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    基于分灾模式的框架结构抗震加固设计方法.pdf

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    基于分灾模式的框架结构抗震加固设计方法.pdf

    第28卷第3期 2011年9月 土木工程与管理学报 Journal of Civil Engineering and Management Vo1.28 No.3 Sep.201l 基于分灾模式的框架结构抗震加固设计方法 苏 原 , 吴 晟 , 赵崇丰 1.华中科技大学a.土木工程与力学学院;b.控制结构湖北省重点实验室,湖北武汉430074; 2.中冶南方武汉设计咨询有限公司,湖北武汉430077 摘要为探讨基于分灾模式抗震加固思想的可行性,本文在一个5层3跨的混凝土框架结构两端分别添加附 加框架和分灾框架后,对结构进行pushover分析,以研究加固前后结构的抗震性能。分析结果表明当采用与 原结构有良好匹配关系的分灾框架时,可以将原结构的抗震能力由7度提高到8度,分灾框架可以先于原结构 破坏,体现了基于分灾模式抗震加固的思想;同时说明了分灾框架应具有合理的结构形式,以保证其有足够的 结构延性。本文的结论,可以为基于分灾模式抗震加固方法的深入研究提供参考。 关键词分灾模式;抗震加固;框架结构 中图分类号TU375.4 文献标识码A 文章编号2095-0985201103-0040-06 对于建筑物的抗震加固,已有很多成熟的抗 震加固方法 ,但一般多为对单个构件进行加 固。目前结构抗震加固理论已经从单个构件加固 层面发展到整个结构体系加固层面上,更加关注 加固后整体结构的变形能力、耗能能力和结构屈 服机制,以保证加固后的结构整体抗震性能。日 本近年来出现了采用附加整体子结构的抗震加固 方法 “j,在国内,粘滞阻尼器、屈曲约束耗能支 撑在汶川地震震后加固 和“校安工程”抗震加 固 中得到了较为广泛的应用,在这类抗震加固 中,运用了基于性能的抗震加固思想,并对加固后 的结构整体抗震性能进行评价。在现有抗震加固 方法的基础上,结合结构分灾抗震设计的思 想 ],文献[9]提出了基于分灾模式的抗震加固 设计方法。它的基本思路为在已有结构之外加 设分灾单元,将其作为结构抗震的第一道防线,当 受到小于设防烈度的“小震”作用时,分灾单元可 以分担部分水平地震剪力,并与原有结构一起抵 抗水平地震作用,以达到“小震不坏”的目的;当 受到大于设防烈度的强烈地震作用时,新增设的 分灾单元在地震中将首先产生塑性铰,消耗掉一 部分地震能量,随着分灾单元大量塑性铰的出现, 结构的动力特性将随之改变,整体结构的地震反 应也将减小,这样就达到了保护原有结构、提高整 个结构抗震能力的目的,从而实现“大震不倒”的 设防目标。为实现基于分灾模式的抗震加固思 想,就要求加设的分灾单元在侧向刚度和承载能 力与既有结构有良好的匹配关系,以保证分灾单 元在强震下首先破坏并大量耗能。这样“良好的 匹配关系”是否存在以及匹配的数值范围显然与 具体工程有关,本文以一个5层3跨的混凝土框 架结构为例,以pushover分析方法为手段,探讨基 于分灾模式抗震加固思想的可行性。 1原结构框架及pushover分析 1.1原结构模型的建立 本文以5 X 3跨5层钢筋混凝土框架结构作 为原结构,其平面如图1所示,抗震设防烈度为7 度,利用PKPM进行结构设计,得出横向梁截面尺 寸及配筋见表1梁号HL ,其中i1,2,3,4,5, 代表结构的层号; 1,2,其中1代表4.8 m跨的 横向梁,2代表2.4 m跨的横向梁,板的厚度为 120 mm,柱的截面尺寸为400 mm400 mlTl,纵筋 为8016,箍筋为08100/200,各构件的截面尺寸 沿结构层数不变。 梁的承载力屈服弯矩可采用下列近似公 式计算 M LA h0一口 1 式中 、A 、h。、n 分别为钢筋抗拉强度设计值、 钢筋面积、梁的有效高度和受压钢筋中心点到梁 受压区边缘的距离,计算结果见表1。根据文献 【10]计算得出每层框架柱抗侧刚度见表2。 收稿日期2011-08-15 作者简介苏原1964一,男,辽宁阜新人,博士,副教授,研究方向为结构抗震Emailsyuan一027163.com 第3期 苏原等基于分灾模式的框架结构抗震加固设计方法 ’41 0 0 寸 N 0 0 o。 寸 - _ _ - --。 。- - 。- , 6000 , 6000 , 6000 , 6000 , 6000 30000 图1结构平面布置图 表1 结构横向边榀框架梁的截面配筋及承载力 表2各层柱横向抗侧刚度 层数 1 2 3 4 5 柱抗侧刚度 22242 22894 22894 22894 22894 1.2原结构SAP2000建模及pushover分析各参 数设定 根据以上原结构的信息,在SAP2000中对该 结构建模并进行pushover分析。在满足抗震规 范 要求的前提下,框架结构构件是具有一定延 性的,因此在对各构件定义塑性铰时,假定构件不 会首先发生剪切破坏或其它形式的脆性破坏。对 框架梁只定义沿主方向的弯矩铰,即M3铰;对框 架柱定义与轴力和双向弯矩相关的PMM铰。以 上塑性铰的属性均采用程序默认的铰属性,在各 层框架柱的上下端截面指定与轴力和双向弯矩相 关的PMM铰,在每个框架梁的两端截面指定弯 矩铰M3铰。 本文选取结构抗侧刚度较小的一个主轴方向 y轴进行pushover分析。本结构模型的push over分析有两个工况第一个工况是施加重力荷 载,采用重力荷载代表值恒荷载标准值0.5活 荷载标准值,分析控制参数采用荷载控制;第二 个工况在第一个工况的基础上施加横向荷载时, 采用沿结构高度均匀分布的加载模式,控制参数 采用位移控制,将横向荷载施加于结构上,直至监 测点的位移达到预先指定的位移。 1.3原结构pushover分析结果 根据pushover分析的结果,将7度罕遇地震 和达到最大监测位移时原结构的出铰情况分别列 于表3和4。由表3可以看出,在7度罕遇地震作 用下,框架梁端定义的塑性铰有84个已发展到了 防止倒塌阶段,占所定义塑性铰总数的46.7%,而 在柱端还没有塑性铰。这说明该结构有一定的抗 震能力,并且符合“强柱弱梁”的抗震原则。 表3 7度罕遇地震作用下原框架出铰情况 扦件 鱼 查望 墼 霹义塑性 一‘。B to IO IO to LS LS to CP CP to C C to D铰的总数 梁 12 14 2 84 0 180 柱0 0 0 0 0 240 注塑性铰的发展过程B to IO为塑性铰开始出现并向“立 即使用”状态过渡;IO to LS为塑性铰从“立即使用”向“生命安 全”状态过渡;LS to CP为塑性铰从“生命安全”向“防止倒塌”状 态过渡;CP to C为塑性铰从“防止倒塌”向极限承载力状态过渡, 并在C点达到极限承载力;C点之后表示塑性铰的承载力处于下 降阶段。 表4添加附加框架后7度大震作用下出铰情况统计 各状态塑性铰的个数 定义塑性 Bto10 10toIS ISto CP CPto C Cto D铰的总数 原框架梁 原框架柱 附加框架梁 附加框架柱 4 1O 8 72 0 0 0 0 2 2 4 24 2 0 0 O 18O 240 60 80 根据SAP2000输出的pushover曲线,在7度 罕遇地震作用下结构有性能点 ,D 1248.333 kN,43 mm;在8度罕遇地震作用下, 没有性能点,说明该结构不能抵抗8度罕遇地震。 42 土木工程与管理学报 2011年 2添加附加框架后结构的pushover 分析 2.1 添加附加框架后结构在均布荷载下的 pushover分析 在原结构的两端分别添加一榀横向框架,将 其作为附加框架。这两榀附加框架与原结构两边 榀横向框架的布置形式、各构件截面尺寸和配筋 均完全相同。利用pushover分析,将包括附加框 架在内的整体结构一直推覆到最大监测点位移。 将原结构边榀横向框架和附加框架塑性铰发 展程度进行同步对比,可以发现两者随着横向均 布荷载的增加,塑性铰发展程度基本相同,这样的 结果未实现基于分灾模式抗震加固设计思想。 添加附加框架后,将原框架和附加框架各构 件的出铰情况列于表4。可以看出,在7度罕遇 地震作用下增加附加框架后,原框架结构梁端出 现的位于CP to C范围内塑性铰为72个,占定义 塑性铰总数的40%,由表3可知,原结构梁端位 于该范围内的塑性铰为84个,占总数的46.7%。 这说明增加附加框架后,在7度罕遇地震作用下 原结构的破坏程度有一定的减轻。 添加附加框架后,在7度罕遇地震作用下可 以得到性能点I,,D1609.18 kN,39 mm,和 没有添加附加框架时性能点 ,D1248.333 kN,43 mm相比,所能承担的地震作用增加,顶部 位移减小。在8度罕遇地震作用下,添加附加框 架后依然没有性能点,即结构仍旧不能抵抗8度 罕遇地震。 1800 l600 】400 Z 1200 1000 亲800 600 400 200 O Ir. / / / / 原框架 分灾框架 图2添加附加框架前后能力曲线对比 由添加附加框架后结构及原结构的能力曲线 对比图2可以看出,原结构最大底部剪力为 1449.32 kN,添加附加框架后,结构最大底部剪力 为1667.10 kN,说明结构所能承担的地震力略有 增加。原结构的最大顶部位移为65 mm,添加附 加框架后,结构最大顶部位移为43 mm,说明添加 附加框架后,结构的侧向刚度变大,结构的延性有 所减小。 由以上的对比,可以发现在添加附加框架后 结构的抗震性能有一定的改善,但并不明显。因 此,对原结构直接增加与原结构相同的框架,其抗 震加固虽然有一定的效果,但是很有限的,也没有 体现分灾设计的基本思想。 2.2 添加分灾框架后结构在均布荷载下的 pushover分析 当附加框架的形式和原结构的横向边榀框架 完全一样时,经反复调整附加框架的承载力和各 层柱的横向抗侧刚度,但在试算中并没有找到一 个合适的附加框架能够达到基于分灾模式抗震加 固的要求。其原因在于附加框架的中间梁跨度太 小,出现了线刚度很大的短梁,在地震作用下这些 短梁会过早发生破环,从而影响附加框架耗能能 力的发挥。 通过改变附加框架的形式,取消中间跨的短 梁,将附加框架改为2跨图3;同时通过大量试 算后,将附加框架与原框架横向抗侧刚度比值保 持在1.5~3.5之间,承载力比值保持在1~2之 间,由此得到的附加框架命名为分灾框架。分灾 框架的具体数据为柱的截面尺寸为600 mm X 600 mm,纵筋8018,箍筋08100/200。梁的截面 尺寸及配筋,各梁的梁端承载力以及与原结构梁 承载力的比值见表5;柱抗侧刚度及与原结构横 向边榀框架的比值见表6。 图3分灾框架立面 表5分灾框架截面配筋及梁端承载力 44。 土木工程与管理学报 2011年 框架后,结构的抗震性能已得到明显的改善,能够 抵抗8度罕遇地震。 / 一 / 分灾框架2 原框架 0 20 40 60 80 1O0 监测点位移tam 图5添加分灾框架前后能力曲线对比 由添加分灾框架后结构及原结构的能力曲线 对比图5可以看出,原结构最大底部剪力为 1449.32 kN,添加分灾框架后,结构最大底部剪力 为2518.87 kN,说明结构所能承担的地震力有了 较大程度的增加。原结构的最大顶部位移为65 mm,添加分灾框架后,结构最大顶部位移为88 mm,由此可以看出结构的延性得到了提高,从以 上两个方面都可以得出,结构的抗震性能明显改 善。 本文对加固前后的结构也进行了倒三角形荷 载下的pushover分析。结果表明,经过加固后,在 倒三角形荷载下,结构在8度罕遇地震时同样有 性能点,数据为V,D1915.74 kN,81 mm; 从塑性铰发展过程的对比来看,塑性铰首先出现 在分灾框架上,且分灾框架上塑性铰数量较多,发 展程度较深,也基本上能够实现分灾加固的思想。 但与均布荷载相比,倒三角形荷载下结构的顶点 侧移较小,耗能能力较差。 由以上分析可知,当采用结构形式、各层梁端 承载力以及各层柱抗侧刚度与原结构横向边榀框 架完全一致的附加框架时,加固后的结构抗震性 能虽然有所提高,但效果不是很明显。当采用与 原结构有良好的匹配关系的分灾框架时,根据 pushover分析的结果,添加分灾框架后,结构的抗 震性能得到了明显的改善,并基本实现了基于分 灾模式的抗震加固设计思想。 3 结 语 1分灾模式的抗震加固方法在实际工程中 是完全可行的。本文应用分灾模式的抗震加固思 想对5层混凝土框架进行了抗震加固,当采用与 原结构有良好的匹配关系的分灾框架时,可以将 原结构的抗震能力由7度提高到8度,有显著的 加固效果。 2分灾单元应有良好的结构形式,以保证 其有足够的结构延性。本文采用混凝土框架作为 分灾单元,相应地框架构件除应保证“强柱弱梁” 的要求外,各构件应有相近的线刚度,使得塑性铰 在整榀框架上有较均匀的分布,不至于过于集中, 从而保证其耗能能力。 3分灾单元和原结构在承载力与刚度上应 有良好的匹配关系。就本文的五层框架结构而 言,将分灾框架与原框架横向抗侧刚度比值保持 在1.5~3.5之间,承载力比值保持在1~2之间 效果较好,具体数据见表,这一结果可以为进一步 的研究提供参考。 参考文献 [1]JGJ 116-2009,建筑抗震加固技术规程[s]. 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O O O 0 0 O O O 0 0 O 0 O 如 加 2 m 一z芎 褪雅 第3期 苏原等基于分灾模式的框架结构抗震加固设计方法 45 Design for Frame Structures Seismic Retrofitting Based on Damage.reduction Mode SU Yuan , WU Sheng ,ZHAO Chong-feng f 1.a.School 0f Civil Engineering and Mechanics;b.Hubei Key Laboratory of Control Structure, Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China; 2.WISDRI f WuhanArchitectural Design and Consultant Co Ltd,Wuhan 430077,China AbstractIn order to discuss the feasibility of seismic retrofitting based on damagereduction mode,this paper ana1vses a five-st0ry frame structure with three crosses which adds damagereduction frame in each side,by u sing pushover analysis to compare the seismic perance.The studies show that a reasonable damage‘reduc ti0n frame which mate the original structure will improve the seismic capability of original structure from seven degree to eight degree,damage.reduction frame will damage fast than original structure which shows the theme 0f seismic retrofitting based on damage.reduction mode,and explains that the damagereduction frame should have I.easonable which ensures stringiness of the structure.The conclusion gives reference to the intensive study of seismic retrofitting based on damagereduction mode. Key wordsdamagereduction mode;seismic retrofitting;frame structure -一“--一 上接第30页 ...一一十一““”“ ”‘ ” Testing Program of Strengthening Two‘way RC Slab Using One-way CFRP Sheets JIANG Xue,L1 Hao,WANG Le School of Civil Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 5 1 004,China AbstractIn recent years,with lightweight,high strength,can resist erosion and fatigue,and many other ad vantages.carbon fiber and sheet has been widely used in strengthening structural projects. But its disadvanta ges are increasingly becoming prominent,such as low elastic modulus,inadequate ductility,and the transmis si0n 0f shear 0f epoxY resin layer is limited and SO on.Prestressed carbon fiber reinforced concrete elements can give full play to the high strength properties of carbon fiber,making the structure more likely close to the ultimate tensile strength at failure,especially the perance of prevent the reinforcement elements from bonding failure is outstanding,as well as antistripping properties.By having tense pressure into the CFRP sheetsclothfirst,and then put them attached to the surface of reinforcement with a new anchor measure.As a result,it will not only improve the mechanical properties of the use of phase,but also extend the life of com’ ponents. Key wordsprestressedoneway carbon fiber sheet;twoway slab;strengthening

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