钢筋混凝土框架结构采用防屈曲支撑加固分析

第３１卷第３期　２０１５年６月　结构工程师　Ｖｏ１．３１．Ｎｏ．３　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｊｕｎ．２０１５　钢筋混凝土框架结构采用防屈曲支撑加固分析　唐俊徐章雄卢文胜　（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海２０００９２）　摘要某钢筋混凝土结构建造近８０年，结构性能退化严重。由于顶层结构柱截面突变，导致４—６层　抗震层间位移角超限。采用局部布置防屈曲支撑对结构进行加固，并与增大截面加固法对比分析，表明　该方法能更经济有效地改善结构抗震性能，确保整体结构满足现行规范的要求。　关键词钢筋混凝土框架结构，防屈曲支撑，结构加固，增大截面加固法　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ａ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｆｒａｍｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　ｂｙ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　ＢＲＢｓ　ＴＡＮＧ　Ｊｕｎ　ＸＵ　Ｚｈａｎｇｘｉｏｎｇ　ＬＵ　Ｗｅｎｓｈｅｎｇ　（Ｓｔａｔｅ　ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｄｉｓａｓｔｅｒ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ａｎ　８０一ｙｅａｒ　ｏｌｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｄｅｇｒａｄｅ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ．Ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｌｕｍｎ　ｓｅｃｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｕｐｐｅｒ　ｓｔｏｒｉｅｓ，ｔｈｅ　ｓｔｏｒｙ　ｄｒｉｆｔｓ　ａｔ　ｔｈｅ　４ｔｈ　ｔｏ　６ｔｈ　ｆｌｏｏｒｓ　ａｒｅ　ｂｅｙｏｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｃｏｄｅｓ．Ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ　ａｎｄ　ｅｎｌａｒｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｌｕｍｎ－ｃｒｏｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ，ｔｈｅ　ｆｏｒｍｅｒ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｏ　ｂｅ　ｍｏｒｅ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｎ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｔｏ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｄｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，　ｅｎｌａｒｇｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｌｕｍｎ—ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅｅｌ　较于传统的增大截面法，防屈曲支撑加固法具备　１　引　言　防屈曲支撑的概念最早于１９７３年由　性能及工程量方面的双重优势。　框架结构是最常见的建筑结构形式，但在早　期结构设计中往往采用静力设计方法，不考虑地　Ｗａｋａｂａｙａｓｈｉ　Ｍ等提出　Ｊ，之后Ｋｉｍｕｒａ等对其开　展了包括疲劳性能在内的一系列研究　Ｊ。防屈　曲支撑可分为管式与墙板式，其相比普通支撑能　震作用影响，加上年代久远使得结构性能严重退　化，难以满足现行规范要求。　提供更大的抗侧刚度和承载力，且在大震下，通过　工作段充分的弹塑性变形可耗散大量地震能量，　２工程概况及加固方法　２．１工程概况　使结构主体仍处于弹性或弹塑性受力范围　。　其优越性被逐渐认可并在国内外工程设计中应　用，如大阪国际会议中心、上海世博中心会展区　上海市某优秀历史建筑建于１９３５年，占地面　积约１　３２１　ｍ　。建筑长４３．７８　ｍ，宽３０．１８　ｍ，标　等　；同时在结构加固领域也广为应用，如北京　准层高为３．６６　ｍ，地下室１层，地上６层，其典型　结构平面如图１所示。该建筑结构类型为钢筋混　凝土结构，上部楼层柱截面逐渐减小，结构中柱具　顺义区某小学教学楼加固工程、安徽合肥某建筑　夹层加固工程等　Ｊ。对既有框架结构而言，相　收稿日期：２０１４一ｌ１一Ｏ６　基金项目：上海市科技委项目（１３ｄｚ１２０３４０２）　联系作者。Ｅｍａｉｌ：ｗｅｎｓｈｅｎｇｉｕ＠ｒｉｐ．１６３．ＣＯ１ＴＩ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｖｏ１．３　１，Ｎｏ．３　・１６０・　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　由表４可知：　（１）结构加固前后周期均满足规范前两周期　为平动，周期比小于０．９的要求；　（２）结构加固后周期均比加固前周期小，说　明布置１２榀防屈曲支撑或增大柱子截面会使结　构整体刚度增大；　（３）结构加固后平动系数与扭转系数几乎没　有变化，说明采用对称加固布置方法，基本未改变　结构整体重心与形心的相对位置关系，较好地控　制了整体扭转效应。　３．５剪重比及有效质量参与系数　取前２１阶振型参与地震组合作用计算时，加　固前后　，ｙ方向的剪重比及有效参与质量系数　列于表５，　，ｙ方向各楼层剪重比与有效质量参　与系数均满足现行抗震规程要求。　表５　结构剪重比及有效质量参与系数对比　Ｔａｂｌｅ　５　Ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｏｆ　ｓｈｅａｒ－ｗｅｉｇｈｔ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍａｓｓ　ｅｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　项目　楼层　加固前　防屈曲　增大截　（方向）　支撑加固　面加固　６（　）　１ｏ．３２％　１Ｏ．２８％　ｌＯ．３３％　５（　）　８．６２％　９．０６％　８．９５％　４（　）　７．３７％　８．２Ｏ％　７．８４％　３（　）　６．３８％　７．４１％　６．９７％　２（　）　５．５１％　６．４８％　６．０７％　计算　１（　）　４．７７％　５．６３％　５．２７％　剪重比　６（ｙ）　１２．Ｏ１％　１１．７４％　１１．９８％　５（ｙ）　９．９０％　１Ｏ．３６％　１０．４３％　４（ｙ）　８．４０％　９．３３％　９．２０％　３（ｙ）　７．２４％　８．３８％　８．２３％　２（ｙ）　６．２４％　７．３３％　７．１７％　１（Ｙ）　５．４０％　６．３７％　６．２３％　有效质量　９４．６９％　９６．４１％　９５．８Ｏ％　参与系数　ｙ　９４．４１％　９６．３Ｏ％　９６．０４％　３．６位移反应　主体结构中添加防屈曲耗能支撑加固后，由　于支撑作用，相邻梁柱的受力性能、抗震性能将会　提高，且变形趋于协调一致，此时有支撑相连接的　局部梁柱体系整体刚度将得到较大增强。　整体结构的结构体系将由纯框架结构转变为　框架一抗震墙结构，故通过防屈曲支撑加固后的　结构体系认定为框架一抗震墙体系更为合理，其　相应的层问位移角限值取１／８００。　加固前后的双向地震作用下楼层最大弹性层　间位移角如图６所示。由图可知，两种加固方法　均能有效控制结构最大层间位移角，提高结构的　整体抗震性能。特别在柱截面尺寸突变的４—６　层，最大层问位移角减小量较大，而防屈曲支撑加　固法比增大截面加固法更为明显。　一加固前埔最大层间位移角　——一加固前，，向最大层间位移角　——支撑加固后胸最大层间位移角　…～支撑加固后ｙ向最大层问位移角　＋增大截面加固后柳句最大层间位移角　Ａ一增大截面加固后晌最大层间位移角　６　５　４　装ｓ　２　１　４结论　对框架结构分别采用防屈曲支撑加固法与增　大截面加固法进行加固设计与建模分析，获得以　下结论：　（１）分析建模过程依据检测资料，对有裂缝　或破损部位进行强度、刚度的折减，可真实地模拟　实际结构；　（２）防屈曲支撑加固或增大截面加固时，采　用对称布置构件方法，可有效改善对结构整体扭　转性能；　（３）采用防屈曲支撑加固法较增大截面加固　法在加固效果及工程量上具有双重优势，能有效　地从整体上改善框架结构抗震性能。　参考文献　［１］　Ｗａｋａｂａｙａｓｈｉ　Ｍ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｅｌａｓｔｉｃ－ｐｌａｓｔｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｐｒｅｃａｓｔ　ｗａｌｌ　ｐａｎｅｌｓ　ｗｉｔｈ　ｂｕｉｌｔ－・ｉｎ　ｉｎｓｕｌａ－－　ｔｉｎｇ　ｂｒａｃｅｓ［Ｃ］．Ｔｏｋｙｏ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　Ｓｕｍｍａｒｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ　ｏｆ　Ａｎｎｕａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ，１９７３．　［２］Ｋｉｍｕｒａ　Ｋ，Ｙｏｓｈｉｏｋａ　Ｋ，Ｔａｋａｄａ　Ｔ，ｅｔ　ａ１．Ｔｅｓｔｓ　ｏｎ　ｂｒａｃｅｓ　ｅｎｃａｓｅｄ　ｂｙ　ｍｏｒｔａｒ　ｉｎ．ｆｉｌｌｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｔｕｂｅｓ『Ｃ　１．　・结构加固与改建・　・１６１・　结构工程师第３１卷第３期　Ｓｕｍｍａｒｉｅｓ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒｓ　ｏｆ　Ａｎｎｕａｌ　Ｍｅｅｔｉｎｇ．　Ｔｏｋｙｏ，１９７６．　［３］周云，钱洪涛，褚洪民，等．新型防屈曲耗能支撑设　计原理与性能研究［Ｊ］．土木工程学报，２００９，４２　（４）：６４－７１．　Ｚｈｏｕ　Ｙｕｎ，Ｑｉａｎ　Ｈｏｎｇｔａｏ，Ｃｈｕ　Ｈｏｎｇｍｉｎ，ｅｔ　１ａ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　ｂｒａｃｅ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ－　ｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，２００９，４２（４）：６４＿７１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［４］杨昌民，牧野俊雄，李宏男．防屈曲支撑的研究进　展及其工程应用［Ｊ］．建筑科学与工程报，２０１１，２８　（４）：７５—８５．　Ｙａｎｇ　Ｃｈａｎｇｍｉｎ，Ｔｏｓｈｉｏ　Ｍａｋｉｎｏｍ，Ｌｉ　Ｈｏｎｇｎａｎ．Ｒｅ－　ｓｅａｒｃｈ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，２８（４）：７５—８５．（ｉｎ　Ｃｈｉ—　ｎｅｓｅ）　［５］　Ａｉｋｅｎ　Ｉ，Ｋｉｍｕｒａ　Ｉ．Ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｎｉｔｅｄ　Ｓｔａｔｅｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｊａ－　ｐａｎ　Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ．Ｙｏｋｏｂａｍａ：Ｔｏｋｙｏ　Ｉｎ—　ｓｔｉｔｕｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１．　［６］　张江，高会宗，盛志刚，等．北京某小学教学楼防屈　曲耗能支撑的安装施工［Ｊ］．工程抗震与加固改　造，２０１１，３３（５）：１１９—１２２．　Ｚｈａｎｇ　Ｊｉａｎｇ，Ｇａｏ　Ｈｕｉｚｏｎｇ，Ｓｈｅｎｇ　Ｚｈｉｇａｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅｓ　ｉｎ　ａ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｓｃｈｏｏｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｂｅｒｉｎｇ［Ｊ］．　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｉｎｇ，　２０１１，３３（５）：１１９－１２２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［７］　马军，杜秋，陈道政，等．防屈曲耗能支撑在房屋加　层加固中的应用［Ｊ］．安徽建筑，２０１３，１９３（５）：　１４６—１４７．　Ｍａ　Ｊｕｎ，Ｄｕ　Ｑｉｕ，Ｃｈｅｎ　Ｄａｏｚｈｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｂｕｃｋｌｉｎｇ—ｒｅ—　ｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｄｄｉｎｇ　ｓｔｏｒｅｙ　ｆｏｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｔｏ　ｔａｌｌ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ａｎｈｕｉ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，　２０１３，１９３（５）：１４６－１４７．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［８］　杜义欣，李文超，刘军进，等．防屈曲支撑在赢嘉中　心办公楼加固改造中的应用［Ｊ］．福州大学学报　（自然科学版），２０１３，４１（４）：４７７－４８２．　Ｄｕ　Ｙｉｘｉｎ，Ｌｉ　Ｗｅｎｃｈａｏ，Ｌｉｕ　Ｊｕｎｊｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｙｉｎｇｊｉａ　ｏｉｆｃｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｊｅｃｔ［Ｊ］．Ｔｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｕｚｈｏｕ　Ｏｍｉｅｒ—ｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０１３，４１（４）：４７７＿４８２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［９］　张卫海，邵宏政．防屈曲耗能支撑在铰接混凝土框　架抗震加固中的应用［Ｊ］．结构工程师，２０１２，２８　（３）：１４７—１５１．　Ｚｈａｎｇ　Ｗｅｉｈａｉ，Ｓｈａｏ　Ｈｏｎｇｚｈｅｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｂｕｃｋ・　ｌｉｎｇ－ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅ　ａｂｏｕｔ　ｓｅｉｓｍｉｃ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｈｉｎｇｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｆｌａｍｅ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，　２０１２，２８（３）：１４７－１５１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１０］中华人民共和国住房和城乡建设部．ＧＢ　５０３６７—　２００６混凝土结构加固设计规范［Ｓ］．北京：中国建　筑工业出版社，２００６．　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｈｏｕｓｉｎｇ　ａｎｄ　Ｕｒｂａｎ—Ｒｕｒａｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｅｏｐｌｅ’Ｓ　Ｒｅｐｕｂｔｉｃ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ．ＧＢ　５０３６７－－２００６　Ｄｅｓｉｇｎ　ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ［Ｓ］．　Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｐｒｅｓｓ，２００６．　（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［１１］上海蓝科钢结构技术开发有限责任公司．ＴＪ型屈　曲约束支撑设计手册［Ｍ］．４版．上海：同济大学出　版社，２００９．　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｌａｎｋｅ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ．，ＴＪ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｒｅｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｒａｃｅｓ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍａｎｕａｌ　［Ｍ］．Ｆｏｕｒｔｈ　Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｓｒｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，２００９．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）