不同地震動對某工業廠房加固前后抗震性能的影響

陳澤云

（蘇州科技大學）

由于我國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，面臨較高的地震風險，在此背景下，對房屋進行加固已經成為了一項至關重要的任務。在地震時，房屋的抗震能力至關重要。然而，由于建筑年代久遠且施工質量不佳等原因，許多建筑的抗震能力較弱，容易在地震中遭受破壞。如何對現有建筑的抗震性能進行評估，設計出可行的加固方案，并確保建筑在地震時仍能安全可靠地使用，已成為科研和工程領域關注的重點。

目前，常規既有框架結構的加固方法已提出較多[1]，相關加固研究工作一直在不斷推進中：楊勇[2]等采用預應力鋼帶加固技術對鋼筋混凝土框架梁端、柱端和節點核心區進行約束加固，研究結果表現出預應力鋼帶加固鋼筋混凝土結構具有良好的延性和耗能性能。廖新雪[3]等基于試驗研究的結果，采用ABAQUS分別對單面增加厚度和雙面增加厚度的剪力墻進行有限元分析。研究結果表明，增加單側厚度可以更有效地提高承載能力，而不是改善延性。

同時不同特性地震動對結構的影響也存在差異，近年來也受到廣泛研究與關注。王珮瑜[4]等圍繞不同特性地震動對不規則校舍加固前后抗震性能的影響開展研究，選擇了具備不同特性的地震動記錄，對比了加固前后結構動力特性，結果表明加固方案能顯著提升結構的抗震性能和震后恢復能力，近場脈沖型地震下結構響應大于其他類型地震作用。Chen 等[5]對一典型地鐵車站結構進行了一系列地震振動臺試驗。探討了地震運動在土壤中的傳播規律，分析了速度脈沖參數（脈沖形狀、脈沖頻率）和脈沖時間對結構動力響應的影響。

上述研究表明，不同地震動對結構響應的影響規律有著重要的指導意義，可為結構設計和加固提供參考。然而，目前大多數研究僅關注常規框架結構，工業廠房加固前后在不同地震動作用下的響應規律探討相對較少。因此，本文主要針對某工業廠房，根據改造需求提出結構加固設計方案，并建立其三維有限元模型；隨后，采用遠場、近場有脈沖以及近場無脈沖等三種不同類型地震動記錄，分析工業廠房在不同類型地震動作用下的響應情況以及抗震加固效果。

1 工程概況及加固設計

1.1 工程概況

寧夏瑞泰科技股份有限公司某工業廠房為四層混凝土框架結構，始建于2010年，建筑高度為22m，建筑面積為5526.36m2。結構平面布置如圖1 所示，結構平面設有結構縫，本文選取平面布置圖中的9～18 軸的結構進行分析。該區域結構首層高度為7.0m，二層、三層、四層高度均為5.0m。

圖1 結構總平面圖

1.2 綜合加固設計

經過對原結構的模擬分析，發現：⑴部分鋼筋混凝土構件存在承載能力不足的問題；⑵結構抗震時程分析結果表明，部分層間位移角不符合抗震規范要求。因此針對原結構所存在的問題提出了一套綜合加固設計方案，如圖2 所示：⑴采用增大截面和外包角鋼綜合加固方案對框架柱進行加固，旨在降低柱子的軸壓比與提高結構整體承載能力；⑵混凝土框架梁采用外包角鋼和粘貼碳纖維布法綜合加固方案對混凝土框架梁進行加固，旨在提高其承載能力和延性。

圖2 綜合加固設計方案

2 動力特性分析

2.1 有限元模型

依據PKPM、ETABS和OpenSees三個軟件對結構模型進行校核并對該結構進行動力特性分析，其中ETABS 與OpenSees 模型如圖3 所示。各梁、柱之間剛接，柱底部采用固接限制三個方向移動。

圖3 結構有限元模型

2.2 動力特性分析

表1分別為3種軟件對結構進行模態分析得到的前3 階模態，對比可見：⑴3 種軟件所建立的模型的前3 階自振周期較為接近，平均相差1.55%，最大相差為3.24%，表明所建立的模型具有一定的可靠性；⑵加固后，結構1 階自振周期由0.926 降低至0.721，結構整體剛度顯著增加，前3 階自振周期分別減小22.1%、25.0%和29.2%。

表1 結構前3階模態

3 地震作用下結構抗震性能

3.1 不同特性地震動輸入

近場地震通常伴隨長周期和速度脈沖，結構受到地震作用時易出現較大響應，導致對建筑物的強度和變形能力提出更高要求[6]。為了更加全面地驗證加固后結構的可靠性，本文選取了3 條遠場地震波以及3 條帶有速度脈沖和另外3 條不帶速度脈沖的近場地震波進行動力時程分析。

其中，遠場地震波的反應譜曲線在統計意義上與規范反應譜曲線相符；近場地震波作用下的結構響應滿足規范要求，且其反應譜曲線盡可能與反應譜曲線接近。所有已選取地震波的原始加速度時程曲線及遠場地震波反應譜如圖4所示。

圖4 地震波時程曲線及遠場地震波反應譜

3.2 多遇地震作用下結構位移響應

將9條地震波調幅至70gal進行多遇地震作用下的彈性時程分析。圖5展示了該結構在多遇地震作用下Y向的層間位移角。對比其中的（a）、（b）、（c）圖可得：⑴在加固前，層間位移角最大值出現在2 層，加固時應重點注意；而在加固后，各層間位移角下降明顯，其中二層層間位移角比加固前減少了41.95%，說明采取的加固方法取得了一定效果；⑵經過加固施工后，近場地震和遠場地震工況下的層間位移角度差異不大，說明在多遇地震工況下，近場地震的脈沖效應對結構影響不大。

圖5 多遇地震作用下結構層間位移角

3.3 罕遇地震作用下結構位移響應

在進行罕遇地震作用下的結構彈塑性時程分析時，將地震波調幅為罕遇地震下的峰值加速度400gal。圖6 給出了結構在罕遇地震作用下的層間位移角，對比其中的（a）、（b）、（c）圖可得：⑴加固前，在近場地震作用下，結構的底層位移角均超過規范限值，結構進入塑性損傷，層間位移角在近場地震作用下的平均值約為遠場地震作用下的兩倍；⑵經過加固后，底層在遠場地震和近場地震作用下的層間位移角平均值相較于加固前，分別降低了57.27%和74.67%，且均已滿足規范限值；⑶加固前，底層結構已經進入塑性狀態，而其他樓層尚未完全進入此狀態，因此加固后其他樓層的層間位移角減小幅度均小于底層。和殘余變形較大，遠場地震工況下，結構響應相對較小，且殘余變形為0；⑵加固后，不同工況下結構頂點位移響應衰減程度不同，近場有脈沖地震的頂點位移峰值下降幅度最大為63.25%，且各個地震工況下，殘余變形都減小為0，結構可恢復性能顯著改善。

圖6 罕遇地震作用下結構層間位移角

圖7 罕遇地震作用下結構頂點位移曲線

4 結論

⑴文中所述的加固方案，能夠明顯提高結構抗震性能，使得原結構的承載力顯著提高，滿足了相關規范的要求。

⑵經過加固后，結構的層間位移角均有一定程度的衰減，其中最高衰減幅度可達83.33%；此外，在近場地震工況下，衰減幅度遠大于遠場地震工況下。

⑶加固前，近場地震工況結構頂點位移響應和殘余變形較大，加固后，各地震工況下，頂點位移均減小且殘余變形都減小為0，結構可恢復性能顯著改善。