢筋混凝土结构加固改造方法的研究及工程应用[D].长沙：湖南大学，2005.

[2] 张绍武，冯莹，高科峰等.框架结构整体抗震加固试验[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版），2011（06）1121-1126.

[3] 中华人民共和国国家标准，JGJ 116-98，建筑抗震加固技术规程[S]，北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4]柳柄康等.工程结构鉴定与加固改造[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.10～11.

[5] 李金刚.加固后方钢管混凝土框架滞回性能试验与理论研究.河北工业大学学位论文.2006