单跨框架结构的减震加固技术研究

第３０卷　２０１５焦　第２期　４月　山东建筑大学学报　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＨＡＮＤＯＮＧ　ＪＩＡＮＺＨＵ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　Ｖ０１．３０　Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．　２０１５　

文章编号：１６７３—７６４４（２０１５）０２—０ｌ１６—０７　

单跨框架结构的减震加固技术研究　

范夕森　，田廷磊　（１．山东建筑大学土木工程学院，山东济南２５０１０１；２．山东铭远工程设计咨询有限公司，山东济南２５００２２）　

摘要：单跨框架结构的减震加固技术对于提高原框架结构的抗震性能、减小加固工程量和降低施工复杂性具有　重要意义。文章通过设置防屈曲支撑（ＢＲＢ）使单跨结构改变为框架一耗能支撑减震结构，从而减小原框架承　担的地震效应的研究，阐明了单跨框架结构减震加固的基本原理，提出了耗能减震加固设计的准则，并对减震　加固的工程实例进行了分析。结果表明：减震加固后，小震作用下的层间位移和由框架柱承担的地震剪力为加　固前的３０％一４０％，罕遇地震作用下为２５％～４５％；ＢＲＢ率先进入塑性变形，是整个结构的第一道地震防线；　单跨框架结构采用ＢＲＢ做减震加固，可有效提高结构的抗震性能。　关键词：结构抗震加固；减震技术；单跨框架结构；防屈曲支撑；加固效果　中图分类号：ＴＵ３７５．４　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ・ｓｐａｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　

Ｆａｎ　Ｘｉｓｅｎ　，Ｔｉａｎ　Ｔｉｎｇｌｅｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｊｉａｎｚｈｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ　２５０１０１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｍｉｎｇｙｕａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｑｕｉｒｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ　２５００２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ－ｓｐａｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｈａｓ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅｉｒ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｂｅｉｎｇ　ｉｎｓｔａｌｌｅｄ　ｓｏｍｅ　Ｂｕｃｋｌｉｎｇ　Ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｂｒａｃｅｓ（ＢＲＢ），ａ　ｓｉｎｇｌｅ—ｓｐａｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｈａｎｇｅｄ　ｔｏ　ａ　ｆｒａｍｅ—ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｂｒａｃｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｂｙ　ｆｒａｍｅ　ｗｅｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｕｃｈ　ａ　ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ　ｆｏｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ａｎｄ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ，ａｆｔｅｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ—ｓｔｏｒｙ　ｓｈｅａｒ　ｆｏｒｃｅｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｂｙ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒ—　ｓｔｏｒｙ　ｄｒｉｆｔｓ　ｕｎｄｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｔ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　４０％，ｗｈｅｒｅａｓ　ｔｈｏｓｅ　ｕｎｄｅｒ　ｓｅｖｅｒｅ　ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ　ａｒｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　４５％；ＢＲＢ　ｔａｋｅｓ　ａ　ｌｅａｄ　ｉｎ　ｅｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｒｏｌｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｌｉｎｅ；Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｗｉｔｈ　ＢＲＢ，ｔｈｅ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ－　ｓｐａｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｉｎｇｌｅ－ｓｐａｎ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；Ｂｕｃｋｌｉｎｇ　Ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　Ｂｒａｃｅ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔ　

收稿日期：２０１４—１１一ｌＯ　基金项目：住房和城乡建设部研究开发项目（２０１３一Ｋ２—８）；山东省抗震专项项目　作者简介：范夕森（１９７１一），男，副教授，博士，主要从事工程抗震及建筑物加固改造等方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｆａｎｘｉｓｅｎ＠ｓｄｊｚｕ．ｅｄｕ．ｃａ　第２期　范夕森等：单跨框架结构的减震加固技术研究　１１７　０引言　许多中小学教学楼和办公楼，出于建筑功能的　要求，横向采用单跨带外廊式形式，结构属于横向单　跨框架结构（纵向多跨）。这种结构横向刚度小，大　震时层间位移大，容易造成非结构构件的破坏。更　重要的是它的超静定次数少，不符合多道地震防线　的要求。历次震害调查中，都有不少单跨框结构严　重破坏的例子＿ｌ　Ｊ。我国现行抗震规范就有乙类建　筑以及高度大于２４　ｍ的丙类建筑，不应采用单跨框　架结构的规定　Ｊ。汶川地震后，我国把中小学校舍　的抗震设防类别由一般设防调整为不低于重点设　防　Ｊ，设防类别从丙类提高为乙类，政府要求对那　些不符合抗震设防要求的校舍进行抗震加固，单跨　框架结构是其中的典型。　单跨框架结构进行抗震加固，传统的做法主要　有三种方案：（１）在外廊悬挑端加设框架柱，使之改　变为多跨框架；（２）在某些轴线上增设抗震墙，或是　将某些填充墙进行加固处理，将单跨框架改为框　架一抗震墙结构；（３）在框架之间加设钢支撑，形成　框架一支撑结构。　文献［５］分析了单跨框架结构的教学楼改为双　跨框架结构的加固效果，提出新增抗侧刚度与原抗　侧刚度的比值为２６％～５０％之间时较为有效。文　献［６］研究了设置翼墙加固的方法，其一字型翼墙　只对一个方向有效，对另一方向不利，Ｔ字形翼墙在　纵横两个方向的加固效果良好。文献［７］研究了加　设钢支撑的加固方法，在某些轴线上加设支撑，结构　的整体抗侧刚度提高，楼层的地震作用加大，但支撑　所在框架的刚度明显比其它轴线大，将承担更多的　地震剪力，未加支撑的框架所承担的地震剪力减小。　传统的加固方法能够增加结构的抗侧刚度，提　高抗震承载力，增加了结构的超静定次数。但传统　的加固方法也存在一些问题：加设框架柱或抗震墙，　结构的抗侧移刚度增加，地震作用也相应增加，所以　要控制合适的新增刚度，否则加固方案不一定有效；　增设结构柱，会改变建筑物的立面效果，将悬挑梁改　为框架梁，加固工程量也是比较大的；加设普通钢支　撑，与支撑相连的构件受冲击作用，可能需要特别的　加固。如果单跨框架结构选择适当的几榀增设耗能　支撑体系，大震作用时，通过支撑的变形和阻尼耗能　地震能量，主体框架的地震反应明显减小，这种方法　称为减震加固。减震加固不仅提高原框架结构的抗　震性能，而且加固工程量和施工复杂性大幅度减小。　１减震加固的基本原理　减震加固是在既有的结构体系上增设耗能减振　装置，使其改变为耗能减震结构。耗能减振结构在　地震作用下弹性振动的运动方程由式（１）表示为　ＭＸ＋（Ｃ＋ｃｄ）ｘ＋（　＋　）　＝一ＭＸｇ（ｔ）（１）　式中：　、Ｃ、Ｋ分别为原结构的质量矩阵、刚度矩阵　和阻尼矩阵；Ｃ　和　分别为耗能器给结构附加的阻　尼矩阵和刚度矩阵；　为减震结构各质点的位移向　量，ｍ；　（ｔ）为地面运动加速度，ｍ／ｓ　。设置减振　耗能装置，主要用于增加结构的阻尼。地震时，耗能　装置通过自身的变形和阻尼耗散能量，从而减轻主　体结构的地震反应和损伤，“间接”提高建筑物抗震　性能　］。耗能减振装置主要有被动耗能器或调谐　阻尼器两类，耗能器主要有粘滞、粘弹、金属屈服和　摩擦等四种类型，前两类与速度有关，称为速度相关　型，后两类的恢复力具有滞变特性，称为滞变型，调　谐阻尼器主要包括调谐质量和调谐液体两类。　防屈曲支撑ＢＲＢ（ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ）是　特殊的耗能减震构件，其恢复力曲线如图１所示，计　算时可以近似地描述成双线性模型ｌ８　。。。ＢＲＢ的　特殊性在于受拉与受压时均能达到屈服而不发生屈　曲，因此它既可以作为结构的水平抗侧力构件，提高　抗侧刚度和水平承载力，又可以作为主要耗能构件，　耗散地震能量，保护主体结构　¨。　研究表明，结构高度越高、跨度越大、变形越大、　设防烈度越高，耗能减震效果越明显　Ｊ。对于高　烈度区的大跨度高层钢结构，设置耗能支撑可明显　改善其抗震性能。低烈度区的多层建筑常采用钢筋　混凝土框架结构，设置普通支撑可以增加刚度，提高　承载力和减小位移。当为混凝土支撑时，构件易开　裂；为普通钢支撑时，构件宜失稳。设置防屈曲支撑　不仅可以提高抗震承载力，还有利于控制构件早期　裂缝的产生。将防屈曲支撑钢框架嵌入既有的钢筋　混凝土框架结构中，可以导引结构内力分布，使其向　有利于发挥结构延性，减少损伤的方向发展，ＢＲＢ　的塑性变形，改善了结构的的破坏模式，提高了整体　抗震性能　。　山东建筑大学学报　２０１５焦　防屈曲　Ｊ　／　传统支撑／　

／　／　变开　／‘　

７‘、、、、　７　

乐力　Ｉ　｝　支撑／　／　／

一　

：　，一一一　

／／／　Ｋ，，　

ｔ

／　，　Ｋ　

／　．，　Ｘ　．ｉ

Ｉ　

ｘ　

／　，，　，一一一　

图Ｉ　ＢＲＢ的恢复力曲线及简化恢复力模型图　（ａ）ＢＲＢ恢复力曲线；（ｂ）ＢＲＢ简化恢复力模型　

单跨框架进行减震加固后，增设ＢＲＢ的框架，　因为抗侧刚度提高，承担了更多的地震剪力，其他位　置的框架承担的地震剪力就会减小。而增设ＢＲＢ　的框架，在小震作用下，ＢＲＢ和原框架处于弹性状　态，结构的承载力和变形均满足正常使用要求；大震　作用下，支撑率先进人非弹性状态，产生较大阻尼，　吸收和耗散大量的地震能量，由框架承担的地震剪　力也会明显减小。所以，设置ＢＲＢ可以提高整体结　构的抗震性能。　

２单跨框架结构减震加固设计　２．１　单跨框架结构减震加固设计准则　结构采取耗能减震加固方法时，首先要进行抗　震性能评估，确定原结构的不足和加固后的设防目　标。若原有混凝土框架本身不满足抗震要求，设置　ＢＲＢ可以使结构满足抗震要求的前提下，提高抗震　性能和降低工程造价；若结构已满足抗震要求，设置　ＢＲＢ可以提高抗震设防标准和结构的可靠度。常　用的设防目标是在多遇地震作用下主体结构和加固　框架处于弹性状态；设防烈度下防屈曲支撑消耗地　震能量，主体结构可开裂但不屈服；罕遇地震作用下　结构不倒塌¨　。　单跨框架结构的中小学校舍，除了设计结构体　系上的缺陷外，规范要求按高于设防烈度１度采取　抗震措施，也就是框架的抗震等级大约提高一级，传　统的构件补强方法，工程量是十分庞大的，不易实　现。设置ＢＲＢ进行减震加固后，如果输入高于设防　烈度１度的地震动引起的结构地震反应，与加固前　输入相当于设防烈度的地震动引起的地震反应接　近，甚至更小，那么可以认为，如果原建筑物经过正　规设计和施工，留有一定安全余量的话，采用减震加　固后，大部分提高１度的构造要求基本都可以满足，　仅对角柱做必要的处理即可。这可以作为单跨框架　结构中小学校舍减震加固设计的一个准则。　．　２．２单跨框架结构减震加固设计方法　加固后的框架一耗能支撑结构，地震作用和地　震反应分析可按结构的实际情况分别采用底部剪力　法、阵型分解反应谱法或时程分析法。其关键是计　算过程中要合理地考虑ＢＲＢ的阻尼、刚度或恢复力　模型。采用底部剪力法或阵型分解反应谱法时，确　定结构自振周期和振型所需要的结构总刚度应考虑　原框架刚度和ＢＲＢ的刚度之和，振型阻尼比应取原　框架的振型阻尼比和ＢＲＢ的附加振型阻尼比之和。　采用时程分析法时，在多遇烈度下的弹性地震反应　分析，ＢＲＢ可采用等效线性化计算模型，在罕遇烈　度下的弹塑性地震反应分析，ＢＲＢ的应直接采用滞　变恢复力模型。　小震作用下，ＢＲＢ的工作状态可分为：（１）原　框架和ＢＲＢ都处于弹性阶段，不考虑ＢＲＢ的耗能，　此时ＢＲＢ作用与普通支撑相似结构，可用底部剪力　法和振型分解反应谱法计算；（２）原结构处于弹性　阶段，ＢＲＢ进人屈服耗能阶段，可采用等价线性的　振型分解反应谱法计算。大震作用下，ＢＲＢ处于屈　服耗能阶段，通过滞回变形耗散能量，但仍能提供抗　侧刚度，本阶段的计算采用时程分析法。　单跨混凝土框架结构减震加固设计的流程为：　（１）评估原结构的抗震性能，确定加固后的设防目　标；（２）确定ＢＲＢ布置方案。平面上要均匀对称，　尽量使整体结构的质量中心和刚度中心重合或偏心