外包角鋼加固混凝土柱框架結構抗震分析

摘要：鋼筋混凝土框架結構在服役期內不可避免地要進行維護，同時還可能由于設計、施工或使用功能的改變等原因進行工程的改造加固。本章將研究基于幾種不同型號的外包鋼加固方法提高構件承載力，研究整體結構在不同設防水準地震(多遇和罕遇地震)作用下結構抗震性能的影響，從中得到對實際工程有意義的結論。

關鍵詞：混凝土柱 角鋼加固

一、工程實例

1、工程概況

某五層的框架結構綜合教學樓，采用獨立基礎。柱網為6.6m×7.5m，結構平面見圖4.1。各層結構層高均取為3.870m，總高度為19.50m，。樓面內外墻為加氣混凝土砌塊，內墻砌塊厚度為200mm，重度為7kN/m3 ，外墻砌體厚度為300mm，重度為12kN/m3。樓面活荷載為2.0kN/m2，二次裝修面荷載標準值為2.0kN/m2，屋面恒載為4.0 kN/m2，雪荷載為0.5kN/m2。結構所處地區抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組，場地類別為III類。

2、加固方案

擬采取以下措施對柱進行加固，分別采用幾種加固方案進行比較。

①方案一：對底層框架柱，采用4L75×5角鋼加固。

②方案二：對底層框架柱，采用4L80×6角鋼加固。

③方案三：對底層框架柱，采用4L90×8角鋼加固。

角鋼安放在柱子的四個角上扣好，四個角鋼用綴板水平連接，綴板均采用-50mm ×6 mm，間距均為200 mm。分布在柱子四個立面。

二、側向水平加載模式與分析工況

本文采用有限元分析軟件SAP2000進行結構分析，工程實例結構比較規則，結構的第一周期為Y方向的平動，結構的反應受到高階振型的影響不大，故可以采用常用的兩種側向水平加載模式：①Y方向的均勻分布水平加載模式ACCEL-Y；②Y方向倒三角水平加載模式MODEL-1Y。

本文采用的分析工況為：

工況1：非線性重力荷載+Y方向均勻分布水平加載模式；

工況2：非線性重力荷載+倒三角水平加載模式。

本文取初始控制位移為450mm。

三、外包鋼加固框架柱的抗震性能分析評估

1、基底剪力-頂點位移分析

在兩種側向加載模式下，加載初期，結構處于線彈性工作階段。隨著側向荷載進一步增加，結構整體剛度逐漸降低，相同位移時采用角鋼加固框架柱結構的剛度、基底剪力均大于加固前結構。在均布加載模式ACCEL-Y下，加固前結構的基底剪力為10213.85kN，采用方案一、方案二、方案三加固后結構較加固前分別增大2.91%、3.83%、5.82%。在MODEL-1Y下，加固前結構的基底剪力為7956.80kN，加固后結構較加固前分別增大2.68%、4.35%、5.68%。由上面的分析可知，隨著角鋼型號的增大，加固后結構的剛度逐漸增大，承載力也不斷增大。

2、性能點的分析

結構加固前后在八度罕遇地震作用下的性能點和程序自動轉換的基底剪力-頂點位移?？梢缘贸黾庸糖敖Y構在ACCEL-Y加載模式下達到性能點時的頂點位移為158.957mm，采用方案一、二、三加固后較加固前分別減小了1.17% 、1.35% 、1.53%。在加載模式MODEL-1Y下加固前結構達到性能點時的頂點位移為182.309mm，加固后較加固前分別減小了1.74% 、1.91% 、2.06 %。從以上分析可知，結構加固后在兩種側向水平加載模式下性能點的基底剪力均增大，頂點位移減小，結構在罕遇地震下的變形能力有所改善，抗震能力提高。結構的位移反應能力大于結構的位移，說明結構的抗震性能滿足八度罕遇地震作用下的彈塑性變形要求。

3、層間位移及層間位移角

八度罕遇地震作用下，在兩種側向加載模式下對結構底層采用外包鋼加固后，結構層間位移角狀況發生重大改變，底層層間位移角大大降低的同時，第二層層間變形位移角變化也很大，但結構加固前后的第二層的層間位移角仍最大。此外，底層柱的加強程度不同，對加固結構影響的差別主要表現在底層和二層的層間位移上，對上層的影響甚微。

三、小結

（1）外包角鋼加固鋼筋混凝土框架結構，在提高構件的承載力同時也改變了結構的動力特性，使結構的周期減小，頻率增大，屬于剛性加固，結構在采用外包角鋼加固前后的第一主振型的形狀未發生變化，在其結構剛度較弱的方向易發生破壞，側向位移也較大。

（2）外包角鋼加固結構初始剛度增加不多。隨著側向荷載進一步增加，結構整體剛度逐漸降低，采用角鋼加固框架柱后結構的剛度明顯增加，結構的承載力有所提高。在側向荷載作用下，采用角鋼加固底層結構柱基底剪力提高2.91～5.82%；采用角鋼加固底層和二層結構柱基底剪力提高3.15～5.99%。

（3）結構加固后在多遇地震作用下達到性能點時的基底剪力、頂點位移發生了少量的變化，但加固的角鋼類型影響不很明顯。在罕遇地震作用下，結構采用角鋼加固底層柱后達到性能點時的頂點位移較加固前增大2.0%左右，加固一、二層柱后達到性能點時的頂點位移較加固前增大3.5%左右。由此可見，加固柱對結構的樓層整體位移影響不是很大。

（4）在罕遇地震作用下，加固底層結構柱底層位移增加38.7～42.8%，一、二層層間位移角大大降低，結構加固前后的最大層間位移角所在樓層沒有發生變化，對上層層位移和層間位移角的影響甚微。加固一、二層結構柱，底層位移增加37.8～39.7%，二層位移增加26.6～28.9%，三層位移增加9.6～12.4%，一、二層層間位移角大大降低，結構的最大層間位移角位置向上層轉移，結構更趨于安全。

參考文獻：

[1]柳柄康，吳盛興，周安．工程結構鑒定與加固[M].北京:中國建筑工業出版社，2000：1-6

[2]建筑物鑒定與加固論文集(第四屆)[C].1998.11

[3]張華，盧亦焱.鋼筋混凝土柱加固方法及設計分析[J].特種結構，2005年3月，第22卷第1期：86-88