基于Pushover方法的外包钢加固钢筋混凝土框架结构抗震性能分析与评估

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摘要：近年来，钢筋混凝土外包钢加固法作为一种广泛应用且经济有效的加固方法成为研究的重要课题。本文结合工程实例，应用SAP2000有限元分析软件，用“能力谱法”进行Pushover静力非线性分析,研究了框架结构在八度多遇、罕遇地震下的目标位移、层间位移角、塑性铰等,对结构加固前后的抗震性能进行评估。

关键词：外包钢加固；抗震性能

中图分类号： TU37 文献标识码： A

引言

以往国内外对外包钢加固在构件层次的承载能力和抗震性能试验和理论研究较多，但针对结构整体弹塑性抗震变形能力的数值模拟、理论研究也很少。在前人对单个构件外包钢加固研究的基础之上，本文结合某工程实例，采用 Pushover对比分析RC框架结构加固前后性能是否满足抗震要求。

1RC框架结构的抗震性能分析评估方法及指标

1.1结构抗震性能分析评估方法

已建建筑结构的抗震性能评估实际上可以认为是评估结构位移能力或变形。pushover方法既克服了底部剪力法和振型分解反应谱法未考虑结构在大震作用时发生弹塑性变形的缺点，又简化了动力时程分析的计算量。因此，pushover作为一种简化的实用方法受到越来越广泛的关注。

Pushover分析法包含两个方面的内容[2]：①计算结构的能力曲线，主要考虑分析中采用的结果模型与加载方式；②计算结构的目标位移及结果的评价，如何确定结构在预定水平地震作用下的反应是这一步的主要问题。

1.2结构抗震性能评估指标

由于我国规范提出抗震设防标准过于概况，对既有建筑结构抗震性能评估不是很方便，且存在隐患。根据Pushover分析方法的特点把性态抗震评估五个地震破坏等级“基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏、倒塌”与抗震规范提出的标准“不坏、可修、不倒”通过“基本完好不坏，中等破坏可修，严重破坏不倒塌”这一标准可以联系起来，且符合不同使用功能的建筑结构。

2 计算步骤

2.1结构有限元模型的选取

采用有限元分析软件SAP2000进行结构分析，将梁、柱构件作为基本单元，采用空间杆系模型。对于加固前后的混凝土梁柱截面采用SAP2000程序中内置的截面设计器（CSISD）进行设计。

原框架梁、柱混凝土和钢筋的本构关系采用SAP2000程序中默认的本构关系。角钢加固后混凝土柱本构关系采用符合Mander约束混凝土模型[3]（图1），通过修改无约束混凝土受压骨架曲线应变软化段的斜率来考虑约束作用的影响。

图1Mander约束混凝土本构关系图

2.2结构的塑性铰定义

框架梁两端分别赋予默认的弯矩塑性铰(M3)，将其设在框架梁处于弹性阶段时内力最大处。加固后结构分析模型中框架柱，有外包角钢的约束作用，程序中提供的默认塑性铰不能满足要求，利用截面分析软件CSI Section Builder得到外包角钢柱截面的弯矩-轴力相关曲面以及柱的弯矩-曲率关系曲线，自定义塑性铰。

2.3侧向水平加载模式与分析工况

当结构在罕遇地震作用下进入弹塑性阶段时，结构的自振周期和惯性力大小及分布方式也会发生改变，从而使楼层的惯性力分布不可能只选择一种方式。所以，至少选择两种以上的加载模式进行弹塑性Pushover分析。

一般情况下Pushover分析可能由3个工况构成。第一个是在结构上施加非线性重力荷载；第二个和第三个可施加不同的侧向荷载。

2.4结果分析及性能评价

结构抗震性能评估指标：顶点位移、层间位移角、破损指标等。结构的目标位移通过ATC-40采用的“能力谱法”确定。破损指标可以通过塑性铰性能水平、塑性铰的分布和结构的破坏模式表现。

3．计算实例

3.1工程概况

某五层的框架结构综合教学楼，柱网为6.6m×7.5m，结构平面见图2。各层结构层高均取为3.9m，总高度为19.50m，框架柱截面尺寸550×550，框架梁截面尺寸300×600，楼板厚度为100mm，混凝土强度均为C30。所有柱、梁截面受力主筋选用二级钢筋，箍筋采用一级钢筋。现在原结构上整体增加一层，层高与原结构相同为3.9m。应用中国建科院PKPM对结构验算得底层柱轴压比普遍较大，承载力不足。

结构所处地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，场地类别为III类。该结构三维模型见图3。

图2结构平面布置图

3..2加固方案

对底层K2框架柱，分别采用4L75×5、4L80×6、4L90×8角钢加固，缀板均采用-50mm ×6 mm，间距均为200 mm。

图3 加固前结构的整体模型

3.3Pushover分析的加载模式、分析工况

本文的实例结构比较规则，结构的第一周期为Y方向的平动，结构的反应受到高阶振型的影响不大，可以采用常用的两种侧向水平加载模式：①Y方向的均匀分布水平加载模式ACCEL-Y；②Y方向倒三角水平加载模式MODEL-1Y。

采用的分析工况为：

工况1：非线性重力荷载+Y方向均匀分布水平加载模式；

工况2：非线性重力荷载+倒三角水平加载模式。

3.4结果分析及评价

（1）性能点位移

多遇地震作用下，结构加载至性能点时，结构构件处于弹性状态，满足抗震规范在弹性变形下的要求。罕遇地震作用下，结构加固前在ACCEL-Y加载模式下达到性能点时的顶点位移为158.385mm，采用方案一、二、三加固后较加固前分别减小了1.17% 、1.35% 、1.53%。在加载模式MODEL-1Y下加固前结构达到性能点时的顶点位移为182.309mm，采用方案一、二、三加固后较加固前分别减小了1.74% 、1.91% 、2.06 %。从以上分析可知，结构加固后在两种侧向水平加载模式下性能点的基底剪力均增大，顶点位移减小，结构在罕遇地震下的变形能力有所改善，抗震能力提高。

（2）层间位移角

多遇地震作用下，结构加固前后的层间位移角变化不是很大，且层间位移角均小于规范规定的弹性层间位移角最大限制1/550，在侧向加载模式ACCELY和MODEL1-Y下，结构加固前后的最大层间位移角均出现在第二层。罕遇地震作用下，结构底层柱采用外包钢加固后，底层层间位移角大大降低，第二层层间变形位移角变化也很大，但结构加固后第二层的层间位移角仍最大。此外，底层柱的加强程度不同，对加固结构影响的差别主要表现在底层和二层的层间位移上，对上层的影响甚微。

(3)塑性铰的分布及破坏形式

多遇地震作用下，当结构达到性能点时，结构处于弹性状态，故不作分析。罕遇地震作用下，结构在加固前塑性铰首先出现在二层梁端，并逐渐向上发展，接近顶层时地震作用减小，基本没有塑性铰出现。结构底层柱采用角钢加固后，在两种侧向加载模式下，底层柱的塑性铰基本消失，结构的二、三层梁端塑性铰比未加固时发展更快。

4结束语

基于pushover分析外包角钢加固框架底层柱对结构的楼层整移影响不是很大；在罕遇地震作用下，一、二层层间位移角大大降低，结构加固前后的最大层间位移角所在楼层没有发生变化；采用外包角钢加固底层框架柱可以改善底层柱的变形，对于结构最大层间位移角所在层的变形不利，但结构整体属于强柱弱梁破坏形态。

参考文献

[1]代杰.基于pushover的既有钢筋混凝土框架结构抗震性能评估方法研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[2]SAP2000中文版使用指南.北京:人民交通出版社，2006.

[3]J．B．Mander M．J．N．Pridstley, andＲ．Park. Theoretical stress-strain Mode for Confined Concrete [J].Journal of the structural Engineering.1988, 114(8):1804-1823.