第３６卷第１９期 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．１９ ２ ０ １ ０年７月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥ 兀瓜Ｉ Ｊｕ１．２０１０ ・７５・ 文章编号：１００９—６８２５｛２０１０）１９—００７５—０２ 加固用钢量对框架结构抗震性能的影响 陈廉汪训流 摘要：基于原有研究开发并经试验验证的纤维模型程序，对某抗弯承载力不足的钢筋混凝土框架结构基于粘钢加固方 法分别采用五种不同加固用钢量下的抗震性能进行了分析，初步探讨了加固用钢量对加固后框架结构整体性能的影响， 以期为加固改造领域中粘钢加固设计奠定基础。 关键词：粘钢加固，钢筋混凝土框架，纤维模型，抗震性能，数值分析 中图分类号：ＴＵ３５２ 文献标识码：Ａ ０引言 用钢量下的抗震性能进行计算分析。 建筑结构老龄化的发展、原有建筑使用功能的改变、抗震设 ２．１程序ＮＡＭ－ＰＣ 防要求的提高以及灾变作用的影响等诸多因素，促使大量既有建 程序ＮＡＭ－ＰＣ／ＲＣ是基于ＭｓＣ．ＭＡＲＣ开发的纤维模型程 筑不断产生各种安全隐患。据统计，我国现存的各种建筑物总面 序，以空间梁单元建模，单元截面特性由纤维模型确定，已应用于 积在１００亿ｍ２以上，有一半以上投入使用已超过２０年，需加固 复杂受力状态下钢筋混凝土（Ｉ ）及预应力混凝土（ＰＣ）杆系结构 维修的建筑物约为２５亿ｍ２，其中绝大多数为混凝土结构ｕ Ｊ。有 或构件的非线性计算分析［ ， ，取得了良好的计算精度。 资料表明，建筑物加固改造比新建可节约投资约４０％、缩短工期 ２．２数值计算与结果 约５０％、比收回投资的速度快３倍～４倍【２ｌ。因此，建筑结构加 文献［６］算例为某８度区一栋３层钢筋混凝土框架办公楼因 固改造已成为我国建筑业一个新的发展热点，与之相应的混凝土 需要改做密集柜书库，二、三层楼面使用活荷载由２．０ ｋＮ／ｌｍ２提 结构加固技术及方案的研发和应用也已成为结构工程的重点领 高到１２．０ ｋＮ／ｍＥ，经计算需对部分梁柱进行加固处理。梁柱尺 域之一。粘钢加固是混凝土结构加固领域的一种典型加固方法， 寸及配筋、材料强度等级见文献［６］。采取五种加固用钢板用量 其对结构的自重影响不大，可应用于梁、柱、板的承载力加固。为 对该框架进行粘钢加固，如表１所示，钢板均沿构件通长布置，并 方便材料采购、便于加固施工以及基于对加固计算不确定性的考 与构件同宽。其中，第一种加固用钢板用量按钢筋等强加固原则 量，实际工程中粘钢加固设计时往往会统一钢板规格并加大钢板 并结合相关规范要求得到。 用量，从而导致钢板用量的无谓增加，即实际用量远大于计算用 表１加固用钢量列表ｔｈｉｎ 量。针对这种现象，本文以一混凝土框架为例，对加固用钢量变 构件 部位 粘钢４＋３ 粘钢５＋４ 粘钢６＋５ 粘钢７＋６ 粘钢８十７ 化给予结构抗震性能的影响作了一些初步探讨。 三层楼面梁 梁端负弯矩区 ４ ５ ６ ７ ８ 跨中正弯矩区 ４ ５ ６ ７ ８ １粘钢加固方法 二层楼面梁 梁端负弯矩区 ３ ４ ５ ６ ７ 粘钢加固法，是指用专用粘结剂（粘钢胶）把钢板粘贴在混凝 跨中正弯矩区 ３ ４ ５ ６ ７ 底层柱 ３ ４ ５ ６ ７ 土构件的表面，形成一种“混凝土一胶一钢”三相复合体系，从而 使钢板与混凝土协同工作的一种加固方法，可用于混凝土构件的 基于程序ＮＡＭ－ＰＣ／ＲＣ采用顶层位移加载对五种不同加固 抗弯和抗剪加固。主要特点是施工速度快、不影响结构外形，但 用钢量下框架的滞回性能进行了数值模拟，最大加载位移为框架 钢板自重及刚度较大、施工较困难。基本施工工艺流程为：基层 总高度的１／＇／５，可认为是对中震作用状态下结构受力性能的近似 打磨一钻孔一植膨胀螺栓／４ｇ学锚栓一涂刷底胶（界面剂）一涂刷 模拟。图１～图４为不同加固用钢量下结构基于顶层加载点的计 粘钢胶一粘贴钢板一固定膨胀螺栓／化学锚栓一喷涂防护涂料。 算结果。其中，图１为滞回曲线的比较，图２为相对承载力的比 ２算例分析 较，图３为相对刚度的比较，图４为相对累计滞回耗能的比较。 先考察加固后结构的承载力和加载刚度。由图２可知，结构 本文采用已开发的三维杆系结构纤维模型程序ＮＡＭ．Ｐｃ／ 的承载力随加固用钢量的增大而增大，但增长幅度逐步减小，主 ＲＣ［３ｌ４ Ｊ，对文献［６］算例的钢筋混凝土框架结构在五种不同加固 要原因在于随着用钢量的增大结构被加固构件逐步进入超筋状态， ［６］舒兴平，刘斌，卢倍嵘．带刚臂的钢框架一混凝土核心筒 ２００８，３５（１１）：２－５ 结构的抗震性能分析［Ｊ］．湖南大学学报（自然科学版）， Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｄｉｓａｓｔｅｒ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ＨＵＡＮＧ Ｓｉ．ｈａｉ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ａｎｄ ＳＬＩｌＴＩＳ ｕｐ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｆｏｒｍｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｌｏａｄｉｎｇ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｉ￣ｎｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂ￣ｌｄｉｎｇｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｄｉｓａｓｔｅｒｓ 收稿日期：２０１０—０３—０６ 作者简介：陈廉（１９７８一），男，工程师，中国建材国际工程有限公司，上海２０００６３ 汪训流（１９７７．），男，工程师，中国电子工程设计院结构评估及加固所，北京１００８４０ ・ ７７ ６・． ．２第３ ０ ６卷藿 １ ０ 年７月 山 西 建 筑Ｈ 就耗能能力而言，图４比较了不同加固用钢量下的累计滞回 超筋状态下混凝土构件的最终承载力取决于压区混凝土的强度、 繇雠莨娶 用量以及变形性能而非取决于拉区的用钢量。由图３可知，结构 耗能能力，由图４可知，耗能能力并不随用钢量呈增长关系却呈 的加载刚度随加固用钢量的增大而基本呈线性增长，表明加固用 现出某种程度的递减趋势，表明进入超筋状态后的钢筋混凝土构 钢量对于结构刚度的贡献与其用量基本成正比。 件的耗能能力将受诸多因素的影响而并不主要依赖于用钢量。 栝镝５十４ ７ ” 图中后续接*直的曲线表明，中震作用状态下超筋结构的耗能 能力主要取决于压区混凝土的材料及变形性能，当混凝土材料不 变时，耗能能力将趋于一定值。 粘钢６＋５墨３４０ ． 。 麓象 ：； 襄ｔ７０ 口Ｊ 综合比较图３，图４可知，加固用钢量的增加带来了结构构件 ３０ ４ Ｂ一 １５ 刚度的增大却导致了其耗能能力的降低，而地震中地震作用的分 布往往与刚度相关。这一关系表明，增加的加固用钢量使得被加固 构件吸引了更多的地震能量却不能完全依靠自身进行耗散而要 借助相邻结构构件或非结构构件的损伤或毁坏来加以消耗，从而 大大增加了地震破坏的不确定性和复杂性。 位移／ｒｒｍ 图１滞回曲线 ３结语 一 ●１．５１４ ●１．３９２一 ●１．４２６ 通过对不同加固用钢量下框架滞回性能的数值模拟可见，加 固用钢量的大小对结构的受力性能产生较大影响。其中，承载 力、加载刚度随着用钢量的增大而增大，且加载刚度基本随加固 用钢量成线性增长；而随着超筋状态的不断推进，被加固结构或 ●１ ２４１ １．０００ 一 构件的耗能能力却随着用钢量的增大而减小并很快趋于定值。 地震中，刚度增加所带来的更多地震能量则因被加固构件自身耗 底层柱相对加固用钢量 能能力的降低而不得不依靠相邻结构构件或非结构构件的损伤 甚至毁坏来加以消耗，这导致了地震破坏的不确定性和复杂性， 不利于结构的抗震设计。特别是现阶段结构加固设计中，尚无有 效方法和手段对加固后结构进行全面合理的抗震验算，这就更加 导致了刚度无谓增加所带来的结构安全隐患的隐蔽性。因此，结构 加固设计中应严格控制加固用钢量，尽量避免用钢量的无谓增加。 参考文献： 图２ 不同加固用钢量下的相对承载力 ￣１．０６１●１．０９２●１・ｌ１８●１・１４３ 魁 薹 总 《 １．０ｏ０ 隧 智 ［１］张益多，刘荣桂．混凝土结构加固技术研究及应用综述［Ｊ］． Ｉ ｌ Ｉ ｌ江苏大学学报（自然科学版），２００３，２４（６）：９１—９４。 ［２］何朝阳，徐春恒，杨太文．建筑物维修加固技术综述［Ｊ］．基 底层柱相对加固用钢量 建优化，２００５，２６（３）：９２—９４． ［３］汪训流．配置高强钢绞线无粘结筋混凝土柱复位性能的研 究［Ｄ］．北京：清华大学，２００７． 图３ 不同加固用钢量下的相对刚度 器 箍 耀 匾 ［４］汪训流，陆新征，叶列平．往复荷栽下钢筋混凝土柱受力性 １・０００ ●０．９１４●Ｏ．９２７ ●０９１５ ●Ｏ ９２９ ．能的数值模拟［Ｊ］．工程力学，２００７，２４（１２）：７６ ８１． 蜒 士 鞯 ［５］ 武建立．框架结构基础隔震反应分析［Ｊ］．山西建筑，２００８， ３４（２８）：９４．９５． 按 ［６］Ｌｉｕ ＨＴ，Ｗａｎｇ ＸＬ，Ｈｕ ＫＧ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＲＣ Ｆｒａｍｅ ｕｎｄｅｒ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ Ｓｅｈｅ￣ｎｅｓ［Ｊ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｏｉｌ Ｅａｒｔｈ— 底层柱相对加固用钢量 ｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ－ｔｈｅ １ｓｔ Ａｎｎｉｎｖｅｒｓａｒｙ ｏｆ Ｗｅｎｃｈｕａｎ Ｅａｒｔｈ— 图４ 不同加固用钢量下的相对累计滞回耗能 ｑｕａｋｅ，２０ｏ９（３５）：１５８—１６１． Ｉｍｐａｃｔｓ ０ｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｔｅｅｌ ｖｏｌｕｍｅ Ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆ－０ｒｍａｎｃｅ ０ｆ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ＣＨＥＮ Ｌｉａｎ、）Ｉ ＮＧ Ｘｕｎ－ｌｉｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ｍｏｄｅｌ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒ ｆｉｖｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｔｅｎｅｌ，ｉｔ ｍａｋｅｓ ａ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｒｅｉｆｏｒｃｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｎｅ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｓｈｏｒｔａｇｅ ｏｆ ｂｅｎｄｉｇ ｃａｐａｃｉｎｔｙ， ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｏｎｄｅｄ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅｎ，ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔｎ ｓｔｅｅｌ ｔｏ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｒｅｉｆｏｒｃｅｎｄ ｆｒａｍｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｉｔｈ ａ ｖｉｅｗ ｔｏ ｌａｙ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｂｏｎｄｅｄ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ａｒｅａ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｂｏｎｄｅｄ ｓｔｅｅｌ ｒｅｉｆｏｒｃｅｍｅｎｔ，ｓｔｅｅｌｎ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ，ｆｉｅｒ ｍｏｄｄ，ｓｅｉｂｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ
