既有砌體結(jié)構(gòu)基于性能的抗震加固研究①

張 健

（寧夏電力設(shè)計院，寧夏 銀川 750000）

0 引言

我國2008年發(fā)生的汶川地震和2013年發(fā)生的雅安地震都表明砌體結(jié)構(gòu)是震害的關(guān)鍵。我國既有砌體結(jié)構(gòu)數(shù)量較多，材料本身的強度低、延性差［1］，再加上設(shè)計的低標準、施工的不規(guī)范操作、老齡化以及對性能要求的提高，使得既有砌體結(jié)構(gòu)的安全性不能得到保證。由于昂貴的拆建費用、拆除對正常生活秩序和環(huán)境的嚴重影響、剩余價值評估、建筑垃圾的回收利用等原因，還不能將所有不滿足要求的砌體建筑拆除重建［2］。將基于性能的抗震設(shè)計方法應(yīng)用到抗震加固改造中可以使結(jié)構(gòu)滿足各項預(yù)定的性能目標，將成為抗震加固和維修改造的發(fā)展趨勢，但是相關(guān)技術(shù)標準和性能目標等諸多方面存在不足和漏洞，需要繼續(xù)研究，因此對既有砌體結(jié)構(gòu)進行基于性能的抗震鑒定加固研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

本文以既有的兩座建筑（結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2）為例，基于性能的抗震設(shè)計方法，分別輸入不同地震波，分析其在不同烈度條件下的時程，研究不同抗震加固方法的效果。

1 工程介紹

結(jié)構(gòu)1為1985年建造的6層砌體結(jié)構(gòu)學生宿舍樓，縱向長為45m，橫向?qū)挒?4.4m，層高為3 m，內(nèi)外墻厚均為240mm，樓板為120mm裝配式，基礎(chǔ)類型為交叉條形基礎(chǔ)，樓層簡化平面布置見圖1。結(jié)構(gòu)2為1982年建造的6層砌體結(jié)構(gòu)二級醫(yī)院門診樓，縱向長為60m，橫向?qū)挒?4.4m，層高為4.2m，內(nèi)外墻厚為240mm，樓板為120mm裝配式，基礎(chǔ)類型為交叉條形基礎(chǔ)，樓層簡化平面布置見圖1。根據(jù)《建筑工程抗震性態(tài)設(shè)計通則（試用）CECS160：2004》［3］附錄 A 查得結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2所處城市的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，特征周期分區(qū)為二區(qū)，地震危險性特征分區(qū)為Ⅱ區(qū)。根據(jù)《建筑抗震鑒定標準》（GB50023－2009）［4］第1.0.4條可得結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的后續(xù)使用年限為40年，為B類建筑；根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標準》（GB50223－2008）［5］第4.0.3條和第6.0.8條可得結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類）。

圖1 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2樓層平面圖Fig.1 Floor plans of the structure 1and structure 2

2 性能目標

我國明確指出性能目標是：“小震不壞、中震可修、大震不倒”三水準［6］。美國的 FEMA 273、SEAOC Vision 2000、ATC 40和日本研究報告也都規(guī)定了相應(yīng)的目標性能，雖然他們所提出的性能目標要比我國的三水準性能目標較為明確，可以按照建筑物的重要性、造價、抗震設(shè)防類別、抗震等級、社會影響、震后損失和震后修復難易程度等屬性來選擇不同水平的性能目標，但性能目標也是有限的三五種情況，設(shè)計人員和業(yè)主只能被動的選擇建筑的抗震性能目標，不能主動地設(shè)計建筑的抗震性能目標，限制了性能設(shè)計方法的發(fā)展，限制了最優(yōu)化方法在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

要使建筑物的抗震性能目標從離散到連續(xù)，并得到量化，就應(yīng)該將抗震性能水平分解為幾大主要影響成分，再將這幾大主要影響成分劃分為不同的水平，每一個水平相對應(yīng)一個取值范圍，最后將各個主要影響成分的取值加起來就是抗震性能水平的量化分值。建筑的抗震性能水平分值越高，說明抗震性能越差。按照建筑物性能的個人要求和社會屬性，可將抗震性能水平分解為以下幾大主要影響成分：結(jié)構(gòu)重要性、社會影響、人員傷亡、結(jié)構(gòu)損傷、內(nèi)部設(shè)施損傷、直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失等。其中結(jié)構(gòu)重要性、社會影響、人員傷亡、結(jié)構(gòu)損傷屬于建筑的社會屬性；內(nèi)部設(shè)施、直接經(jīng)濟損失、間接經(jīng)濟損失屬于建筑的個人要求。

性能水平分值＝結(jié)構(gòu)重要性＋社會影響＋人員傷亡＋結(jié)構(gòu)損傷＋內(nèi)部設(shè)施損傷＋直接經(jīng)濟損失＋間接經(jīng)濟損失＋其它。

結(jié)構(gòu)重要性是結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)所決定的，與地震水平無關(guān)，分為重要、一般和次要三個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是8～10、10～12、12～15；社會影響指建筑的破壞對社會造成的政治、經(jīng)濟和輿論等影響，分為輕微、一般和嚴重三個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是5～6、6～8、8～10；人員傷亡可按照地震造成的可接受人員受傷和死亡的情況分為零傷亡、有輕傷、有重傷、有死亡四個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是6～7、7～8、8～9、9～10；結(jié)構(gòu)損傷可分為完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和接近倒塌五個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是6～8、8～10、10～12、12～13、13～15；內(nèi)部設(shè)施損傷也可分為完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和無法使用五個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是5～6、6～7、7～8、8～9、9～10；直接經(jīng)濟損失按照建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)的裝修裝飾、電氣機械信息技術(shù)裝備等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞情況分為零損失、損失輕微、損失中等、損失嚴重四個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是0～4、4～8、8～12、12～15；間接經(jīng)濟損失按照震后該建筑的運作狀態(tài)也分為零損失、損失輕微破、損失中等、損失嚴重四個等級，對應(yīng)的分值范圍分別是0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10；其他一項考慮具體建筑的特殊性和上述七個成分沒有考慮到的其他影響因素，給設(shè)計人員和業(yè)主留下調(diào)整的余地，分值范圍是0～15。

將結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的性能評價分值代入性能水平分值與層間位移角限值的關(guān)系擬合結(jié)式（1）中，可得結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的性能目標，見表1。

表1 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的性能目標Table 1 Objective performance of structure 1and structure 2

式中：x為性能水平分值；y為層間位移角限值。

3 非地震分析

檢測結(jié)果表明砌體結(jié)構(gòu)的平均抗壓強度為fm＝2.18MPa，變異系數(shù)為σ＝0.27，則根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50003－2011）［8］可得砌體結(jié)構(gòu)的抗壓強度標準值為fk＝1.74MPa，抗壓強度設(shè)計值為f＝1.08MPa。對結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2施加樓屋面荷載后進行靜態(tài)分析，砌體墻體的豎向壓應(yīng)力如圖2所示。

由圖2（a）可知結(jié)構(gòu)1的墻體豎向壓應(yīng)力最大值為1.18MPa；由圖2（b）可知結(jié)構(gòu)2的墻體豎向壓應(yīng)力最大值為1.56MPa。除去個別點的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的墻體豎向壓應(yīng)力均小于砌體抗壓強度設(shè)計值，說明在正常使用的情況下能夠保證安全性。

圖2 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的豎向壓應(yīng)力Fig.2 Zcompressive stress of structure 1and structure 2

4 性能分析

根據(jù)最大位移反應(yīng)結(jié)果，分別輸入人工波、天津波和遷安波，取一個地震波下結(jié)構(gòu)每一層的3個節(jié)點平均值作為反應(yīng)該樓層位移的代表值［8］，可得結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2每一個地震波下每一層的層間位移角最大值，分別見表2和表3。

將表2和表3中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的層間位移角最大值與表1結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2的性能目標相比較。結(jié)構(gòu)1在遷安波作用下的層間位移角最大，其小震層間位移角為1／2814，小于小震性能目標1／1827，滿足性能目標要求；其中震層間位移角為1／754，大于中震性能目標1／939，不滿足性能目標要求；其大震層間位移角為1／348，大于大震性能目標1／428，不滿足性能目標要求。結(jié)構(gòu)2也是在遷安波作用下的層間位移角最大，其小震層間位移角為1／2598，大于小震性能目標1／2626，不滿足性能目標要求；中震層間位移角為1／696，大于中震性能目標1／1126，不滿足性能目標要求；大震層間位移角為1／321，大于大震性能目標1／357，不滿足性能目標要求。

表2 結(jié)構(gòu)1的層間位移角最大值（1／x）Table 2 Maximum story drift angle of structure 1（1／x）

表3 結(jié)構(gòu)2的層間位移角最大值（1／x）Table 3 Maximum story drift angle of structure 2（1／x）

經(jīng)過比較可得，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2都不能滿足建筑的抗震性能目標，需要實施加固。

5 結(jié)構(gòu)加固

5.1 方案優(yōu)化設(shè)計

震害調(diào)查結(jié)果表明，砌體結(jié)構(gòu)的圈梁和構(gòu)造柱使結(jié)構(gòu)形成一個整體［9］，使結(jié)構(gòu)抗震最行之有效。若原結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置圈梁和構(gòu)造柱或設(shè)置不滿足現(xiàn)行規(guī)范規(guī)程的要求，首選的加固方法是增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱，但所增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱的截面尺寸有一定的限制，尺寸過大會導致砌體結(jié)構(gòu)傳力路徑不明確。對原結(jié)構(gòu)增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱后如果還不能滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標，還應(yīng)該在增加圈梁和構(gòu)造柱的基礎(chǔ)上根據(jù)具體條件選擇其他加固方法，使之滿足結(jié)構(gòu)抗震性能目標。

方法的優(yōu)化必須在能夠保證結(jié)構(gòu)性能目標的前提下才能進行。保證結(jié)構(gòu)性能目標一方面在于合理的抗震加固設(shè)計，很重要一方面還在于施工水平。一個地方基本上形成了已有的兩三種加固方法，用這兩三種方法加固的結(jié)構(gòu)能夠保證施工質(zhì)量，能夠保證結(jié)構(gòu)達到設(shè)計所要求的性能目標，而其他方法由于當?shù)夭怀Ｓ茫┕べ|(zhì)量難以保證，從而使加固設(shè)計的性能目標大打折扣。外加鋼筋網(wǎng)片水泥砂漿面層加固法是當?shù)刈畛Ｓ玫募庸谭椒ㄖ唬┕り犖樗刭|(zhì)水平較高，施工質(zhì)量能夠保證，所以選擇的第二種加固方法是外加鋼筋網(wǎng)片水泥砂漿面層法［10］。還可以對面層的位置和厚度使用ANSYS的Design Opt模塊進一步優(yōu)化，定義橫墻的面層厚度為優(yōu)化設(shè)計的設(shè)計變量，定義小震、中震和大震作用下樓層最大層間位移角為優(yōu)化設(shè)計的狀態(tài)變量，定義面層總厚度為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)，優(yōu)化類型選擇函數(shù)逼進優(yōu)化方法［11］。經(jīng)綜合考慮后，對結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2制定的加固方案見表4。

5.2 加固結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)1加固前后在小震、中震和大震作用下的層間位移角分別見圖3（a）和圖3（b）。

由圖3（a）可以看出結(jié)構(gòu)1在加固之前層間位移角最大值在第4層，由圖3（b）可以看出結(jié)構(gòu)1在加固之后層間位移角最大值在第3層，加固后最大位移角樓層位置出現(xiàn)下移現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)2也從第4層下移到第3層。

表4 加固方案Table 4 Reinforcement scheme

結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2加固后與加固前相比較，層間位移角減小的倍數(shù)分別見表5和表6。

由表5和表6可得以下結(jié)論：

（1）隨著樓層位置的降低，加固后與加固前相比較層間位移角減小的倍數(shù)也呈降低趨勢，上層的層間位移角變化大，下層的層間位移角變化小，說明上層加固效果明顯，下層加固效果相對不明顯。

圖3 加固前后的位移角比較Fig.3 Story drift angles before and after the strengthened

（2）采用增設(shè)圈梁和構(gòu)造柱加固使得層間位移角減小較大，但采用從方案1到方案3加固，層間位移角雖然依次減小，但不是很明顯，尤其是結(jié)構(gòu)底部，說明結(jié)構(gòu)有無圈梁和構(gòu)造柱對抗震性能的影響較大，圈梁和構(gòu)造柱的截面尺寸對抗震性能的影響較小。

（3）結(jié)構(gòu)1在天津波作用下層間位移角變化最大，結(jié)構(gòu)2在人工波作用下層間位移角變化最大，說明加固效果因地震波不同而不同，采用相同的加固方案，加固效果不同。

（4）結(jié)構(gòu)2遷安波作用下在1層出現(xiàn)了小于1的數(shù)，且隨著圈梁和構(gòu)造柱截面尺寸的增加而減小，說明不是只要加固就能改善抗震性能，必須選用合理的加固方案，否則適得其反。

表5 結(jié)構(gòu)1層間位移角之比Table 5 The ratio of story drift angle of structure 1

表6 結(jié)構(gòu)2層間位移角之比Table 6 The ratio of story drift angle of structure 2

6 結(jié)語

我國基于性能的抗震設(shè)計才剛剛起步，很少應(yīng)用到既有結(jié)構(gòu)的加固改造中，對既有砌體結(jié)構(gòu)基于性能的抗震加固改造更是寥寥無幾。希望這種設(shè)計思想能夠得到較快地發(fā)展，盡早實施適用于設(shè)計施工人員的規(guī)范規(guī)程，提高抗震性能并經(jīng)濟合理，避免汶川地震和雅安地震歷史悲劇的重演。

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