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性能化设计在框架结构屈曲约束支撑加固中的应用

2024-11-21 45 上传者：管理员

摘要：文章根据最新规范和性能化设计的研究，将性能化设计融入屈曲约束支撑加固设计方法中，进一步完善减震加固设计的理论框架，借助现有的建筑结构抗震性能评估方法和可量化指标。结合实际工程对屈曲约束支撑加固性能化设计的应用效果及可行性进行验证，通过对原结构性能水准的校核，并与采用屈曲约束支撑的减震结构抗震性能进行对比，基于性能的屈曲约束支撑加固设计方法能够解决结构原先存在的扭转问题，可显著提升既有结构的抗震性能。

关键词：
减震加固
屈曲约束支撑
性能化设计
抗震性能
既有建筑
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既往抗震加固采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的指导思想，只能做到保障基本生命安全，不能有效解决震后结构、室内破坏导致的经济损失。20世纪90年代初，MOEHLE J[1]提出基于性能的抗震设计思想。性能化指的是依照不同的结构特点挑选不同的抗震性能目标，从而设计相应措施。随后，日本、欧洲等国家和地区相继发展了基于性能的抗震设计方法，并在规范中引入了相关技术[2]。

周云等[3]提出了基于性能的减震设计方法及加固理论框架，为结构减震控制技术提供理论支撑。广东省抗震性能设计规程根据试验给出了钢筋混凝土构件承载能力-变形-损坏程度的对应关系[4]。根据《建筑消能减震加固技术规程》（T/CECS 547-2018)[5]的规定，当采用消能减震技术进行加固设计时，可以通过大震下楼层弹塑性位移角来确定相应的构造措施。本文运用基于性能的消能减震加固设计方法对某既有框架结构进行加固设计，并验证了该方法可以达到预期的效果。

1、既有建筑结构抗震性能水准校核

对于抗震能力低、抗震构造措施不满足现行规范的既有建筑，采用屈曲约束支撑加固结构，通过性能化设计方法实现抗震加固目标，可以解决传统加固方法加固工程量过大，难以实现的难题[6]。

既有建筑结构抗震性能水准校核时，可参考高规抗震性能目标，综合抗震设防类别、设防烈度、场地条件等因素。抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，抗震性能分为1～5五个水准。在不同地震地面运动下，四级性能目标对应的抗震性能水准有所不同。由于地震地面运动的不确定性以及非线性分析方法的经验因素，对结构抗震性能的判断可能不准确。因此，在选择性能目标时应偏向安全。特殊结构或不规则结构应考虑选用更高等级的性能目标。

2、既有建筑结构减震加固

2.1消能减震结构地震反应能量方程

水平地震作用下，将消能减震结构等效为单自由度耗能体系，其在t时刻相对能量方程[7]表示为：

式中：为相对输入能量；

其中Ek为弹性应变能，Eh为滞回耗能；

2.2耗能机制及预期性能目标

抗震加固通过结构塑性损伤耗散地震能量，而减震加固通过消能器提供额外阻尼、结构固有阻尼消耗能量。减震加固能够降低主体结构的塑性损伤，因此适用于预期性能目标较高的既有建筑。

设计人员需根据抗震鉴定和性能校核预估既有结构的最高性能目标，以判断减震方案是否满足要求。使用适宜的消能器和减震装置，使不同地震水准下的承重结构维持较好水平。

层间位移指标可用于评估在罕遇地震下的最高性能水准。减震加固方案的预期最高性能目标建议不超过性能2，因为在罕遇地震下的既有建筑性能水平达到“基本完好”较难实现，较多的阻尼附加会产生较多经济成本，并且可能带来原有结构构件的损害。结构阻尼比升高后，影响动力放大系数的程度降低，建议阻尼比不高于25%。

3、可量化的消能减震结构抗震性能评估指标

减震加固性能化设计的核心为抗震性能评估，其设计后的抗震性能及方案与业主的需求息息相关。该项任务的重点就是关于抗震性能评估的指标的选取。

本文采用四个量化指标来评估既有建筑的抗震性能，包括层间位移指标、楼面加速度指标、力指标和能量指标。其中，层间位移指标用于评估承重结构和非承重构件的性能水平，见表1；楼面加速度指标用于评估室内设施和仪器的震损情况，建议罕遇地震下的屋面加速度控制指标不超过0.2g(200gal)；力指标用于判断结构在水平地震作用下的最大楼层剪力是否超过楼层的受剪承载能力；能量指标反映减震结构在地震作用下，塑性滞回耗能相对于原结构是否有显著减少。

在同一地震水准下，这四个量化指标对既有建筑的抗震性能评估结论可能存在差异，但应以最低的性能水准为评估结论。对于重要建筑的抗震鉴定，应进行设防地震和罕遇地震下的弹塑性分析，通过量化指标对结构整体和局部构件的抗震性能进行详细评估，为加固方案的设计提供依据[2]。

4、结构构件抗震性能设计方法

延性的细部构造，指的是在混凝土构件中边缘构件、箍筋和轴压比等结构，在钢结构构件中板件宽厚比、长细比等。整个结构不同部位部件的细部构造对应不同要求的抗震等级，可依照表2不同的性能要求进行选择。在同一部位的不同构件，可分为竖向及水平构件，按各自最低抗震构造等级选择。由基本抗震理论推导得知，承载力与延性要求为负相关，构造的抗震等级基本可以按照低一度的等级进行采用[9]。

图1 基于性能的减震加固设计流程图

5、基于性能的屈曲约束支撑减震加固设计流程

表1 消能减震结构性能水准的判别

表2 结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级

采用振型分解反应谱法得到结构的前三节周期、层弹性刚度、层间位移角。对罕遇地震下既有建筑非线性时程分析进行性能校核，评定既有建筑当前的性能水准，判断是否可按规范降低其构造要求。综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、加固难易程度等因素选取既有建筑结构加固后预期性能目标。

在原结构的基础上预设BRB连接单元，层附加刚度为主结构层弹性刚度10%～30%[10]，根据多遇地震下的减震效果再进行调整以满足目标位移。预设防屈曲耗能支撑性能参数，计算单个耗能支撑的刚度，反算各层耗能支撑数量。对布置BRB的减震结构进行罕遇地震下的非线性时程分析，检验抗震性能和减震效果，见图3。

减震设计中，强化概念设计是实现建筑最高性能目标并确保经济与安全性的重要保障。概念设计应根据建筑的功能和重要程度预估最高的性能目标，明确适用范围。同时，需要从经济和安全的角度出发，确保附加阻尼比在合理范围内，避免造价过高和对既有结构造成破坏。此外，结合性能目标及结构需求，选择力学特性与消能器类型相匹配的参数，合理布置消能装置，分析地震过程中的耗能效果，确保关键位置发挥良好效果。同时，需要设计合理的节点连接与构造，考虑其能承受足够荷载，防止节点先于消能器破坏。综上，在概念设计阶段，充分考虑建筑的实际需求和特点，确保地震发生时实现最佳抗震性能，降低建筑损坏风险。

6、工程应用分析

6.1工程概况

某既有钢筋混凝土框架结构建于2002年，原结构设计年限为50年，抗震设防类别为丙类，地处抗震设防烈度为6度的II类场地；设计地震分组为第一组，抗震等级为四级，平面图见图2。新一代地震区划图正式实施后该地区设防烈度提高为7度，抗震等级提升为三级。

6.2抗震鉴定分析

建筑总高度23.8m，属于多层建筑。结构第二振型表现为扭转，平面布置不合理，扭转刚度较小。框架柱满足承载力需求，少量柱子轴压比不满足现行规范要求。框架梁纵向钢筋基本满足计算配筋要求，仅有少量梁底配筋不足的问题。几乎所有的框架梁和柱箍筋间距均不满足规范要求。

图2 标准层结构平面布置图

6.3原结构模态分析及加固建议

由表3可知，结构在第二振型表现为扭转，抗扭刚度不足，针对这一问题，采用屈曲约束支撑改善框架的扭转情况，同时增大整体框架的抗侧刚度，有效控制楼层位移。

结合建筑使用要求和改善结构工作性能的要求，将屈曲约束支撑布置在房屋两端，便于施工且不影响建筑的使用[11]。

表3 原结构模态分析结果

6.4地震动参数及地震波的选取

依照抗震规范选用2条实际强震记录和1条人工模拟的加速度时程曲线，时程分析的基底剪力平均值与反应谱分析的基底剪力比值介于0.8～1.2之间，见表3。

6.5罕遇地震下的性能评估

罕遇地震下，首先要对原结构和减震结构进行动力弹塑性分析，根据相应的结果得到以下指标并进行性能评估。考虑到屈曲约束支撑的布置位置和方向，以下指标均着重于Y方向的对比。

(1)层间位移角指标

选取三条地震波非线性时程分析得到Y向层间位移角平均值，根据层间位移角与地震破坏等级的关系可知，原结构最大层间位移角为3.86×10-3，承重结构处于轻微损坏；减震结构最大层间位移角为3.12×10-3，承重结构处于轻微损坏。

图3 Y向层间位移角

(2)楼面加速度指标

由图4可知，RG1波下原结构屋面最大峰值加速度为972gal，减震结构屋面最大峰值加速度为464gal。加固大大降低了屋面最大峰值加速度，但还没有达到小于200gal的程度。

图4 屋面加速度时程曲线

(3)力指标

对于既有结构的力指标评估使用楼层屈服强度利用率：

其中楼层弹塑性地震剪力及受剪承载力取计算结果中的最大值及实配材料标准值强度计算。原结构各层屈服率均为达到0.8，主要承重结构处于尚未屈服的状态，符合性能水准2及以上的要求；减震结构屈服率在2、3、4层大于原结构的原因可能是此时约束支撑贡献了大量的弹塑性地震剪力。

表4 反应谱分析与时程分析基底剪力对比

图5 Y向楼层屈服强度利用率

(4)能量指标

选取Y方向上的人工波RG1计算结构的能量耗散，由图6可知，原结构的塑性滞回耗能占比较大，导致承重结构产生较严重的损伤；减震结构BRB耗散了部分地震能量，减少结构塑性滞回耗能，降低了结构损伤。

图6 RG1波减震前后能量耗散图

7、结论

经罕遇地震下的性能校核判定，原结构虽然建于2002年，按照6度设防进行设计，抗震等级为四级，与现行规范7度设防的构造要求相比，大量构件存在抗震构造措施不足的问题，但从层间位移角这一性能判定指标来看，原结构罕遇地震下层间位移角达到4.54×10-3，处于规范注释中提到的轻微损坏参考变形值5.43×10-3范围之内，可以认为罕遇地震下原结构符合性能水准2。对于达到性能要求2的结构，构造措施可按常规设计的有关规定降低一度采用，属于低延性构造要求。

结构性能目标的选定需要结合考虑设防烈度、类别、场地等外界因素及结构本身特点。针对原结构存在的两项主要问题：第二振型表现为扭转、存在大量构造措施上的不足，采用基于性能的消能减震加固设计方法进行性能水准的校核判定为水准2，构造可按低一度采用。此时加固的主要关注点落在了降低既有结构扭转效应的问题上，而这一问题经验证可以通过添加屈曲耗能支撑的方法彻底解决。

全面考量层间位移、震损、楼面加速度、能量等相关指标，可进一步精确评估既有建筑以及室内设施的抗震性能。在设防地震、罕遇地震下的评估，可以在鉴定阶段为建筑加固方案提供理论支持。明确“概念设计”在性能化设计过程中的重要性，每一步设计中尽量结合抗震概念进行设计。例如增强结构抗扭刚度，加强结构薄弱处，选择延性结构及构件，防止薄弱层局部破坏，减少静定结构等。

参考文献:

[2]鲁松,李爱群,徐文希.既有混凝土结构抗震性能提升技术的研究与应用[J].建筑结构,2020,50(24):48-55.

[3]周云,丁春花,邓雪松.基于性能的耗能减震加固设计理论框架[J].工程抗震与加固改造,2005(05):45-49.

[6]王四清,陈宇,艾辉军,等.基于性能的既有建筑防屈曲支撑抗震加固设计[J].建筑科学与工程学报,2021,38(02):38-46.

[7]周云,周福霖.耗能减震体系的能量设计方法[J].世界地震工程,1997(04):8-14.

[8] JGJ 297-2013,建筑消能减震技术规程[S].

[9] GB 50011-2010,建筑抗震设计规范[S].

[10]张锡朋.基于模型的框架结构减震设计方法及试验研究[D].中国地震局工程力学研究所,2019.

[11]陈道政,何池和,罗志远,等.防屈曲耗能支撑在房屋加层加固中的应用[J].工业建筑,2015,45(02):165-169.

文章来源:朱子杨,白丹阳.性能化设计在框架结构屈曲约束支撑加固中的应用[J].安徽建筑,2024,31(11):79-81+95.