某框架結構抗震鋼筋性能缺陷的計算分析與加固設計

李葛葛 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

1 引言

框架結構被普遍地應用于各種多層建筑中，其優點眾多，但由于其整體結構剛度小、冗余度低，造成其抗強震和抗倒塌能力弱，在強震中易造成較大損失，震后修復困難，修復費用較高。基于以上原因，為在地震區建設符合“小震不壞、中震可修、大震不倒”設防水準的框架結構房屋，《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）[1]做出相應的規定和要求，其中“強柱弱梁”就是其中的一條保證“中震可修、大震不倒”的重要技術措施。因為框架結構一般不具備多道抗震防線，所以要求框架結構塑性鉸發生在不影響框架結構整體穩定的框架梁上，使柱得到保護，從而保證整體結構的穩定，做到“大震不倒”。

基于某一實際工程抗震鋼筋材料性能不滿足抗震規范要求，對其進行鑒定以及評估，結果表明，該結構整體承載力滿足規范要求，并且在抗震性能上仍能滿足“強柱弱梁”的要求[2]。為進一步推遲框架柱塑性鉸的出現，提高結構的抗震性能，本工程最終采用了增大框架柱截面的加固方法，并對比分析了加固前后的抗震性能指標，優化效果明顯，以期為類似工程提供方法和經驗。

2 工程概況

某工業建筑的結構形式為混凝土框架+鋼框架結構，36.6m 平面以下為混凝土框架結構，36.6m 平面以上為鋼框架結構。該工程結構設計使用年限為50 年，結構安全等級為二級，抗震設防烈度為6 度（0.05g），設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。建筑平面呈矩形分布，幾何尺寸為（69.0×38.0）m，縱向開間尺寸為（7.0+6.0+9.0+5.0+9.0+5.0+9.0+5.0+9.0+5.0）m，共10 個 開間，進深尺寸為（8.0+10.0×3）m。當前形象進度為施工至六層柱，鋼結構部分尚未施工，建筑物1 層層高為7.97m，2～6 層層高依次為：5m、6m、6m、6.2m、5.4m。現場外觀如圖1。

圖1 現場外觀照片

3 現存問題

經現場對主體結構檢測，該結構存在以下問題：

①部分構件混凝土強度不滿足設計要求，這可能會導致結構承載力不滿足設計要求；

②部分抗震鋼筋不滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第3.9.2 條要求：抗震鋼筋的實測抗拉強度與實測屈服強度特征值之比不應小于1.25；抗震鋼筋的實測屈服強度與標準規定的屈服強度特征值之比不應大于1.30。規范要求強屈比≥1.25，屈屈比≤1.30 是為了保證塑性鉸有足夠的轉動能力與耗能能力，保證“強柱弱梁”的實現。

4 計算分析

為了復核該工程是否滿足《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）要求，本文采用SAP2000 建立有限元模型（圖2），其中框架梁柱采用梁柱單元，樓板采用殼單元。

圖2 氣化框架有限元模型

4.1 承載力復核

針對工程中實際存在的問題，取最不利情況，即框架梁柱中鋼筋和混凝土強度取最小值，來驗證實際結構承載力能否滿足。經過復核驗證，框架梁柱計算承載力均小于實際承載力，滿足承載力要求。

4.2 強柱弱梁復核

針對工程中實際存在的問題，取最不利組合，即框架梁中鋼筋和混凝土強度取最大值，框架柱中鋼筋和混凝土強度取最小值，對其靜力彈塑性分析，分別加載《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規定的五個階段，如表1 所示，得到結構在不同地震力作用下的位移、內力響應和出鉸順序，驗證結構是否滿足“強柱弱梁”的要求。

《抗震規范》建筑結構的性能水準及變形參考值 表1

結構橫向和縱向靜力彈塑性分析均表明，不同加載階段塑性鉸的發展主要發生在梁構件上，由此說明結構滿足“強柱弱梁”的要求，具體結果如下。

4.2.1 結構橫向靜力彈塑性分析結果

圖3a 為第一階段，加載至層間位移角為1/550 時結構的塑性鉸分布，由圖可以看出，結構的塑性鉸主要分布在2～3 層的框架梁上，結構大部分保持彈性。

第二至第五階段分析結果如圖3b～圖3e 所示。結構在加載到第三階段，即層間位移角約為1/120 左右時，底層柱出現塑性鉸如圖3c，但在此之前，結構1～5 層框架梁兩端均出現不同數量的塑性鉸，這表明結構布置合理，能夠實現規范要求的“強柱弱梁”機制。

圖3 結構橫向各階段靜力彈塑性分析結果

加載至第四階段，即層間位移角為1/60 左右時，結構中間層框架柱出現塑性鉸如圖3d。框架柱端塑性鉸均出現在框架梁已經屈服的節點，從而說明結構能夠在大震下保證框架梁先破壞，框架柱后破壞的損傷機制。當加載至第五階段，即在層間位移角達到1/50 左右時，結構依然具有一定的承載能力。當頂點位移為400mm 時，3/D 處框架柱頂出現塑性鉸。

4.2.2 結構縱向靜力彈塑性分析結果

結構的塑性鉸發展與橫向靜力彈塑性分析的結果類似，塑性鉸主要出現在各層的框架梁上。頂點位移為420mm時，4/D框架柱柱底出現塑性鉸。

5 加固設計

5.1 加固方法選擇

為推遲框架柱塑性鉸的出現，提高結構的抗震性能，需要對框架柱采取加固措施。對混凝土柱進行加固處理時，常用的加固方法主要有增大截面法、粘貼纖維材料法、粘鋼法、外加預應力構件加固法等[3]。

纖維材料雖耐腐蝕、輕質、施工便捷，但其抗老化能力較差、耐火能力不高、對環境溫度濕度要求較嚴格；粘鋼加固一般要求環境溫度不超過60℃，相對濕度不宜大于70%，后期維護費用較高，不宜用于腐蝕環境中；外加預應力構件加固法主要適用于原構件截面偏小或需要增加使用荷載、原構件需要改善其使用性能或者原構件處于高應力、應變狀態，且難以直接卸除其結構上荷載的情況。而增大截面加固法是目前工程中使用最廣泛的加固方法，主要是通過增加構件的截面積和配筋，提高其承載能力和整體剛度。此方法對材料要求不高，施工簡單、適用性強，且加固后受力穩定、加固費用低[4]。

考慮到本工程為工業建筑，使用環境復雜，綜合考量后，選擇采用增大截面法對本工程框架柱進行加固。

5.2 加固方案設計

本工程采用增大截面加固法對基礎頂～3層頂混凝土框架柱進行加固，本工程采用的加固材料為HRB400 鋼筋和CGM 灌漿料（強度等級≥C40），框架柱截面四邊各增加80mm，與基礎相連的柱端截面四邊各新增280mm，另外，為保證后加固結構與原混凝土框架的有效錨固，柱增大截面范圍從三層頂又向上延伸了一個柱寬的高度。框架柱頂部、中部與底部的加固詳圖如圖4所示。

圖4 框架柱增大截面法加固詳圖

5.3 加固后分析

模擬加固后的結構，對其進行靜力彈塑性分析，橫向靜力彈塑性分析表明，結構在頂點位移為460mm 時，柱底首先出現塑性鉸，頂層混凝土框架柱未出現塑性鉸，較未加固之前的出鉸模式有所優化。同樣，縱向靜力彈塑性分析表明，結構在頂點位移為470mm 時，柱底首先出現塑性鉸，表明增大截面法的加固方案合理有效，其能提高柱端的抗彎承載能力與變形能力，能有效地推遲框架柱出現塑性鉸，優化結構的損傷分布。

6 結語

通過對該工程的計算分析，明確了抗震鋼筋材料性能缺陷對結構整體抗震的影響，采用增大截面法對框架柱進行加固，并驗證了該方法能夠有效提高鋼筋混凝土框架結構的抗震性能，為其他類似工程的加固設計提供參考。