多層工業(yè)廠房火災(zāi)后加固設(shè)計(jì)與抗震性能分析

錢勝力 ，陳 鑫 ，俞偉根 ，孫 勇 ，毛小勇 ，劉 濤 ，還 毅

(1.蘇州科技大學(xué)江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘇州 215011;2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司,南京 210008;3.江蘇省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳,南京 210036;4.中央軍委后勤保障部工程質(zhì)量監(jiān)督中心,北京 100037)

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活水平有了顯著的提升，對更安全建筑的需求越發(fā)迫切。因此，近年來，建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和性能指標(biāo)不斷更新與完善，性能要求相對提高。目前中國既有建筑存量巨大，一方面，早期建成投入使用的多數(shù)建筑因當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低而不能滿足時(shí)下社會發(fā)展對建筑安全性的基本要求；另一方面，火災(zāi)等人為災(zāi)害后，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)不可避免的損傷，從而可能影響整體結(jié)構(gòu)的綜合安全性能[1]。而將火災(zāi)后建筑直接拆除重建是極不經(jīng)濟(jì)也不合理的一種方式，因此需要對火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的受損檢測、鑒定評估并采取相應(yīng)的加固手段，并針對性地開展相關(guān)科學(xué)研究，發(fā)展火災(zāi)后建筑安全性能評估與提升技術(shù)。

結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的抗火性能研究一直是建筑抗災(zāi)防災(zāi)研究的重點(diǎn)方向之一。Kodur等[2]建立了基于非線性有限元分析的火災(zāi)下鋼筋混凝土梁剩余承載力計(jì)算方法，并通過構(gòu)件火災(zāi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。Jau等[3]研究了角柱在軸壓、雙向彎曲和非對稱火災(zāi)荷載作用下的受力性能，研究表明，受火時(shí)間、配筋率和保護(hù)層厚度均能影響柱的殘余強(qiáng)度比。霍靜思等[4]對高溫后和常溫下的鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱進(jìn)行滯回加載試驗(yàn)，對比分析了不同初始荷載的高溫冷卻后鋼筋混凝土柱的性能。陸洲導(dǎo)等[5]通過對比火災(zāi)前、后鋼筋混凝土連續(xù)梁，總結(jié)了火災(zāi)后構(gòu)件的性能劣勢，并提出了與火災(zāi)試驗(yàn)結(jié)果吻合較好的理論及數(shù)值模擬方法。駱開靜等[6]對6組相同配筋的鋼筋混凝土梁展開高溫試驗(yàn)，探究了不同受火時(shí)間下構(gòu)件的宏觀損傷規(guī)律。上述研究多針對單獨(dú)構(gòu)件，圍繞火災(zāi)后多層工業(yè)廠房的抗震性能變化規(guī)律，以及災(zāi)后加固完成時(shí)的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估研究相對較少[7-8]。

現(xiàn)階段，對既有多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震加固方法主要有：預(yù)應(yīng)力加固法、增大截面加固、外包型鋼加固、粘貼纖維材料、外加鋼板加固和增設(shè)支點(diǎn)加固等。對于這些方法的改進(jìn)和研究一直是結(jié)構(gòu)加固方向的重點(diǎn)之一。趙軍等[9]利用數(shù)值模擬，準(zhǔn)確預(yù)測了纖維復(fù)合材料(fiber reinforced plastic,FRP)加固鋼筋混凝土梁的復(fù)合剛度，并且此種方法精細(xì)化程度較高。陸超超等[10]將增大截面加固法和外包型鋼加固法相結(jié)合，提出了一種自密實(shí)混凝土填充外包角鋼加固法，擬靜力試驗(yàn)和數(shù)值模擬都表明，此種加固法能有效提高鋼筋混凝土柱的承載能力和變形性能。吳輝琴等[11]進(jìn)行對比了不同鋼板加固層數(shù)下梁的抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼板層數(shù)的改變對梁抗彎性能影響最為顯著。李林果等[12]以小型預(yù)應(yīng)力混凝土梁為研究對象，進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明粘貼FRP材料后梁的抗剪承載力得到了顯著提升甚至超過了加固前。Ian等[13]提出了能夠模擬出FRP鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)行為的數(shù)值模型，對比試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蠼Y(jié)果顯示，所提出的模型能夠模擬出較大荷載下的局部粘結(jié)行為。

已有的研究工作中，無論是火災(zāi)后安全性能，還是結(jié)構(gòu)抗震加固，均較多地關(guān)注構(gòu)件層面的試驗(yàn)、理論與數(shù)值模擬方法研究。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，如何從結(jié)構(gòu)整體的角度對火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評估和加固十分重要。為此，主要以江蘇藍(lán)羽家用紡織品有限公司生產(chǎn)車間火災(zāi)事故為背景，開展多層工業(yè)廠房受火安全性能評估和加固改造的研究。首先，建立多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)后及加固后的抗震性能分析方法；隨后，介紹多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和火災(zāi)后結(jié)構(gòu)損傷情況，由此開展結(jié)構(gòu)安全加固設(shè)計(jì)，進(jìn)而建立整體結(jié)構(gòu)模型，以此開展結(jié)構(gòu)動力特性分析；最后，進(jìn)行結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場和近場地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能分析，對比火災(zāi)前、后結(jié)構(gòu)整體的抗震性能和加固措施對火災(zāi)后結(jié)構(gòu)抗震性能的改善，并探討不同地震動特性對多層鋼筋混凝土框架抗震性能的影響。

1 火災(zāi)后RC框架抗震性能分析方法

為評估多層RC框架火災(zāi)后抗震性能，需要建立考慮火災(zāi)影響的多層RC框架抗震性能分析方法，本文中結(jié)構(gòu)整體模型仍然采用普通多層RC框架建模方法，考慮火災(zāi)發(fā)生位置導(dǎo)致的不同構(gòu)件及其部位的受火溫度差異，引入高溫材料特性變化和纖維單元對梁、柱截面建模。

1.1 火后混凝土與鋼筋材料特性

未受火混凝土采用Kent-Park本構(gòu)模型，該模型通過考慮混凝土受壓段的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、下降段的軟化曲率來反映箍筋的約束情況，并考慮了混凝土剩余強(qiáng)度，其應(yīng)力-應(yīng)變即σ-ε曲線如圖1(a)所示。圖1中E0表示混凝土初始彈性模量；fc,m、fu分別表示混凝土抗壓強(qiáng)度以及極限強(qiáng)度；ε0和εu表示相應(yīng)的峰值壓應(yīng)變和極限應(yīng)變；Et表示混凝土受拉開裂后的彈性模量；ft表示混凝土受拉極限強(qiáng)度；λ表示結(jié)構(gòu)的滯回特征參數(shù)。未受火鋼筋采用理想彈塑性模型，該模型為鋼筋理想化的單軸雙折線模型，既可以考慮隨動強(qiáng)化，又可以分別考慮受拉受壓向強(qiáng)化，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1(b)所示，其中，fy表示屈服強(qiáng)度，b表示硬化系數(shù)。

圖1 材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Material stress-strain relationship

火災(zāi)后混凝土梁、柱等受力構(gòu)件由于高溫作用，導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋混凝土存在不同程度的損傷，其中部分梁、柱破壞嚴(yán)重甚至出現(xiàn)露筋現(xiàn)象。為較為準(zhǔn)確地模擬出火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，需對結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能進(jìn)行調(diào)整。其中，火災(zāi)(高溫)后鋼筋的抗壓強(qiáng)度采用清華大學(xué)時(shí)旭東、過鎮(zhèn)海在試驗(yàn)下得到的強(qiáng)度退化規(guī)律[14]，所建立的公式為

(1)

式(1)中:fy(T)為鋼筋經(jīng)歷最高溫度T后的抗壓強(qiáng)度；fy為常溫時(shí)鋼筋的抗壓強(qiáng)度。

火災(zāi)(高溫)后鋼筋彈性模量采用吳波建議的Ⅰ級熱軌鋼筋火后彈性模量[15]為

Es(T)=(100.53-0.026 5T)×10-2Es,

20 ℃＜T＜900 ℃

(2)

式(2)中：Es(T)為鋼筋經(jīng)歷最高溫度T后的彈性模量；Es為常溫時(shí)鋼筋的彈性模量。

火災(zāi)(高溫)后混凝土的抗壓強(qiáng)度采用陸洲導(dǎo)建議的表達(dá)式[16]為

(3)

式(3)中：fcu,Tm為混凝土經(jīng)歷最高溫度T后的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；fcu為常溫下混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Tm為混凝土所經(jīng)歷的最高溫度。

火災(zāi)(高溫)后混凝土抗拉強(qiáng)度建議的表達(dá)式[17]為

(4)

式(4)中，ft,Tm為混凝土經(jīng)歷最高溫度T后的抗拉強(qiáng)度；ft為常溫時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度。火災(zāi)(高溫)后混凝土彈性模量按照文獻(xiàn)[15]建議的表達(dá)式為

(5)

式(5)中：Ec,Tm為混凝土經(jīng)歷最高溫度T后的彈性模量；Ec為常溫下混凝土的彈性模量。

文獻(xiàn)[15]通過試驗(yàn)提出了高溫后混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線計(jì)算式：

(6)

ε>ε0r(T)

(7)

式(7)中:σ、ε分別為應(yīng)力和應(yīng)變；ε0r(T)為最高溫度為T作用后混凝土的峰值應(yīng)變。

(8)

1.2 考慮火災(zāi)影響的纖維單元

纖維模型的基本原理如下：把構(gòu)件縱向分為多個(gè)微段，在每個(gè)微段的中點(diǎn)把橫斷面雙向劃分為平面網(wǎng)格，每一網(wǎng)格的中心為數(shù)值積分點(diǎn)，網(wǎng)格的縱向微段即定義為纖維；通過計(jì)算每個(gè)纖維的內(nèi)力，并在斷面內(nèi)進(jìn)行數(shù)值積分，即可求解每個(gè)微段的內(nèi)力變化過程[18-19]。每根鋼筋劃分為一個(gè)纖維，而混凝土梁柱構(gòu)件由于受火方式不同按不同截面形式劃分，其中，火災(zāi)后框架柱按雙軸對稱劃分，梁按單軸對稱劃分，故部分未受火、火災(zāi)后和加固后梁、柱纖維單元如圖2(a)和圖2(b)所示，火災(zāi)后混凝土截面纖維模型參照鋼筋混凝土截面的溫度分布進(jìn)行模擬[20]，確保內(nèi)部混凝土溫度和試驗(yàn)中升溫曲線[21]終段相符，并保證最外側(cè)達(dá)到最高溫度與實(shí)際火災(zāi)建筑鑒定報(bào)告中曾經(jīng)達(dá)到過的溫度700 ℃相符。

2 火災(zāi)后多層工業(yè)廠房安全評估與加固設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

某四層RC框架結(jié)構(gòu)的公司生產(chǎn)車間[圖3(a)]，位于江蘇省南通市，該建筑總高度為15.9 m，其中底層層高5.4 m，建筑面積約2 000 m2。該建筑位于抗震設(shè)防烈度為6度的區(qū)域，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，基本地震加速度為0.05g(g為重力加速度)。建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite element model

圖3 某多層工業(yè)廠房Fig.3 A multi-storey industrial building

該車間于2012年1月中旬發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)起火位置位于車間外部鋼架貨物堆放處，火勢通過堆積的貨物向車間內(nèi)部蔓延，最終引起整座樓的大火。由于車間一層內(nèi)部堆積了較多貨物，三層局部堆積了少量貨物，一、三層受火災(zāi)影響較大。從發(fā)現(xiàn)車間內(nèi)部起煙至火完全撲滅約3 h，結(jié)構(gòu)火災(zāi)損傷嚴(yán)重[圖3(b)]。

2.2 火災(zāi)后結(jié)構(gòu)安全性能評估

2.2.1 火災(zāi)現(xiàn)場調(diào)查

對車間各層的梁、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)主要過火區(qū)域構(gòu)件表面煙黑現(xiàn)象嚴(yán)重，且局部構(gòu)件出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，甚至有鋼筋外露現(xiàn)象[圖3(c)]。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，受火部分嚴(yán)重的部分為一層和三層中間框架。圖4給出了結(jié)構(gòu)主要受火位置及受影響構(gòu)件情況。

2.2.2 構(gòu)件抗震驗(yàn)算

采用中國建筑科學(xué)研究院PK-PM計(jì)算軟件(相關(guān)參數(shù)進(jìn)行折減，折減系數(shù)參照CECS252:2009附錄[22])對生產(chǎn)車間遭遇火災(zāi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算分析可知：①經(jīng)計(jì)算該生產(chǎn)車間多數(shù)一層柱承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；②二層、三層少數(shù)柱承載力不能滿足規(guī)范要求；③多數(shù)二層樓面梁及部分三、四層樓面梁抗彎及抗剪承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；④多數(shù)二層樓面板及部分三、四層樓面板抗彎承載力不能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

綠色柱表示兩面受火；粉色柱表示三面受火，粉色梁表示兩面受火；紅色柱表示四面受火；紅色梁表示三面受火；藍(lán)色梁、藍(lán)柱均為未受火情況圖4 火災(zāi)下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型Fig.4 Reinforced concrete frame structure model under fire

圖5給出了底層混凝土構(gòu)件的驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)果表明：火災(zāi)后RC框架中部分柱軸壓比超過規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)不安全，亟需加固處理。

2.3 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

根據(jù)上述鑒定報(bào)告等資料以及折減后驗(yàn)算結(jié)果顯示：構(gòu)件驗(yàn)算中部分梁柱混凝土構(gòu)件承載力不滿足規(guī)范要求，部分地震波作用下結(jié)構(gòu)層間位移角超過《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[23]的要求，結(jié)構(gòu)塑性損傷嚴(yán)重。因此，采用綜合加固的方法來提高多層工業(yè)廠房整體抗震性能，具體如下。

(1)框架柱采用增大截面和外包角鋼的方法進(jìn)行加固，以提升結(jié)構(gòu)整體剛度和承載力。圖6(a)為框架柱的平面布置圖，其中柱截面分為400 mm×400 mm、300 mm×300 mm兩種尺寸。底層柱采用增大截面法，具體做法如圖6(b)所示，在原柱截面的基礎(chǔ)上每邊增加C40混凝土各80 mm，并在增加的截面處配12根φ20 mm的縱向鋼筋，以及箍筋φ8@100/200 mm。上部柱采用外包角鋼法，如圖6(c)，即在框架柱截面角部外包4根寬75 mm，厚度為5 mm的等邊角鋼，并在角鋼處焊接箍板，其尺寸為 40×5@200/300 mm。

圖5 加固前一層混凝土構(gòu)件驗(yàn)算Fig.5 Checking calculation of reinforced concrete member of the first floor

圖6 框架柱加固方案Fig.6 Reinforcement scheme of frame column

(2)框架梁采用粘貼鋼板和粘貼碳纖維的方法進(jìn)行綜合加固，以增強(qiáng)梁的承載和變形能力，樓面梁平面布置如圖7(a)所示。加固具體做法如下：對軸網(wǎng)編號為①～⑦間的梁采用JGL1加固方法，對高為h，寬為b的梁，采用粘貼鋼板法[圖7(b)]，即在梁底通長粘貼寬度為250 mm，厚度為4 mm的鋼板，并粘貼上間距為400 mm的鋼板U形箍，同時(shí)在梁側(cè)面設(shè)置用于構(gòu)造的碳纖維布壓條。對軸網(wǎng)編號為A～G間的梁JGL2加固方法，采用粘貼碳纖維材料的加固方法[圖7(c)]，其中碳纖維布規(guī)格為200 g/m2，將 250 mm寬的碳纖維布粘貼于梁底面，并粘貼上200 mm寬、間距為400 mm的碳纖維布U形箍，最后同樣在梁側(cè)面設(shè)置用以構(gòu)造的碳纖維布壓條兩條，其中，壓條寬度為100 mm。

圖7 樓面梁加固方案Fig.7 Floor beam reinforcement scheme

加固后，結(jié)構(gòu)底層驗(yàn)算結(jié)果如圖8所示，由圖8可知，加固后框架柱的軸壓比顯著減小，表明加固后結(jié)構(gòu)延性有效增強(qiáng)，同時(shí)與加固前相比框架梁的性能也有明顯提升。因此，在構(gòu)件層面，綜合加固法有效提升了結(jié)構(gòu)的承載能力及抗震性能。

3 有限元模型與動力特性對比

3.1 有限元模型

如圖9所示，分別利用商用有限元軟件ETABS和開源軟件OpenSees建立了結(jié)構(gòu)三維有限元模型。其中梁和柱采用基于纖維模型的非線性梁單元建模，其中鋼筋采用Steel01材料本構(gòu)，混凝土均采用Concrete02材料本構(gòu)，碳纖維布采用彈性模量為2.4×105MPa的彈性材料進(jìn)行模擬。不同狀態(tài)結(jié)構(gòu)的單元纖維劃分、材料特性選取參見第1節(jié)。

圖8 加固后一層混凝土構(gòu)件驗(yàn)算Fig.8 Checking calculation of reinforced concrete members on the first floor

圖9 結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.9 Structural finite element model

3.2 動力特性

分別對火災(zāi)前、火災(zāi)后和加固后三種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析，得到各種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)前3階自振周期如表1和圖10所示，對比可知：火災(zāi)前結(jié)構(gòu)模型的前3階自振周期和江蘇省建筑科學(xué)研究院提供的PKPM模型相近，最大周期僅相差0.57%，表明所建立的有限元模型具有較高的準(zhǔn)確性；火災(zāi)后結(jié)構(gòu)自振周期相比于火災(zāi)前明顯增大，表明在結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有明顯變化的情況下，火災(zāi)后材料彈性模量降低，結(jié)構(gòu)整體剛度隨之減小；加固后，部分采用增大截面法加固的框架柱剛度顯著增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度增大，自振周期減小。

表1 結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)Table 1 First three modes of the structure

圖10 結(jié)構(gòu)前3階振型Fig.10 First three vibration modes of the structure

4 地震作用下結(jié)構(gòu)彈性抗震性能

4.1 地震波

近年來，已有研究表明部分近場地震具有方向性和速度脈沖等特性，會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的速度和位移沖擊[19,24-26]，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗震性能的降低。因此，為對比不同地震動特性下結(jié)構(gòu)的抗震性能變化，分別選取3條遠(yuǎn)場地震波和3條近場地震波進(jìn)行動力時(shí)程分析。選取近場地震波遵循以下條件[27]：震中距小于20 km；震級5.5級以上；加速度峰值大于0.1g(g為重力加速度)；峰值速度(PGV)與峰值加速度(PGA)之比大于0.2。

選取的兩條地震動記錄如圖11(a)、圖11(b)所示，各條地震波的反應(yīng)譜曲線的動力系數(shù)β和周期T如圖11(c)所示。

圖11 時(shí)程分析地震波Fig.11 Time history analysis seismic wave

4.2 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

4.2.1 基底剪力

將6條地震波調(diào)幅至18 cm/s2進(jìn)行多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，并將基底剪力結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如表2所示，對比可知：①結(jié)構(gòu)X、Y向基底剪力在相同工況下較為接近，滿足由于結(jié)構(gòu)各樓層雙向剛度和質(zhì)量源接近的情況下，整體結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下X、Y向動力特性相近的情況；②時(shí)程分析法得到的各地震波作用下的基底剪力能夠滿足規(guī)范要求，即每條時(shí)程曲線所得底部剪力不小于反應(yīng)譜法結(jié)果的65%和多條時(shí)程曲線平均結(jié)果不應(yīng)小于反應(yīng)譜法結(jié)果的80%的要求[28-29]；近場工況下結(jié)構(gòu)的基底剪力都要大于遠(yuǎn)場工況下的計(jì)算結(jié)果。

表2 多遇地震作用下的基底剪力Table 2 Base shear force under frequent earthquakes

4.2.2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

圖12給出了Y向多遇地震作用下的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，由圖12(a)可見：①多遇地震作用下火災(zāi)前、后結(jié)構(gòu)層間位移角最大值出現(xiàn)于底層，且均小于規(guī)范限值；②火災(zāi)后層間位移角較火災(zāi)前明顯增大，且對受火嚴(yán)重的1、3層增加幅度相對較大，1層層間位移遠(yuǎn)場和近場地震作用下分別增大34.0%和43.5%，可見由火災(zāi)引起的結(jié)構(gòu)整體剛度降低不容忽視；③加固后，底層柱截面增大，導(dǎo)致底層剛度明顯增加，因此底層層間位移角減小顯著，而上部柱采用外包角鋼法，剛度增加有限，層間位移角降低幅度相對較小，此時(shí)結(jié)構(gòu)薄弱層轉(zhuǎn)移到第2層。進(jìn)一步給出底層層間位移-剪力曲線如圖12(b)所示，可見在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，剛度退化不明顯，但火災(zāi)后剛度較火災(zāi)前小，加固后剛度又有較大增加。

5 地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性抗震性能

5.1 設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

將6條地震波調(diào)幅至50 cm/s2進(jìn)行設(shè)防地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。圖13給出了Y向設(shè)防地震作用下整體結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，由圖13(a)可知：①整體結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下，層間位移角分布規(guī)律與多遇地震作用下相近，但火災(zāi)后底層(薄弱層)層間位移角已超過限值，表明結(jié)構(gòu)底層剛度較小，在地震波作用下塑性損傷嚴(yán)重；②加固后，結(jié)構(gòu)在近場地震作用下底層的層間位移角較加固前降低了84.1%。圖13(b)給出了底層層間位移-剪力曲線，可知火災(zāi)前后結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下都進(jìn)入了塑性，并且在火災(zāi)影響下結(jié)構(gòu)的剛度有明顯的退化；同時(shí)，火災(zāi)后由于構(gòu)件性能的下降，較火災(zāi)前結(jié)構(gòu)提前進(jìn)入塑性，造成結(jié)構(gòu)損傷；加固后，結(jié)構(gòu)底層在設(shè)防地震下能夠保持彈性。

圖14為Y向設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移曲線，由圖14可知：①在相同的地震動強(qiáng)度下，火災(zāi)后的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移峰值大于火災(zāi)前；②加固后近場地震工況的頂點(diǎn)位移峰值較火災(zāi)后降低64.18%，大于遠(yuǎn)場地震工況的35.8%；③由于結(jié)構(gòu)自振周期不同，結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的相位略有差異。

圖12 Y向多遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)Fig.12 Structural displacement response under the action of frequent Y-direction earthquake

圖13 Y向設(shè)防地震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)Fig.13 Displacement response of structure under fortification earthquake in Y direction

圖14 Y向設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線Fig.14 Displacement curve of structure apex under fortification earthquake in Y direction

5.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

將地震波調(diào)幅至125 cm/s2進(jìn)行罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析。圖15為Y向罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，由圖15可知：①火災(zāi)后，結(jié)構(gòu)層間位移角有所增大，但增加幅度相對于多遇和設(shè)防地震作用時(shí)較小，在個(gè)別地震波作用下，底層結(jié)構(gòu)層間位移角超過規(guī)范限值；②火災(zāi)對受火樓層的結(jié)構(gòu)抗側(cè)和承載能力影響較大，因此無論多遇、設(shè)防還是罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)受火嚴(yán)重的底層層間位移角變化都較大；③受火層層間位移角在加固后顯著減小，層間位移角平均值在遠(yuǎn)場和近場工況下分別減小了32.6%和115.7%；④頂部層間位移角在火災(zāi)前、后變化不大，在罕遇地震作用下最大僅減少了0.03%。，由結(jié)構(gòu)底層層間位移-剪力曲線[圖15(b)]可知，火災(zāi)前、后結(jié)構(gòu)底層在罕遇地震作用下滯回效果明顯均較大程度地進(jìn)入了塑性，而加固后結(jié)構(gòu)剛度恢復(fù)明顯，進(jìn)入塑性程度顯著降低，從而有效降低了結(jié)構(gòu)的損傷。

圖16給出了罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)Y向頂點(diǎn)位移曲線，由圖可知，結(jié)構(gòu)火災(zāi)前、后的頂點(diǎn)位移變化較小；加固后，近場地震作用下的頂點(diǎn)位移峰值較火災(zāi)前減小51.2%，大于遠(yuǎn)場地震作用下的30.7%，表明加固效果在近場階段更加明顯。由于加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性程度較低，因此加固后的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線與火災(zāi)前和火災(zāi)后的曲線相位角差異更加顯著。

圖15 Y向罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)Fig.15 Displacement response of structure under rare earthquake in Y direction

圖16 Y向設(shè)防地震作用下的結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移曲線Fig.16 Displacement curve of structure apex under fortification earthquake in Y direction

6 結(jié)論

圍繞多層工業(yè)廠房火災(zāi)后加固設(shè)計(jì)與抗震性能分析展開研究，建立了火災(zāi)后多層RC框架抗震性能分析方法，介紹了火災(zāi)后某多層工業(yè)廠房安全評估與加固設(shè)計(jì)，進(jìn)而開展了不同地震動特性下的多層工業(yè)廠房火災(zāi)前、火災(zāi)后和加固后三種狀態(tài)下的抗震性能對比分析，得出主要結(jié)論如下。

(1)火災(zāi)持續(xù)3 h后，該多層工業(yè)廠房結(jié)構(gòu)受到一定程度的損傷，部分框架梁、柱無法滿足結(jié)構(gòu)承載力安全要求；綜合采用增大截面法、外包鋼板和粘貼碳纖維加固措施，有效提升了結(jié)構(gòu)的安全性能，具有相對具體的工程參考價(jià)值。

(2)高溫后構(gòu)件力學(xué)性能的退化能夠顯著影響整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，火災(zāi)后結(jié)構(gòu)的層間位移角和頂點(diǎn)位移等結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)均有不同程度的增加，火災(zāi)后多遇、罕遇地震下結(jié)構(gòu)底層層間位移角已接近限值，設(shè)防地震下更是超過限值，對受火樓層與層間位移角的關(guān)系提出了較為客觀的定性評價(jià)。

(3)加固后，結(jié)構(gòu)整體抗震性能顯著提升，層間位移角平均值在近場工況下最大減小了84.1%；且近場地震作用下結(jié)構(gòu)的加固效果大于遠(yuǎn)場地震。

(4)在本文工程案例中，近場地震工況下底部層間位移角在多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下分別為遠(yuǎn)場地震工況的1.7、2.0、2.7倍，火災(zāi)后由于構(gòu)件被削弱，層間位移角更是達(dá)到了1.9、2.2、2.8倍。由此，對于火災(zāi)后結(jié)構(gòu)開展抗震加固設(shè)計(jì)時(shí)需注意到部分近場地震作用對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移與速度影響。研究結(jié)果可為多層工業(yè)廠房火災(zāi)后的加固方法以及抗震性能評估提供參考。