基于性能的抗震加固在框架结构中的应用

刘文建

摘 要：基于性能的抗震加固是国际范围的研究课题，其在抗震加固中引入设计思想，来使加固后的结构经济合理、功能明确。本文论述了基于性能的抗震加固思路，明确了震害下框架结构的倒塌激励，并从设计参数确定、框架结构分析、加固方案提出与分析、加固方案构造连接四个方面来就基于性能的抗震加固在框架结构中的应用进行分析，以为我国抗震事业的进一步发展提供指导与借鉴。

关键词：基于性能；抗震加固；框架结构；应用

中图分类号：TU973+.31文献标识码：A 文章编号：

我国城市人口十分集中，且随着城市建设的进一步发展，各种大型建筑、重要建筑项目越来越多，在地震灾害面前如何更好地生存就成为当前亟待解决的重要问题。就当前我国城市现状来看，部分房屋已经步入中老年期，在现有经济条件下，全部重建并不现实，而应用基于性能的抗震加固就成为有效、积极的方法，前景十分广阔。因此，对基于性能的抗震加固在框架结构中的应用进行探讨，对于新时期的城市建设具有积极的现实意义。

一、 基于性能的抗震加固思路

随着社会经济的发展，当前不少高层建筑都在功能方面呈现出多样化的趋势，例如，中层及下层用于办公、餐饮或者娱乐，居住以及旅馆等则主要被安排在楼层的上部。首先，从建筑功能的角度来分析，在建筑的上部安排小开间轴线布置以及数量较大的墙体设计以及基本可以符合居住以及旅馆的需要；在建筑的下部，出于实用性的考虑，则需要尽可能的减少墙体以及诸柱子的使用，以便营造出较大的室内空间；再从结构受力角度加以分析，根据建筑力学的相关理论，建筑物的下部要保持较大的刚性，增加墙体以及柱子的数量以便符合受力要求，而建筑的上部，由于所承受的力度相对较小，所以可以适当的减少墙体以及柱子的使用量，经过分析不难发现，根据建筑功能所进行的布置与根据力学所进行的布置是存在矛盾的，为了有效解决这一问题，确保建筑物符合功能性的要求，就要打破常规进行结构设计，采取上小下大的空间布置方案，将刚度较大的剪力墙应用在建筑的上部分，刚度相对较小的框架柱则主要用于下部，根据这种建筑设计方案以及布局要求，就必须在建筑的结构转换层设置一个水平转换构件，这就是本文所探讨的转换层结构。

基于性能的抗震加固是以建筑物使用功能、结构形式、加固要求等为依据，来对其个等级的性能水平加以确定，并针对性能水平的差异性来明确抗震设防标准，以此为基础来开展加固设计。通常来讲，基于性能的抗震加固思路基本包含以下步骤：第一，全面鉴定现有结构，对框架结构的材料强度、布置形式、抗震构造及其他特征加以掌握；第二，以结构抗震验算、结构加固后使用要求、现行规范为依据，来对加固性能目标加以确定；第三，以确定的性能目标为依据，来对加固方案作出初步确定；第四，结合工程施工周期、造价对建筑使用影响情况来评估加固方案，作出合理修改，从而对最佳加固方案加以确定。转换层上部和下部结构层间位移角比与转换层的高度之间具有一定的联系，提高转换层高度，位移角比也会相应的增加；转换层下部结构的层间位移角会随着层数的增多而迅速的增加，所以，要严格限制转换层上部及下部结构的刚度比以及层间位移角。

二、震害下框架结构的倒塌机理

在震害下，钢筋混凝土框架结构发生破坏，其屈服机制如图1所示，可能的形式主要包括以下几种：第一，混凝土压碎、一个或多个截面钢筋屈服、构件发生轴压破坏或弯曲破坏；第二，一个或多个截面出现剪切破坏，剪坏构件；第三，结构整体或局部形成可动机构；第四，结构整体或局部发生失稳情况；第五，结构整体或局部出现过大变形，超出使用范围的要求。框架结构倒塌判断准则同构件稳定性、构件破坏准则有着直接的联系，结构体系稳定性的丧失是必要的倒塌条件，而倒塌则是不稳定状态的积累，直至承载能力的最终丧失，是一个不可逆转的过程。

图1.框架结构屈服机制

三、基于性能的抗震加固在框架结构中的应用分析

（一）确定框架结构工程的基本设计参数

框架结构工程的基本设计参数通常包括以下内容：第一，工程的绝对标高；第二，抗震设防烈度，包含地震的基本加速度、建筑物抗震设防类别、建筑结构安全等级及框架结构的主体结构形式；第三，基本风压、基本雪压、地面粗糙度，建筑的场地类型、场地类别、地震分组、周期折减系数、地基基础设计等级；第四，正常使用与维护为前提，主体结构在不改变使用环境和用途下的使用年限；第五，建筑物平面尺寸、高、底层层高、其余层高，混凝土等级，楼板厚度及梁柱截面的尺寸。

（二）进行框架结构的模态分析与反应谱分析

1、模态分析

通常应用SAP2000程序来对框架结构进行模态分析，进行模态分析来求解振型的方法有两种，分别为Ritz向量法和特征向量法。通过两种方法的综合运用，来对框架结构的基本性能参数进行提供，定性判断结构的响应性，来为其他动力的分析提供条件。

2、反应谱分析

反应谱分析是一种拟动力的分析形式，底部剪力法、振型分解法是地震作用下的框架结构分析方法。其中，前者是一种静力模拟计算方法，其原理为：对质点体系地震反应进行计算，建立反应谱，计算结构等效地震荷载，执行结构的计算与设计。而后者则先分析设计反应谱曲线，再应用振型组合方法来对振型进行分析，且CQC组合方法的应用最为普遍。

（三）基于性能抗震加固方案的提出与分析

以满足框架结构抗震加固方案的基本要求为前提，来提出基于性能的抗震加固方案，加固方案的提出主要针对以下情况：第一，房屋抗震承载力难以满足要求的情况；第二，钢筋混凝土构件存在局部损伤的情况；第三，墙体同框架柱间存在不良连接的情况；第四，建筑中存在易倒塌部位的情况；第五，建筑内电梯间、楼梯间、水箱间存在同鉴定要求不相符的情况；结合框架结构的重要性和已使用年限，来针对上述情况提出相应的加固方案。其基本方案如图2所示，在明确加固方案后，就应对加固方案进行分析，通常应用Pushover分析法来进行，如以侧向加固方式为例，首先进行新框架结构的model分析，在得到框架结构振型的方向和周期后，选用侧向加载和重力兼顾的方式，来运用Pushover分析法来对新框架结构做出分析，从而对加固方案的性能加以明确。

图2.基于性能的抗震加固基本方案

（四）进行抗震加固构造连接

在确定加固方案之后，还应进行抗震加固构造连接，期间应注意以下几点事项：第一，因抗震加固时，新旧构件连接是加固后框架结构整体协同工作的关键保障，故应进行原构件同新增构件间的可靠连接。第二，行政的抗震墙、柱既是传递竖向荷载的主要构件，又是负责对水平地震作用的直接抵抗，故应保证其基础的可靠性，基础的宽度和深埋应结合对新建墙、柱基础的计算来加以确定；第三，加固中对于需要凿除的砼应采取必要的顶撑措施，选取专业公司开展施工，并征询设计单位的相关意见；第四，对构造直筋的最小深度、受力纵向钢筋植筋深度、植筋最小边距进行合理确定；第五，结合框架结构实际来对新加混凝土与原砼交界面中的注意事项加以说明，更好地保障框架结构加固性能。转换板下部贯通落地剪力墙以及框支柱所承受的地震剪力会随着转换层位置的升高而增加，并且会在距离转换板上部距离最近的一层出现剪力墙应力集中的现象。如果转换层之下有四层以上时，就需要在进行建筑抗震设计时，重点加强贯通落地剪力墙以及框支柱部位，在必要情况学案，要对抗震等级适当的调整。梁柱节点处不同强度等级混凝土采用分别浇捣的施工方法，给施工带来不便，且容易形成邻接面的冷缝，故当柱子混凝土强度等级高于梁板混凝土强度等级不超过二级时(10N/mm２) ，可考虑梁柱节点处的混凝土随同梁板一起浇捣。

结语

我国地震活动强度大、频度高、分布广、震源浅，震灾情况十分严峻，可以说，我国在同地震灾害的抗争中任重道远。基于性能的抗震加固为我国城市建设提供了新的思路，在其现有基础上不断创新，使其在框架结构之外有着更广地应用，从而进一步促进我国抗震事业的发展。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。