单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计

2015年4月

第41卷第4期

JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

北京工业大学学报

Vol.41No.4Apr.2015

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计

(1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京 100124;

2.中建八局第二建设有限公司,济南 250014)

高向宇1,徐 帅1,郭运勇2

摘 要:为了解决既有单跨多层混凝土框架存在的结构体系不合理、抗震能力差等问题,以某典型单跨多层混凝土框架为背景,采用防屈曲支撑(buckling-restrainedbrace,BRB)消能减震加固技术对其进行加固.梳理应用该技术的工程技术条件、减震加固方案的设计流程以及BRB加固连接方式的工程应用条件等,对某单跨教学楼进行直连式减震加固改造,进行非线性推覆分析和时程分析,完成节点构造抗震加固设计.研究结果表明:利用该技术加固单跨框架可行,且能达到较高的抗震设防目标要求.关键词:混凝土框架;加固改造;消能减震;防屈曲支撑中图分类号:TU323.2

doi:10.11936/bjutxb2014100015

文献标志码:A

文章编号:0254-0037(2015)04-0550-08

RetrofittingDesignofSingle-spanMulti-storyConcreteFrame

TeachingBuildingsWithSeismicReduction

(1.TheKeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringofChinaMinistryofEducation,

2.TheSecondConstructionLimitedCompanyofChinaConstructionEighthEngineeringDivision,Jinan250014,China)

BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;

GAOXiang-yu1,XUShuai1,GUOYun-yong2

Abstract:Inordertosolvetheproblemsoftheexistingsingle-spanmulti-storyconcreteframebuildingsspanmulti-storyconcreteframewithenergydissipationandseismicreductiontechniquebyusingbuckling-restrainedbraces(BRB)wasstrengthened.Thetechnicalconditionsofthetechniqueandthe

thatthestructuralsystemisunreasonableandtheseismiccapacityispoor,andsoon,atypicalsingle-designflowofthestrengtheningscheme,andthetechnicalapplyingconditionsoftheBRBreinforcementmethods,etc.wassummarized.Thenasingle-spanteachingbuildingwasstrengthedwiththeproposedcompleted.Itshowsthattheproposedcorrelativetechniqueispracticabletostrengthensingle-spanconcretebuildingsandabletoachievetherequirementsofhigherseismicfortificationgoal.

brace

Keywords:concreteframework;reinforcedreconstruction;seismicdissipation;buckling-restrainedtechniqueofwhichtheBRBwasdirectlyconnectedwiththeoriginalframe,andthenonlinearpushoveranalysisandnonlineartimehistoryanalysisweremade,andthejointseismicstrengtheningdesignwas

村镇学校既有建筑存在不完全满足现行国家标

进行抗震加固改造后可继续使用.其中,单跨多层混凝土框架比较典型,在村镇学校既有教学楼中较

准的情况.有些建筑因客观原因尚不能推倒重建,

收稿日期:2014-10-09

基金项目:“十二五”国家科技计划资助项目(2011BAJ08B03-4)

作者简介:高向宇(1959—),男,教授,主要从事结构抗震、减震控制理论与技术方面的研究,E-mail:gaoxy@bjut.edu.cn

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计551

常见.国家现行标准《建筑抗震设计规范》[1]规定单跨混凝土框架在丙类建筑中不宜使用,乙类建筑中不应使用.对这类结构建筑进行抗震加固改造时,可采用增加抗震墙的办法.然而,如使用条件不允许或对施工条件有其他考虑,则可采用增加支撑或其他办法来解决.

相对于增设抗震墙加固技术进行加固改造,采用防屈曲支撑(buckling-restrainedbrace,BRB)消能减震技术不仅能改进结构体系构成,还能减少湿作业和粉尘污染,缩短施工周期,甚至还可以仅在室外BRB消能减震技术的应用条件分析得到的加固方法选择框图,可在抗震鉴定的基础上用其选择适宜的加固方法.其中,BRB消能减震技术也适用传统抗震加固技术,但效果有明显不同.因此,通过上述梳理,工程技术人员可圈定使用消能减震技术的大致范围,下面给出使用BRB消能减震技术所需具备的工程技术条件,以便技术人员做出取舍.

当既有结构经抗震鉴定存在下列情况之一时,不建议使用BRB消能减震加固技术进行加固:1)当既有结构满足抗震鉴定要求不需要进行施工,从而保证建筑功能正常行使.相对于增设传统支撑,防屈曲支撑(BRB)能在芯材屈服后不发生屈曲变形,从而避免主体结构发生大的不可逆变形.

随着消能减震技术日趋成熟,将其用于村镇建筑抗震加固改造已不是概念问题.主要是在策略和技术上如何与现行加固改造流程对接,实现技术融合,如何区别对待体系不良、构件不良、计算指标不良等实际情况,选用恰当的减震加固方案及施工方案,达到最佳技术、经济和环境效果.

本文以某典型单跨多层混凝土框架为背景,对该类建筑使用BRB消能减震技术设计流程和工程应用相关技术条件进行分析、研究和归纳,梳理出若干对策建议和技术措施,并通过案例分析论证了可行性.本文所推荐的加固方式经过了试验验证,研究结果表明:将BRB与既有框架直接相连[2]有框架外侧附加BRB钢筋混凝土框架[3]和在既有、在既框架内部附加BRB钢框架[4]等3种BRB消能减震加固方法,均可显著增加既有框架结构的阻尼比和抗侧移刚度,BRB作为第一道抗震防线具有良好的耗能减震能力,可实现较高的抗震设防目标.

1 抗震鉴定流程和要点

对既有混凝土框架结构进行加固设计的第1步是确定主体结构存在的问题和潜在的风险,主要方法是抗震鉴定,具体流程可以参考《建筑抗震鉴定标准》[5]因历史发展等原因(以下简称《鉴定标准,某些既有多层框架未进行》)或文献[6].

抗震设计,存在结构体系不合理(如单跨框架)、材料强度不足、结构构件配筋不足或构造不合理、抗震墙布置间距过大或数量太少、主体结构与砌体部分拉结措施缺失或强度不足等问题,导致结构抗震性能较差,这些都是抗震鉴定的重要内容.

2 加固方法的选择

图1为根据对框架结构受震破坏规律以及

加固时筑、A2),类建筑以及对于可不进行减震加固6度区满足第一级抗震鉴定要求的建.

《鉴定标准》规定可以不进行抗震验算的其他建筑3)当既有结构抗震鉴定的结论是只需要对结,可不采用消能减震技术进行减震加固.

构构件、节点或非结构构件进行抗震加固时,可不进行减震加固4)当框架柱轴压比严重不合格.

现行规范限定的设防烈度降1度后该结构对应的柱,其值已经大于

轴压比限值,不宜采用消能减震技术进行加固.

当既有结构经抗震鉴定后存在下列情况之一时,建议优先使用转不规则1)既有结构的结构体系不规则BRB消能减震加固技术进行加固、侧向刚度分布不规则、竖向抗侧力构件不,主要有平面扭:

连续2)、楼层承载力突变等结构抗侧移刚度不足.

度不足,主要是框架梁、柱刚3),结构的抗震防线较少或其抗震承载力比例不够.

.

对于存在其他情况的既有结构应根据实际情况

选择恰当合理的加固技术进行加固改造,也可灵活采用抗震和消能减震混合的技术,这里不再详述.

3 确定减震加固方案

震加固设防目标BRB消能减震加固改造方案主要包括,选择加固连接方式,确定消能部件:确定减

布局、数量及相关技术参数,进行抗震性能分析、节点连接构造设计等.加固改造方案的确定是循环往复的过程,应综合考虑主体结构的现有抗震能力、消能部件的减震性能、经济条件、安全要求等因素,实现“安全、性态、经济”的设计理念.设计流程见图2.

减震加固设防目标应符合或高于现行《建筑消能减震技术规程》[7]抗震设防目标,同时兼顾业主要求(以下简称《减震规程.即,对于一般丙》)给出的类建筑,可采用该规程规定的结构“小震不坏、中震

552

Fig.1 Selectblockdiagramoftheframestructure'failurelawandstrengtheningmethods

图1 框架结构受震破坏规律和加固方法选择框图

可修、大震不倒”和消能部件“小震和中震正常工作、大震不失功能”的基本抗震设防目标,对于乙类建筑或需要提高设防目标的丙类建筑,可将设防目标提高为结构“中震不屈服、中震不坏、大震不屈服”、消能部件“大震正常工作”等.

本文推荐3种加固方式,设计人员可根据其特点选择相应的技术条件.所谓直连方式,是利用后锚固技术将BRB等消能部件直接同主体框架相连;外贴方式是在既有混凝土框架外部加建附加混凝土框架,设置BRB[3];内嵌方式是在既有混凝土框架内部加建附加钢框架,设置BRB[4].其中“规范”均指《建筑抗震设计规范》,所述既有结构工况应为安装BRB前工况,若采用局部加强,应以局部加强后的构件和节点情况进行判断.加固方式选择流程见

图3.图中“节点构造”一项应根据《建筑抗震设计规范》和《鉴定标准》进行判断.

1)适用直连加固方式的工程技术条件:③现有情况允许节点及连接设计.

①既有结构承载力和构造满足现行规范要求;②既有结构层间位移角大于现行规范限值;

2)适用外贴加固方式的工程技术条件:框架柱轴压比满足现行规范要求;

①既有结构层间位移大于现行规范限值,既有②既有结构层间位移大于现行规范限值,框架③当建筑结构的工况存在下列状况时,宜采用

柱轴压比超出现行规范要求,但在15%范围内;

外贴混凝土框架技术进行消能减震:i)可以湿作业;英)不能够进入室内施工.

第4期高向宇,等:

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计553

3)适用内嵌加固方式的工程技术条件:柱轴压比满足现行规范要求;

①既有结构层间位移大于现行规范限值,框架②既有结构层间位移大于现行规范限值,框架③如果建筑结构的工况存在下列情况时,宜采BRB等消能部件的布局和有效刚度应依据《减

柱轴压比超出现行规范要求,在15%范围内;

用内嵌式技术进行消能减震:i)只能干作业;英)能够进入室内施工.

震规程》6.2节和6.3节的规定执行,再确定根据设图2 消能减震技术设计流程框图

Fig.2 Energytechnologydissipationdesignprocessandseismicdiagramreduction

图3 BRB加固方式选择框图

Fig.3 DiagramofselectingmethodofBRBreinforcement

防目标、安装需求等确定BRB等消能部件的起始屈服位移、屈服承载力、材料、尺寸等规程BRB》的相关规定等消能部件的施工安装顺序应符合.

.消能部件的安装顺序宜遵循《减震

“先节点后构件、先柱后梁、先螺栓后焊接、先附加框架后BRB”的原则.施工流程见图4.当原框架,尤其是连接“BRB的结构构件和节点强度不足时,措施时主体结构加固应执行

,应执行“”,安装附加框架

当采用外贴式或内嵌式加固技术”.

图4 BRB施工流程框图

Fig.4 BRBconstructionprocessdiagram

4 工程案例

4.1 工程背景

本文以某教学楼[8]为研究背景.该教学楼为钢筋混凝土框架结构,后续使用年限40a,因基础状况

良好,取抗震缝南侧结构进行加固设计研究.所选部分总建筑面积1364m2凝土柱下条形基础,砌体填充墙,层高3..3其平面布置见图

m,采用钢筋混

554

5,各结构构件尺寸见图6.

Fig.5 Planofbuildingstructure

图5 结构平面布置图

其他参数(完善后)如下:1)抗震设防为7度(0.15g),乙类建筑,抗震等级二级,抗震构造措施按8度(0.2g)执行;2)场地类别为Ⅳ类;3)混凝土5)楼面活载为2.0kN/m2(教室)、2.5kN/m2(走廊)、3.5kN/m2(楼梯间);6)楼(屋)面恒载(含楼板质量)为3.36kN/m2.

《鉴定标准》规定框架结构不宜为单跨框架,乙强度为C30;4)屋面活载为2.0kN/m2(上人屋面);

Fig.6 BRBlayoutdrawing

图6 BRB平面布置图

合理、最大弹性层间侧移角超限(横向为1/480,纵向为1/299).

4.3 加固改造方案的确定

根据上述鉴定结果,考虑采用BRB减震加固技术进行加固改造.减震设防目标暂定为小震弹性、中震不屈服、大震不倒.

《建筑抗震规范》规定,钢支撑-混凝土框架的

4.2 抗震鉴定和抗震验算

层间侧移角限值,宜按框架和框架-抗震墙结构内插.而为使BRB较早进入屈服工作状态,设置BRB的框架(记为F-B框架)的屈服起始层间侧移角宜小于上述内插值,而小震下的层间位移角限值宜小于屈服起始位移角,充分发挥主体结构的抗震能力

类设防时不应为单跨框架结构.经鉴定,该教学楼为乙类建筑,不应采用单跨框架形式.

经鉴定,该结构主要存在的问题有结构体系不

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计555

和BRB的耗能减震作用.本例中,取屈服起始层间位移角为1/750,当结构遭遇设防烈度时BRB应已进入屈服工作状态.层间位移角限值为小震1/800,大震1/80.

既有框架柱轴压比富余(最大轴压比为0.59),梁、柱和节点配筋构造均达到规范要求,可采用BRB减震加固技术,而且可采用直连式加固方式进

行改造.考虑到教学楼功能要求和施工条件,采用如图6的布置方案.采用芯材Q235钢和混凝土套管防屈曲支撑,根据设防烈度下的屈服起始层间位移角,优化并确定BRB数量、屈服起始变形和屈服承载力及刚度分布,再进一步确定BRB连接段和工作段的长度(芯材部分),具体数据见表1,其中BRB1和BRB2采用单斜杆布置,BRB3和BRB4采用双斜杆布置.

表1 防屈曲支撑方案

Table1 Schemeofbuckling-restrainedbrace

编号1234

布置楼层4~51~34~51~3

单支屈服承载力/kN

[1**********]8

单支轴向弹性刚度/(kN·m)[***********]5000

等效截面面积/mm2

[**************]3

水平倾39.539.537.537.5

屈服起始3.393.393.493.49

芯材长度/mm[**************]0

工作[**************]0

工作段[**************]0

段长/mm截面/mm2

斜角度/(°)变形/mm

4.4 有限元非线性分析

采用有限元分析软件SAP2000对本加固改造方案进行非线性推覆分析和非线性时程分析.其中混凝土梁、柱采用杆单元,板采用弹性膜元,BRB按Link单元建模,采用Bouc-Wen力学模型,塑性铰布用表1所示参数.屈服后刚度比为0.05,屈服指数4.4.1 非线性推覆分析κ=0.02.

置于构件端部(不含节点和加固段).屈服承载力采

面主要针对2个方向推覆分析的性能点进行讨论.表2是原结构和F-B结构在横向和纵向推覆下的性能点参数,可看出设置BRB后结构的顶点侧移值明显减小,自振周期减小,阻尼比变小,证明BRB能提高结构的刚度和附加阻尼比,显著改善结构的性能.

经检验,当结构遭遇设防烈度地震时2个方向的推覆分析结果均未出现“IO”铰,B铰数量较少,基本实现“中震不屈服”的设防目标.而当遭遇设防烈度地震时,结构的层间侧移已经大于1/750,BRB进入屈服工作状态,实现设计目标.

以横向推覆为例,先进行竖向加载,再进行推

覆加载,不考虑P-△效应,以中部框架顶点横向侧移为控制点进行横向推覆.纵向推覆分析类似,下

表2 结构性能点

Table2 Structureperformancepoint

结构体系原结构-X原结构-YF-B结构-XF-B结构-Y

多遇烈度

D/mm33.11519.43314.91510.766

0.9790.7110.6260.525Teff/s

0.0500.0500.0500.050ζeff

D/mm83.57156.62844.98831.477

设防烈度1.1730.8760.7160.559Teff/s

0.1640.1690.1200.082ζeff

D/mm179.255141.223116.70089.984

罕遇烈度1.6801.4231.0580.871Teff/s

0.2620.3000.2500.259ζeff

4.4.2 非线性时程分析

注:“-X”表示数据为纵向推覆分析的结果;“-Y”表示数据为横向推覆分析的结果.

表3为罕遇地震作用下2种结构的一层框架节点最大位移时程.表4为整个框架结构的出铰情况统计结果.可以看出,增设BRB能够减少柱铰和IO铰的比率,证明BRB能够调整结构内力分布,从而保护主体结构,提高结构的抗震性能.

选取El-Centro(NS)、Newhall(0°)2条地震波对

原结构和F-B结构进行非线性时程分析.主要讨论罕遇地震作用下的计算结果,输入地震加速度幅值为310cm/s2.

556

表3 罕遇地震作用下第1层框架节点的最大位移时程

Table3 Maximumswaybytime-historyanalysisofthefirstfloorjointundertheactionofsevereearthquake地震波参数原结构-XF-B结构-X原结构-YF-B结构-Y

El-centro波

Newhall波

时间/s3.081.985.402.22

底层位移/mm

35.2112.5219.7814.65

时间/s5.985.705.725.64

底层位移/mm

46.3936.4830.5929.61

注:“-X”表示数据为地震波纵向作用下的结果;“-Y”表示数据为地震波横向作用下的结果.

表4 第1层节点横(纵)向侧移最大时结构出铰数量

Table4 Hingeamountofstructurewhenthefirstfloorjoints'lateral(longitudinal)swaybeingmaximum地震波作用方向

地震波铰类型

原结构F-B结构

柱铰梁铰柱铰梁铰

El-centro波B铰67303544

IO铰02404

横向作用

Newhall波B铰102187323

IO铰036027

El-centro波B铰11472422

IO铰02000

B铰138367234纵向作用

Newhall波IO铰056036

LS铰0300

图7给出了El-centro地震波和Newhall地震波作用下F-B结构第1层BRB(BRB2和BRB4)滞回曲线.可以看出,在地震作用下,第1层2个方向的BRB的最大轴向变形均能达到屈服起始变形的34.5 方案实施倍以上,耗能性能良好.

后,还应进行消能部件设计、节点连接构造设计、必要的主体结构加固设计和施工组织设计等.对于梁柱截面较小、承载力较低的工程,建议采用外包钢板后锚固连接方式进行节点连接构造设计,如图8所示.对于主体结构抗震构造措施,《减震规程》规定,当消能减震结构的抗震性能明显提高时,主体结构的抗震构造措施要求可适当降低.该工程的框架抗

当通过抗震性能分析确定减震加固方案可行

Fig.7 FirstfloorBRBenergy-absorbedcurveunderearthquake

图7 地震作用下第1层BRB滞回曲线

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计557

震构造措施在不考虑BRB作用时应按8度(0.2g)执行,即二级框架;当考虑BRB作用时,可按7度(0.15g)执行,即三级框架.根据抗震鉴定结果,满足要求

.

[2]薛彦涛,金林飞,韩雪,等.钢筋混凝土框架屈曲约束

支撑试验研究[J].建筑结构,2013,43(1):1-4.XUEYan-tao,JINLin-fei,HANXue,etal.Experimental4.(inChinese)

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混凝土框架加固既有钢筋混凝土框架抗震性能试验[J].建筑结构学报,2013,34(12):52-61.HUANGHai-tao,GAOXiang-yu,LIZi-qiang,etal.framestructure[J].BuildingStructure,2013,43(1):1-

Experimentalstudyonseismicbehaviorofconcreteframe

图8 BRB1节点详图

Fig.8 BRB1connectiondetails

消能部件和节点连接设计过程、施工组织设计流程等可参考文献[7,9-11].

5 结论和建议

对单跨混凝土框架结构进行加固改造是可行的1)在一定条件下采用BRB消能减震加固技术

,能实现高于一般民用建筑的抗震设防目标不合理2)、BRB抗侧移刚度不足或分布不均匀消能减震技术主要用于解决结构体系.

、水平层间侧移角超限等问题,当现有结构存在上述问题时,建议优先考虑进行加固改造时3)当采用BRB消能减震技术进行加固改造BRB.

,应根据建筑外观要求消能减震加固技术对现有结构

、施工允许、结构构件和节点实际状况等选择合适的加固方式和布局,再根据屈服起始层间位移角和屈服承载力优化设计BRB的数量和规格.参考文献:

[1]中华人民共和国住房与城乡建设部建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社.GB50011—2010

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Engineering

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社,2009.

(责任编辑 郑筱梅)

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计

作者:

作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

高向宇, 徐帅, 郭运勇, GAO Xiang-yu, XU Shuai, GUO Yun-yong

高向宇,徐帅,GAO Xiang-yu,XU Shuai(北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京,100124), 郭运勇,GUO Yun-yong(中建八局第二建设有限公司,济南,250014)北京工业大学学报

Journal of Beijing University of Technology2015(4)

引用本文格式:高向宇.徐帅.郭运勇.GAO Xiang-yu.XU Shuai.GUO Yun-yong 单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计[期刊论文]-北京工业大学学报 2015(4)

2015年4月

第41卷第4期

JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

北京工业大学学报

Vol.41No.4Apr.2015

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计

(1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京 100124;

2.中建八局第二建设有限公司,济南 250014)

高向宇1,徐 帅1,郭运勇2

摘 要:为了解决既有单跨多层混凝土框架存在的结构体系不合理、抗震能力差等问题,以某典型单跨多层混凝土框架为背景,采用防屈曲支撑(buckling-restrainedbrace,BRB)消能减震加固技术对其进行加固.梳理应用该技术的工程技术条件、减震加固方案的设计流程以及BRB加固连接方式的工程应用条件等,对某单跨教学楼进行直连式减震加固改造,进行非线性推覆分析和时程分析,完成节点构造抗震加固设计.研究结果表明:利用该技术加固单跨框架可行,且能达到较高的抗震设防目标要求.关键词:混凝土框架;加固改造;消能减震;防屈曲支撑中图分类号:TU323.2

doi:10.11936/bjutxb2014100015

文献标志码:A

文章编号:0254-0037(2015)04-0550-08

RetrofittingDesignofSingle-spanMulti-storyConcreteFrame

TeachingBuildingsWithSeismicReduction

(1.TheKeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringofChinaMinistryofEducation,

2.TheSecondConstructionLimitedCompanyofChinaConstructionEighthEngineeringDivision,Jinan250014,China)

BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;

GAOXiang-yu1,XUShuai1,GUOYun-yong2

Abstract:Inordertosolvetheproblemsoftheexistingsingle-spanmulti-storyconcreteframebuildingsspanmulti-storyconcreteframewithenergydissipationandseismicreductiontechniquebyusingbuckling-restrainedbraces(BRB)wasstrengthened.Thetechnicalconditionsofthetechniqueandthe

thatthestructuralsystemisunreasonableandtheseismiccapacityispoor,andsoon,atypicalsingle-designflowofthestrengtheningscheme,andthetechnicalapplyingconditionsoftheBRBreinforcementmethods,etc.wassummarized.Thenasingle-spanteachingbuildingwasstrengthedwiththeproposedcompleted.Itshowsthattheproposedcorrelativetechniqueispracticabletostrengthensingle-spanconcretebuildingsandabletoachievetherequirementsofhigherseismicfortificationgoal.

brace

Keywords:concreteframework;reinforcedreconstruction;seismicdissipation;buckling-restrainedtechniqueofwhichtheBRBwasdirectlyconnectedwiththeoriginalframe,andthenonlinearpushoveranalysisandnonlineartimehistoryanalysisweremade,andthejointseismicstrengtheningdesignwas

村镇学校既有建筑存在不完全满足现行国家标

进行抗震加固改造后可继续使用.其中,单跨多层混凝土框架比较典型,在村镇学校既有教学楼中较

准的情况.有些建筑因客观原因尚不能推倒重建,

收稿日期:2014-10-09

基金项目:“十二五”国家科技计划资助项目(2011BAJ08B03-4)

作者简介:高向宇(1959—),男,教授,主要从事结构抗震、减震控制理论与技术方面的研究,E-mail:gaoxy@bjut.edu.cn

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计551

常见.国家现行标准《建筑抗震设计规范》[1]规定单跨混凝土框架在丙类建筑中不宜使用,乙类建筑中不应使用.对这类结构建筑进行抗震加固改造时,可采用增加抗震墙的办法.然而,如使用条件不允许或对施工条件有其他考虑,则可采用增加支撑或其他办法来解决.

相对于增设抗震墙加固技术进行加固改造,采用防屈曲支撑(buckling-restrainedbrace,BRB)消能减震技术不仅能改进结构体系构成,还能减少湿作业和粉尘污染,缩短施工周期,甚至还可以仅在室外BRB消能减震技术的应用条件分析得到的加固方法选择框图,可在抗震鉴定的基础上用其选择适宜的加固方法.其中,BRB消能减震技术也适用传统抗震加固技术,但效果有明显不同.因此,通过上述梳理,工程技术人员可圈定使用消能减震技术的大致范围,下面给出使用BRB消能减震技术所需具备的工程技术条件,以便技术人员做出取舍.

当既有结构经抗震鉴定存在下列情况之一时,不建议使用BRB消能减震加固技术进行加固:1)当既有结构满足抗震鉴定要求不需要进行施工,从而保证建筑功能正常行使.相对于增设传统支撑,防屈曲支撑(BRB)能在芯材屈服后不发生屈曲变形,从而避免主体结构发生大的不可逆变形.

随着消能减震技术日趋成熟,将其用于村镇建筑抗震加固改造已不是概念问题.主要是在策略和技术上如何与现行加固改造流程对接,实现技术融合,如何区别对待体系不良、构件不良、计算指标不良等实际情况,选用恰当的减震加固方案及施工方案,达到最佳技术、经济和环境效果.

本文以某典型单跨多层混凝土框架为背景,对该类建筑使用BRB消能减震技术设计流程和工程应用相关技术条件进行分析、研究和归纳,梳理出若干对策建议和技术措施,并通过案例分析论证了可行性.本文所推荐的加固方式经过了试验验证,研究结果表明:将BRB与既有框架直接相连[2]有框架外侧附加BRB钢筋混凝土框架[3]和在既有、在既框架内部附加BRB钢框架[4]等3种BRB消能减震加固方法,均可显著增加既有框架结构的阻尼比和抗侧移刚度,BRB作为第一道抗震防线具有良好的耗能减震能力,可实现较高的抗震设防目标.

1 抗震鉴定流程和要点

对既有混凝土框架结构进行加固设计的第1步是确定主体结构存在的问题和潜在的风险,主要方法是抗震鉴定,具体流程可以参考《建筑抗震鉴定标准》[5]因历史发展等原因(以下简称《鉴定标准,某些既有多层框架未进行》)或文献[6].

抗震设计,存在结构体系不合理(如单跨框架)、材料强度不足、结构构件配筋不足或构造不合理、抗震墙布置间距过大或数量太少、主体结构与砌体部分拉结措施缺失或强度不足等问题,导致结构抗震性能较差,这些都是抗震鉴定的重要内容.

2 加固方法的选择

图1为根据对框架结构受震破坏规律以及

加固时筑、A2),类建筑以及对于可不进行减震加固6度区满足第一级抗震鉴定要求的建.

《鉴定标准》规定可以不进行抗震验算的其他建筑3)当既有结构抗震鉴定的结论是只需要对结,可不采用消能减震技术进行减震加固.

构构件、节点或非结构构件进行抗震加固时,可不进行减震加固4)当框架柱轴压比严重不合格.

现行规范限定的设防烈度降1度后该结构对应的柱,其值已经大于

轴压比限值,不宜采用消能减震技术进行加固.

当既有结构经抗震鉴定后存在下列情况之一时,建议优先使用转不规则1)既有结构的结构体系不规则BRB消能减震加固技术进行加固、侧向刚度分布不规则、竖向抗侧力构件不,主要有平面扭:

连续2)、楼层承载力突变等结构抗侧移刚度不足.

度不足,主要是框架梁、柱刚3),结构的抗震防线较少或其抗震承载力比例不够.

.

对于存在其他情况的既有结构应根据实际情况

选择恰当合理的加固技术进行加固改造,也可灵活采用抗震和消能减震混合的技术,这里不再详述.

3 确定减震加固方案

震加固设防目标BRB消能减震加固改造方案主要包括,选择加固连接方式,确定消能部件:确定减

布局、数量及相关技术参数,进行抗震性能分析、节点连接构造设计等.加固改造方案的确定是循环往复的过程,应综合考虑主体结构的现有抗震能力、消能部件的减震性能、经济条件、安全要求等因素,实现“安全、性态、经济”的设计理念.设计流程见图2.

减震加固设防目标应符合或高于现行《建筑消能减震技术规程》[7]抗震设防目标,同时兼顾业主要求(以下简称《减震规程.即,对于一般丙》)给出的类建筑,可采用该规程规定的结构“小震不坏、中震

552

Fig.1 Selectblockdiagramoftheframestructure'failurelawandstrengtheningmethods

图1 框架结构受震破坏规律和加固方法选择框图

可修、大震不倒”和消能部件“小震和中震正常工作、大震不失功能”的基本抗震设防目标,对于乙类建筑或需要提高设防目标的丙类建筑,可将设防目标提高为结构“中震不屈服、中震不坏、大震不屈服”、消能部件“大震正常工作”等.

本文推荐3种加固方式,设计人员可根据其特点选择相应的技术条件.所谓直连方式,是利用后锚固技术将BRB等消能部件直接同主体框架相连;外贴方式是在既有混凝土框架外部加建附加混凝土框架,设置BRB[3];内嵌方式是在既有混凝土框架内部加建附加钢框架,设置BRB[4].其中“规范”均指《建筑抗震设计规范》,所述既有结构工况应为安装BRB前工况,若采用局部加强,应以局部加强后的构件和节点情况进行判断.加固方式选择流程见

图3.图中“节点构造”一项应根据《建筑抗震设计规范》和《鉴定标准》进行判断.

1)适用直连加固方式的工程技术条件:③现有情况允许节点及连接设计.

①既有结构承载力和构造满足现行规范要求;②既有结构层间位移角大于现行规范限值;

2)适用外贴加固方式的工程技术条件:框架柱轴压比满足现行规范要求;

①既有结构层间位移大于现行规范限值,既有②既有结构层间位移大于现行规范限值,框架③当建筑结构的工况存在下列状况时,宜采用

柱轴压比超出现行规范要求,但在15%范围内;

外贴混凝土框架技术进行消能减震:i)可以湿作业;英)不能够进入室内施工.

第4期高向宇,等:

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计553

3)适用内嵌加固方式的工程技术条件:柱轴压比满足现行规范要求;

①既有结构层间位移大于现行规范限值,框架②既有结构层间位移大于现行规范限值,框架③如果建筑结构的工况存在下列情况时,宜采BRB等消能部件的布局和有效刚度应依据《减

柱轴压比超出现行规范要求,在15%范围内;

用内嵌式技术进行消能减震:i)只能干作业;英)能够进入室内施工.

震规程》6.2节和6.3节的规定执行,再确定根据设图2 消能减震技术设计流程框图

Fig.2 Energytechnologydissipationdesignprocessandseismicdiagramreduction

图3 BRB加固方式选择框图

Fig.3 DiagramofselectingmethodofBRBreinforcement

防目标、安装需求等确定BRB等消能部件的起始屈服位移、屈服承载力、材料、尺寸等规程BRB》的相关规定等消能部件的施工安装顺序应符合.

.消能部件的安装顺序宜遵循《减震

“先节点后构件、先柱后梁、先螺栓后焊接、先附加框架后BRB”的原则.施工流程见图4.当原框架,尤其是连接“BRB的结构构件和节点强度不足时,措施时主体结构加固应执行

,应执行“”,安装附加框架

当采用外贴式或内嵌式加固技术”.

图4 BRB施工流程框图

Fig.4 BRBconstructionprocessdiagram

4 工程案例

4.1 工程背景

本文以某教学楼[8]为研究背景.该教学楼为钢筋混凝土框架结构,后续使用年限40a,因基础状况

良好,取抗震缝南侧结构进行加固设计研究.所选部分总建筑面积1364m2凝土柱下条形基础,砌体填充墙,层高3..3其平面布置见图

m,采用钢筋混

554

5,各结构构件尺寸见图6.

Fig.5 Planofbuildingstructure

图5 结构平面布置图

其他参数(完善后)如下:1)抗震设防为7度(0.15g),乙类建筑,抗震等级二级,抗震构造措施按8度(0.2g)执行;2)场地类别为Ⅳ类;3)混凝土5)楼面活载为2.0kN/m2(教室)、2.5kN/m2(走廊)、3.5kN/m2(楼梯间);6)楼(屋)面恒载(含楼板质量)为3.36kN/m2.

《鉴定标准》规定框架结构不宜为单跨框架,乙强度为C30;4)屋面活载为2.0kN/m2(上人屋面);

Fig.6 BRBlayoutdrawing

图6 BRB平面布置图

合理、最大弹性层间侧移角超限(横向为1/480,纵向为1/299).

4.3 加固改造方案的确定

根据上述鉴定结果,考虑采用BRB减震加固技术进行加固改造.减震设防目标暂定为小震弹性、中震不屈服、大震不倒.

《建筑抗震规范》规定,钢支撑-混凝土框架的

4.2 抗震鉴定和抗震验算

层间侧移角限值,宜按框架和框架-抗震墙结构内插.而为使BRB较早进入屈服工作状态,设置BRB的框架(记为F-B框架)的屈服起始层间侧移角宜小于上述内插值,而小震下的层间位移角限值宜小于屈服起始位移角,充分发挥主体结构的抗震能力

类设防时不应为单跨框架结构.经鉴定,该教学楼为乙类建筑,不应采用单跨框架形式.

经鉴定,该结构主要存在的问题有结构体系不

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计555

和BRB的耗能减震作用.本例中,取屈服起始层间位移角为1/750,当结构遭遇设防烈度时BRB应已进入屈服工作状态.层间位移角限值为小震1/800,大震1/80.

既有框架柱轴压比富余(最大轴压比为0.59),梁、柱和节点配筋构造均达到规范要求,可采用BRB减震加固技术,而且可采用直连式加固方式进

行改造.考虑到教学楼功能要求和施工条件,采用如图6的布置方案.采用芯材Q235钢和混凝土套管防屈曲支撑,根据设防烈度下的屈服起始层间位移角,优化并确定BRB数量、屈服起始变形和屈服承载力及刚度分布,再进一步确定BRB连接段和工作段的长度(芯材部分),具体数据见表1,其中BRB1和BRB2采用单斜杆布置,BRB3和BRB4采用双斜杆布置.

表1 防屈曲支撑方案

Table1 Schemeofbuckling-restrainedbrace

编号1234

布置楼层4~51~34~51~3

单支屈服承载力/kN

[1**********]8

单支轴向弹性刚度/(kN·m)[***********]5000

等效截面面积/mm2

[**************]3

水平倾39.539.537.537.5

屈服起始3.393.393.493.49

芯材长度/mm[**************]0

工作[**************]0

工作段[**************]0

段长/mm截面/mm2

斜角度/(°)变形/mm

4.4 有限元非线性分析

采用有限元分析软件SAP2000对本加固改造方案进行非线性推覆分析和非线性时程分析.其中混凝土梁、柱采用杆单元,板采用弹性膜元,BRB按Link单元建模,采用Bouc-Wen力学模型,塑性铰布用表1所示参数.屈服后刚度比为0.05,屈服指数4.4.1 非线性推覆分析κ=0.02.

置于构件端部(不含节点和加固段).屈服承载力采

面主要针对2个方向推覆分析的性能点进行讨论.表2是原结构和F-B结构在横向和纵向推覆下的性能点参数,可看出设置BRB后结构的顶点侧移值明显减小,自振周期减小,阻尼比变小,证明BRB能提高结构的刚度和附加阻尼比,显著改善结构的性能.

经检验,当结构遭遇设防烈度地震时2个方向的推覆分析结果均未出现“IO”铰,B铰数量较少,基本实现“中震不屈服”的设防目标.而当遭遇设防烈度地震时,结构的层间侧移已经大于1/750,BRB进入屈服工作状态,实现设计目标.

以横向推覆为例,先进行竖向加载,再进行推

覆加载,不考虑P-△效应,以中部框架顶点横向侧移为控制点进行横向推覆.纵向推覆分析类似,下

表2 结构性能点

Table2 Structureperformancepoint

结构体系原结构-X原结构-YF-B结构-XF-B结构-Y

多遇烈度

D/mm33.11519.43314.91510.766

0.9790.7110.6260.525Teff/s

0.0500.0500.0500.050ζeff

D/mm83.57156.62844.98831.477

设防烈度1.1730.8760.7160.559Teff/s

0.1640.1690.1200.082ζeff

D/mm179.255141.223116.70089.984

罕遇烈度1.6801.4231.0580.871Teff/s

0.2620.3000.2500.259ζeff

4.4.2 非线性时程分析

注:“-X”表示数据为纵向推覆分析的结果;“-Y”表示数据为横向推覆分析的结果.

表3为罕遇地震作用下2种结构的一层框架节点最大位移时程.表4为整个框架结构的出铰情况统计结果.可以看出,增设BRB能够减少柱铰和IO铰的比率,证明BRB能够调整结构内力分布,从而保护主体结构,提高结构的抗震性能.

选取El-Centro(NS)、Newhall(0°)2条地震波对

原结构和F-B结构进行非线性时程分析.主要讨论罕遇地震作用下的计算结果,输入地震加速度幅值为310cm/s2.

556

表3 罕遇地震作用下第1层框架节点的最大位移时程

Table3 Maximumswaybytime-historyanalysisofthefirstfloorjointundertheactionofsevereearthquake地震波参数原结构-XF-B结构-X原结构-YF-B结构-Y

El-centro波

Newhall波

时间/s3.081.985.402.22

底层位移/mm

35.2112.5219.7814.65

时间/s5.985.705.725.64

底层位移/mm

46.3936.4830.5929.61

注:“-X”表示数据为地震波纵向作用下的结果;“-Y”表示数据为地震波横向作用下的结果.

表4 第1层节点横(纵)向侧移最大时结构出铰数量

Table4 Hingeamountofstructurewhenthefirstfloorjoints'lateral(longitudinal)swaybeingmaximum地震波作用方向

地震波铰类型

原结构F-B结构

柱铰梁铰柱铰梁铰

El-centro波B铰67303544

IO铰02404

横向作用

Newhall波B铰102187323

IO铰036027

El-centro波B铰11472422

IO铰02000

B铰138367234纵向作用

Newhall波IO铰056036

LS铰0300

图7给出了El-centro地震波和Newhall地震波作用下F-B结构第1层BRB(BRB2和BRB4)滞回曲线.可以看出,在地震作用下,第1层2个方向的BRB的最大轴向变形均能达到屈服起始变形的34.5 方案实施倍以上,耗能性能良好.

后,还应进行消能部件设计、节点连接构造设计、必要的主体结构加固设计和施工组织设计等.对于梁柱截面较小、承载力较低的工程,建议采用外包钢板后锚固连接方式进行节点连接构造设计,如图8所示.对于主体结构抗震构造措施,《减震规程》规定,当消能减震结构的抗震性能明显提高时,主体结构的抗震构造措施要求可适当降低.该工程的框架抗

当通过抗震性能分析确定减震加固方案可行

Fig.7 FirstfloorBRBenergy-absorbedcurveunderearthquake

图7 地震作用下第1层BRB滞回曲线

第4期高向宇,等:单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计557

震构造措施在不考虑BRB作用时应按8度(0.2g)执行,即二级框架;当考虑BRB作用时,可按7度(0.15g)执行,即三级框架.根据抗震鉴定结果,满足要求

.

[2]薛彦涛,金林飞,韩雪,等.钢筋混凝土框架屈曲约束

支撑试验研究[J].建筑结构,2013,43(1):1-4.XUEYan-tao,JINLin-fei,HANXue,etal.Experimental4.(inChinese)

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Experimentalstudyonseismicbehaviorofconcreteframe

图8 BRB1节点详图

Fig.8 BRB1connectiondetails

消能部件和节点连接设计过程、施工组织设计流程等可参考文献[7,9-11].

5 结论和建议

对单跨混凝土框架结构进行加固改造是可行的1)在一定条件下采用BRB消能减震加固技术

,能实现高于一般民用建筑的抗震设防目标不合理2)、BRB抗侧移刚度不足或分布不均匀消能减震技术主要用于解决结构体系.

、水平层间侧移角超限等问题,当现有结构存在上述问题时,建议优先考虑进行加固改造时3)当采用BRB消能减震技术进行加固改造BRB.

,应根据建筑外观要求消能减震加固技术对现有结构

、施工允许、结构构件和节点实际状况等选择合适的加固方式和布局,再根据屈服起始层间位移角和屈服承载力优化设计BRB的数量和规格.参考文献:

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(责任编辑 郑筱梅)

单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计

作者:

作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):

高向宇, 徐帅, 郭运勇, GAO Xiang-yu, XU Shuai, GUO Yun-yong

高向宇,徐帅,GAO Xiang-yu,XU Shuai(北京工业大学 工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京,100124), 郭运勇,GUO Yun-yong(中建八局第二建设有限公司,济南,250014)北京工业大学学报

Journal of Beijing University of Technology2015(4)

引用本文格式:高向宇.徐帅.郭运勇.GAO Xiang-yu.XU Shuai.GUO Yun-yong 单跨多层混凝土框架教学楼减震加固设计[期刊论文]-北京工业大学学报 2015(4)


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