不同地震动对某工业厂房加固前后抗震性能的影响

陈泽云

（苏州科技大学）

由于我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，面临较高的地震风险，在此背景下，对房屋进行加固已经成为了一项至关重要的任务。在地震时，房屋的抗震能力至关重要。然而，由于建筑年代久远且施工质量不佳等原因，许多建筑的抗震能力较弱，容易在地震中遭受破坏。如何对现有建筑的抗震性能进行评估，设计出可行的加固方案，并确保建筑在地震时仍能安全可靠地使用，已成为科研和工程领域关注的重点。

目前，常规既有框架结构的加固方法已提出较多[1]，相关加固研究工作一直在不断推进中：杨勇[2]等采用预应力钢带加固技术对钢筋混凝土框架梁端、柱端和节点核心区进行约束加固，研究结果表现出预应力钢带加固钢筋混凝土结构具有良好的延性和耗能性能。廖新雪[3]等基于试验研究的结果，采用ABAQUS分别对单面增加厚度和双面增加厚度的剪力墙进行有限元分析。研究结果表明，增加单侧厚度可以更有效地提高承载能力，而不是改善延性。

同时不同特性地震动对结构的影响也存在差异，近年来也受到广泛研究与关注。王珮瑜[4]等围绕不同特性地震动对不规则校舍加固前后抗震性能的影响开展研究，选择了具备不同特性的地震动记录，对比了加固前后结构动力特性，结果表明加固方案能显著提升结构的抗震性能和震后恢复能力，近场脉冲型地震下结构响应大于其他类型地震作用。Chen 等[5]对一典型地铁车站结构进行了一系列地震振动台试验。探讨了地震运动在土壤中的传播规律，分析了速度脉冲参数（脉冲形状、脉冲频率）和脉冲时间对结构动力响应的影响。

上述研究表明，不同地震动对结构响应的影响规律有着重要的指导意义，可为结构设计和加固提供参考。然而，目前大多数研究仅关注常规框架结构，工业厂房加固前后在不同地震动作用下的响应规律探讨相对较少。因此，本文主要针对某工业厂房，根据改造需求提出结构加固设计方案，并建立其三维有限元模型；随后，采用远场、近场有脉冲以及近场无脉冲等三种不同类型地震动记录，分析工业厂房在不同类型地震动作用下的响应情况以及抗震加固效果。

1 工程概况及加固设计

1.1 工程概况

宁夏瑞泰科技股份有限公司某工业厂房为四层混凝土框架结构，始建于2010年，建筑高度为22m，建筑面积为5526.36m2。结构平面布置如图1 所示，结构平面设有结构缝，本文选取平面布置图中的9～18 轴的结构进行分析。该区域结构首层高度为7.0m，二层、三层、四层高度均为5.0m。

图1 结构总平面图

1.2 综合加固设计

经过对原结构的模拟分析，发现：⑴部分钢筋混凝土构件存在承载能力不足的问题；⑵结构抗震时程分析结果表明，部分层间位移角不符合抗震规范要求。因此针对原结构所存在的问题提出了一套综合加固设计方案，如图2 所示：⑴采用增大截面和外包角钢综合加固方案对框架柱进行加固，旨在降低柱子的轴压比与提高结构整体承载能力；⑵混凝土框架梁采用外包角钢和粘贴碳纤维布法综合加固方案对混凝土框架梁进行加固，旨在提高其承载能力和延性。

图2 综合加固设计方案

2 动力特性分析

2.1 有限元模型

依据PKPM、ETABS和OpenSees三个软件对结构模型进行校核并对该结构进行动力特性分析，其中ETABS 与OpenSees 模型如图3 所示。各梁、柱之间刚接，柱底部采用固接限制三个方向移动。

图3 结构有限元模型

2.2 动力特性分析

表1分别为3种软件对结构进行模态分析得到的前3 阶模态，对比可见：⑴3 种软件所建立的模型的前3 阶自振周期较为接近，平均相差1.55%，最大相差为3.24%，表明所建立的模型具有一定的可靠性；⑵加固后，结构1 阶自振周期由0.926 降低至0.721，结构整体刚度显著增加，前3 阶自振周期分别减小22.1%、25.0%和29.2%。

表1 结构前3阶模态

3 地震作用下结构抗震性能

3.1 不同特性地震动输入

近场地震通常伴随长周期和速度脉冲，结构受到地震作用时易出现较大响应，导致对建筑物的强度和变形能力提出更高要求[6]。为了更加全面地验证加固后结构的可靠性，本文选取了3 条远场地震波以及3 条带有速度脉冲和另外3 条不带速度脉冲的近场地震波进行动力时程分析。

其中，远场地震波的反应谱曲线在统计意义上与规范反应谱曲线相符；近场地震波作用下的结构响应满足规范要求，且其反应谱曲线尽可能与反应谱曲线接近。所有已选取地震波的原始加速度时程曲线及远场地震波反应谱如图4所示。

图4 地震波时程曲线及远场地震波反应谱

3.2 多遇地震作用下结构位移响应

将9条地震波调幅至70gal进行多遇地震作用下的弹性时程分析。图5展示了该结构在多遇地震作用下Y向的层间位移角。对比其中的（a）、（b）、（c）图可得：⑴在加固前，层间位移角最大值出现在2 层，加固时应重点注意；而在加固后，各层间位移角下降明显，其中二层层间位移角比加固前减少了41.95%，说明采取的加固方法取得了一定效果；⑵经过加固施工后，近场地震和远场地震工况下的层间位移角度差异不大，说明在多遇地震工况下，近场地震的脉冲效应对结构影响不大。

图5 多遇地震作用下结构层间位移角

3.3 罕遇地震作用下结构位移响应

在进行罕遇地震作用下的结构弹塑性时程分析时，将地震波调幅为罕遇地震下的峰值加速度400gal。图6 给出了结构在罕遇地震作用下的层间位移角，对比其中的（a）、（b）、（c）图可得：⑴加固前，在近场地震作用下，结构的底层位移角均超过规范限值，结构进入塑性损伤，层间位移角在近场地震作用下的平均值约为远场地震作用下的两倍；⑵经过加固后，底层在远场地震和近场地震作用下的层间位移角平均值相较于加固前，分别降低了57.27%和74.67%，且均已满足规范限值；⑶加固前，底层结构已经进入塑性状态，而其他楼层尚未完全进入此状态，因此加固后其他楼层的层间位移角减小幅度均小于底层。和残余变形较大，远场地震工况下，结构响应相对较小，且残余变形为0；⑵加固后，不同工况下结构顶点位移响应衰减程度不同，近场有脉冲地震的顶点位移峰值下降幅度最大为63.25%，且各个地震工况下，残余变形都减小为0，结构可恢复性能显著改善。

图6 罕遇地震作用下结构层间位移角

图7 罕遇地震作用下结构顶点位移曲线

4 结论

⑴文中所述的加固方案，能够明显提高结构抗震性能，使得原结构的承载力显著提高，满足了相关规范的要求。

⑵经过加固后，结构的层间位移角均有一定程度的衰减，其中最高衰减幅度可达83.33%；此外，在近场地震工况下，衰减幅度远大于远场地震工况下。

⑶加固前，近场地震工况结构顶点位移响应和残余变形较大，加固后，各地震工况下，顶点位移均减小且残余变形都减小为0，结构可恢复性能显著改善。