装配式钢桁架加固框架结构抗震性能分析

赵世宇

(中冶北方(大连)工程技术有限公司，辽宁 大连 116600)

0 引言

近年来，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]。本文中以一榀钢筋混凝土框架结构为例，研究其在利用预制板翼型和钢桁架加固后的力学性能，以及利用PKPM系列软件模拟其相关力学性能，证明该加固方法的有效性[3]。

1 实验模型及加固方案的建立

1.1 实验模型的建立

选取一榀钢筋混凝土框架结构为实验对象，模型选用1：1.5缩尺的比例进行制作，框架层高3 m，柱间距为6 m，框架柱的截面尺寸为400 mm×400 mm，纵向钢筋为8根直径12 mm的钢筋,箍筋用直径6 mm的钢筋；框架结构的横向梁截面尺寸为250 mm×500 mm，框架纵向梁截面尺寸为250 mm×450 mm[4]。在抗震设计时，抗震设防烈度为7度，其地震基本加速度值为0.15 g，后续使用年限按照40年(B类)的地震作用进行配筋计算。实验对结构进行受力分析，在损伤时采用翼墙进行加固，水平荷载进行试验，研究结构的物理力学性能和能量耗散能力。本框架结构根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2017进行设计，表1给出了模型与结构实体间的相似关系[5]。

表1 模型与原型的相似关系

利用实验室的MTS(力学测试与模拟)仪器在框架梁顶层位置施加水平荷载，在框架各层楼板中部架设千斤顶施加轴向力，通过荷载的施加，来等效模拟框架梁上的均布荷载，并在试验加载时保持不变，使梁端弯矩等效。实际加载装置照片见图1。

图1 原框架整体示意图

1.2 加载方案

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-96)[5-2]的有关规定，采用应力—应变双控制的方法进行加载[6]。

1)施加框架柱轴向荷载，实际框架梁等效均布荷载并在试验过程中保持稳定；

2)按照预计开裂荷载的20%进行预加载，预加载反复二次；

3)试件屈服前，采用荷载控制，分级加载，每级荷载反复一次；

4)试件屈服后采用位移控制，每级荷载反复二次；

5)在最大峰值载荷出现后，载荷随变形和重复周期的增加而减小。当载荷降至最大峰值的85%时，相应的载荷和变形称为极限载荷与极限变形。当最终载荷出现时，试件被认为已经被破坏，但它不一定会失去其承载能力。

1.3 加固方案设计

在本次实验中，首先对该框架结构模型施加循环荷载[7]，待其发生重度损坏，采用装配式构件快速加固的方案[8]，在柱子两侧增设方钢管混凝土结构充当翼墙，方钢管尺寸为80 mm×120 mm，其内部浇入灌浆料，根据已损坏框架的实际层高对应制作方钢管的长度，方钢管长度平均约为1.7 m。为了加强方钢管与柱子的协同作用，预先在柱中间处凿除表面混凝土架设钢套箍，通过钢套箍将方钢管与柱焊接相连。构件通过螺栓相连，节点部分采用焊接将钢桁架与方钢管相连形成整体[9]。加固构件预先在工厂已加工完成，进行加固作业时快速的安装在框架上，通过简单的螺栓连接以及焊接将其形成整体，达到预期的加固效果。

2 基于PKPM结构加固后抗震性能鉴定

在对结构进行抗震分析时，一般采用时程分析法[9]。

在该地震波的作用下，该结构在主方向0度上的最大位移见表2所示。

表2 0度方向上地震波—最大位移

在该地震波的作用下，该结构在主方向90度上的最大位移见表3所示。

表3 90度方向上地震波—最大位移

在该地震波的作用下，该结构在主方向0度上的内力见表4所示。

表4 0度方向上地震波—剪力

在该地震波的作用下，该结构在主方向90度上的内力见表5所示。

表5 90度方向上地震波—剪力

文中，在PKPM系列软件中选用了1条地震波TH3TG045，分别计算楼层剪力的包络值和CQC法楼层剪力的包络值，将二者对比得到各层地震力放大系数见表6所示。

表6 地震力放大系数

在选用的TH3TG045地震波下，该结构在0度方向和在90度方向上地震波下主方向最大位移简图如图2所示。

0度方向 90度方向图2 TH3TG045地震波下主方向最大位移简图

在选用的TH3TG045地震波下，该结构在0度方向和在90度方向上地震波下主方向剪力简图如图3所示。

0度方向 90度方向TH3TG045地震波下主方向剪力简图

本部分基于PKPM—SAUSAGE大震下动力弹塑性分析程序计算结果，对加固后结构的弹塑性分析与通过反应谱法得到的底部剪力、层间位移、主方向剪力得到的数值对比，可作出如下评价：

1)时程分析中X向最大层间位移角平均值为1/2 874，Y向最大层间位移角平均值为1/1 371，通过反应谱法得到的结果中，X向最大层间位移角平均值为1/325，Y向最大层间位移角平均值为1/283，由计算结果可知，时程分析最大层间位移角平均值小于反应谱分析的最大层间位移角，且两者均小于规范限值1/50。

2) 时程分析结果中，平均底部剪力为172.05 kN，振型分解反应谱法中平均剪力为119.26 kN，172.05/119.26=1.44，计算结果大于0.8。

3)结构在罕遇地震作用下的最大顶点位移达到X方向上3.078 mm，Y方向上5.631 mm,并仍能保持直立状态。

3 加固前后结构的抗震性能对比

3.1 框架的滞回曲线

滞回曲线[10]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[11]，结构在加固前的滞回曲线如图4所示，加固后的滞回曲线如图5所示。

图4 原结构滞回曲线

图5 加固后结构滞回曲线

从图4和图5的对比中可以看出，在加载初期，构件处于强化阶段，此时两组构件的滞回曲线大致相同，当钢筋达到屈服以后，改用应变幅值控制加载，通过对比两图中的滞回曲线可以看出，随着应变幅值的增加，滞回曲线的斜率减小。后期，随着应变幅值的持续加大，结构发出破裂的声响，此时滞回环出现了收缩。当构件出现斜裂缝时，构件即将发生剪切破坏，此时滞回曲线的斜率越来越小，参考整个滞回曲线及其所包围成的面积，可以看出采用翼墙加固后的框架耗能能力得到了显著的提升。

3.2 骨架曲线的比较

滞回曲线上同向(拉或压)各次加载的荷载极值点依次相连得到的包络曲线称为骨架曲线[12]。

试验实测各阶段荷载及位移如表7所示，根据试验的实测值，加固前后框架结构的骨架曲线如图6所示。

表7 实验各阶段荷载及位移值

图6 骨架曲线对比图

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，当构件发生开裂后，骨架曲线出现了第

一个转折点，随后曲线的斜率减小，刚度也随之减小。当构件中的钢筋达到屈服以后，将变量从应力变为应变，从曲线中可以看出，斜率持续变小，此时构件处于塑性强化阶段。

2)由骨架曲线可以看出，加固后框架的承载力明显增高，与原框架试验相比，承载力提高了约37%。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)加固后框架的骨架曲线平行段较长，表明具有良好的延性，与原框架相比，其平均位移延性系数提高了约70%。

3.3 延性与变形的比较

本文中的结构各阶段的延性系数见表8。

表8 框架结构各阶段的延性系数

通过对比分析可以得出以下结论：

1)在极限荷载点时，加固后框架结构的位移延性系数均值达到12.89，而原框架结构的位移延性系数均值只有9.79，平均提高了32%左右。由此看出，加固后框架结构的延性指标得到了提高。

2)原框架和加固后框架的有效延性系数均大于5，符合抗震规范要求。

3)在各阶段的顶点位移值、层间侧移值、延性系数，加固后框架均大于原框架。说明延性与变形能力方面，加固后框架均优于原框架。

3.4 强度和刚度退化的比较

结构刚度的退化是表征结构动力性能的重要特性之一。在加固后框架经历二次反复循环加载后，各阶段的强度降低系数λ1和刚度降低系数λ2见表9。刚度退化曲线对比见图7。

表9 框架各阶段的强度降低系数λ1以及刚度降低系数λ2

图7 刚度退化曲线的对比

通过以上对比可以看出：

1)在低循环荷载作用下，框架的强度和刚度随加载次数的增加而逐渐减小。但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、混凝土材料的不均匀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，认为框架结构的初始刚度较大，只有随着位移和荷载的增加，刚度的下降才逐渐趋于平缓。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。

3.5 耗能能力的比较

在地震力作用的过程中，能耗是评价结构抗震性能的重要指标[13]，通常，用粘滞阻尼系数来进行定性描述，在本实验中，实测原框架与加固后框架各阶段的等效粘滞阻尼系数如表10所示。

表10 实验各阶段的等效粘滞阻尼系数对比

4 结语

1)加固框架的P-Δ滞回曲线基本呈梭形，后期略有捏缩现象。整体位移较大，延性系数均值达到12.89，比原框架提高了约32%，加固后框架具有良好的延性。

2)本次试验中预制翼墙及钢桁架对混凝土框架进行加固的效果明显，该加固体系与框架有良好的协同工作性能，加固后框架的抗侧刚度有很大提高，加固效果明显。加固体系能够最大限度的保护原结构，达到预期加固目的。

3)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。计算了参与地震振型的各地震波方向的有效质量系数、地震力、各振动类型的基础剪切力和地震作用下的剪切力、各层的结构剪切强度比、倾角和垂直剪切、位移角。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。