张 健

（宁夏电力设计院，宁夏 银川 750000）

0 引言

我国2008年发生的汶川地震和2013年发生的雅安地震都表明砌体结构是震害的关键。我国既有砌体结构数量较多，材料本身的强度低、延性差［1］，再加上设计的低标准、施工的不规范操作、老龄化以及对性能要求的提高，使得既有砌体结构的安全性不能得到保证。由于昂贵的拆建费用、拆除对正常生活秩序和环境的严重影响、剩余价值评估、建筑垃圾的回收利用等原因，还不能将所有不满足要求的砌体建筑拆除重建［2］。将基于性能的抗震设计方法应用到抗震加固改造中可以使结构满足各项预定的性能目标，将成为抗震加固和维修改造的发展趋势，但是相关技术标准和性能目标等诸多方面存在不足和漏洞，需要继续研究，因此对既有砌体结构进行基于性能的抗震鉴定加固研究具有重要的理论价值和现实意义。

本文以既有的两座建筑（结构1，结构2）为例，基于性能的抗震设计方法，分别输入不同地震波，分析其在不同烈度条件下的时程，研究不同抗震加固方法的效果。

1 工程介绍

结构1为1985年建造的6层砌体结构学生宿舍楼，纵向长为45m，横向宽为14.4m，层高为3 m，内外墙厚均为240mm，楼板为120mm装配式，基础类型为交叉条形基础，楼层简化平面布置见图1。结构2为1982年建造的6层砌体结构二级医院门诊楼，纵向长为60m，横向宽为14.4m，层高为4.2m，内外墙厚为240mm，楼板为120mm装配式，基础类型为交叉条形基础，楼层简化平面布置见图1。根据《建筑工程抗震性态设计通则（试用）CECS160：2004》［3］附录 A 查得结构1和结构2所处城市的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，特征周期分区为二区，地震危险性特征分区为Ⅱ区。根据《建筑抗震鉴定标准》（GB50023－2009）［4］第1.0.4条可得结构1和结构2的后续使用年限为40年，为B类建筑；根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223－2008）［5］第4.0.3条和第6.0.8条可得结构1和结构2的抗震设防类别为重点设防类（乙类）。

图1 结构1和结构2楼层平面图Fig.1 Floor plans of the structure 1and structure 2

2 性能目标

我国明确指出性能目标是：“小震不坏、中震可修、大震不倒”三水准［6］。美国的 FEMA 273、SEAOC Vision 2000、ATC 40和日本研究报告也都规定了相应的目标性能，虽然他们所提出的性能目标要比我国的三水准性能目标较为明确，可以按照建筑物的重要性、造价、抗震设防类别、抗震等级、社会影响、震后损失和震后修复难易程度等属性来选择不同水平的性能目标，但性能目标也是有限的三五种情况，设计人员和业主只能被动的选择建筑的抗震性能目标，不能主动地设计建筑的抗震性能目标，限制了性能设计方法的发展，限制了最优化方法在建筑结构中的应用。

要使建筑物的抗震性能目标从离散到连续，并得到量化，就应该将抗震性能水平分解为几大主要影响成分，再将这几大主要影响成分划分为不同的水平，每一个水平相对应一个取值范围，最后将各个主要影响成分的取值加起来就是抗震性能水平的量化分值。建筑的抗震性能水平分值越高，说明抗震性能越差。按照建筑物性能的个人要求和社会属性，可将抗震性能水平分解为以下几大主要影响成分：结构重要性、社会影响、人员伤亡、结构损伤、内部设施损伤、直接经济损失、间接经济损失等。其中结构重要性、社会影响、人员伤亡、结构损伤属于建筑的社会属性；内部设施、直接经济损失、间接经济损失属于建筑的个人要求。

性能水平分值＝结构重要性＋社会影响＋人员伤亡＋结构损伤＋内部设施损伤＋直接经济损失＋间接经济损失＋其它。

结构重要性是结构本身的性质所决定的，与地震水平无关，分为重要、一般和次要三个等级，对应的分值范围分别是8～10、10～12、12～15；社会影响指建筑的破坏对社会造成的政治、经济和舆论等影响，分为轻微、一般和严重三个等级，对应的分值范围分别是5～6、6～8、8～10；人员伤亡可按照地震造成的可接受人员受伤和死亡的情况分为零伤亡、有轻伤、有重伤、有死亡四个等级，对应的分值范围分别是6～7、7～8、8～9、9～10；结构损伤可分为完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和接近倒塌五个等级，对应的分值范围分别是6～8、8～10、10～12、12～13、13～15；内部设施损伤也可分为完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏和无法使用五个等级，对应的分值范围分别是5～6、6～7、7～8、8～9、9～10；直接经济损失按照建筑结构内的装修装饰、电气机械信息技术装备等非结构构件的损坏情况分为零损失、损失轻微、损失中等、损失严重四个等级，对应的分值范围分别是0～4、4～8、8～12、12～15；间接经济损失按照震后该建筑的运作状态也分为零损失、损失轻微破、损失中等、损失严重四个等级，对应的分值范围分别是0～2.5、2.5～5、5～7.5、7.5～10；其他一项考虑具体建筑的特殊性和上述七个成分没有考虑到的其他影响因素，给设计人员和业主留下调整的余地，分值范围是0～15。

将结构1和结构2的性能评价分值代入性能水平分值与层间位移角限值的关系拟合结式（1）中，可得结构1和结构2的性能目标，见表1。

表1 结构1和结构2的性能目标Table 1 Objective performance of structure 1and structure 2

式中：x为性能水平分值；y为层间位移角限值。

3 非地震分析

检测结果表明砌体结构的平均抗压强度为fm＝2.18MPa，变异系数为σ＝0.27，则根据《砌体结构设计规范》（GB50003－2011）［8］可得砌体结构的抗压强度标准值为fk＝1.74MPa，抗压强度设计值为f＝1.08MPa。对结构1和结构2施加楼屋面荷载后进行静态分析，砌体墙体的竖向压应力如图2所示。

由图2（a）可知结构1的墙体竖向压应力最大值为1.18MPa；由图2（b）可知结构2的墙体竖向压应力最大值为1.56MPa。除去个别点的应力集中现象，结构1和结构2的墙体竖向压应力均小于砌体抗压强度设计值，说明在正常使用的情况下能够保证安全性。

图2 结构1和结构2的竖向压应力Fig.2 Zcompressive stress of structure 1and structure 2

4 性能分析

根据最大位移反应结果，分别输入人工波、天津波和迁安波，取一个地震波下结构每一层的3个节点平均值作为反应该楼层位移的代表值［8］，可得结构1和结构2每一个地震波下每一层的层间位移角最大值，分别见表2和表3。

将表2和表3中结构1和结构2的层间位移角最大值与表1结构1和结构2的性能目标相比较。结构1在迁安波作用下的层间位移角最大，其小震层间位移角为1／2814，小于小震性能目标1／1827，满足性能目标要求；其中震层间位移角为1／754，大于中震性能目标1／939，不满足性能目标要求；其大震层间位移角为1／348，大于大震性能目标1／428，不满足性能目标要求。结构2也是在迁安波作用下的层间位移角最大，其小震层间位移角为1／2598，大于小震性能目标1／2626，不满足性能目标要求；中震层间位移角为1／696，大于中震性能目标1／1126，不满足性能目标要求；大震层间位移角为1／321，大于大震性能目标1／357，不满足性能目标要求。

表2 结构1的层间位移角最大值（1／x）Table 2 Maximum story drift angle of structure 1（1／x）

表3 结构2的层间位移角最大值（1／x）Table 3 Maximum story drift angle of structure 2（1／x）

经过比较可得，结构1和结构2都不能满足建筑的抗震性能目标，需要实施加固。

5 结构加固

5.1 方案优化设计

震害调查结果表明，砌体结构的圈梁和构造柱使结构形成一个整体［9］，使结构抗震最行之有效。若原结构没有设置圈梁和构造柱或设置不满足现行规范规程的要求，首选的加固方法是增设圈梁和构造柱，但所增设圈梁和构造柱的截面尺寸有一定的限制，尺寸过大会导致砌体结构传力路径不明确。对原结构增设圈梁和构造柱后如果还不能满足结构抗震性能目标，还应该在增加圈梁和构造柱的基础上根据具体条件选择其他加固方法，使之满足结构抗震性能目标。

方法的优化必须在能够保证结构性能目标的前提下才能进行。保证结构性能目标一方面在于合理的抗震加固设计，很重要一方面还在于施工水平。一个地方基本上形成了已有的两三种加固方法，用这两三种方法加固的结构能够保证施工质量，能够保证结构达到设计所要求的性能目标，而其他方法由于当地不常用，施工质量难以保证，从而使加固设计的性能目标大打折扣。外加钢筋网片水泥砂浆面层加固法是当地最常用的加固方法之一，施工队伍素质水平较高，施工质量能够保证，所以选择的第二种加固方法是外加钢筋网片水泥砂浆面层法［10］。还可以对面层的位置和厚度使用ANSYS的Design Opt模块进一步优化，定义横墙的面层厚度为优化设计的设计变量，定义小震、中震和大震作用下楼层最大层间位移角为优化设计的状态变量，定义面层总厚度为优化设计的目标函数，优化类型选择函数逼进优化方法［11］。经综合考虑后，对结构1和结构2制定的加固方案见表4。

5.2 加固结果分析

结构1加固前后在小震、中震和大震作用下的层间位移角分别见图3（a）和图3（b）。

由图3（a）可以看出结构1在加固之前层间位移角最大值在第4层，由图3（b）可以看出结构1在加固之后层间位移角最大值在第3层，加固后最大位移角楼层位置出现下移现象，结构2也从第4层下移到第3层。

表4 加固方案Table 4 Reinforcement scheme

结构1和结构2加固后与加固前相比较，层间位移角减小的倍数分别见表5和表6。

由表5和表6可得以下结论：

（1）随着楼层位置的降低，加固后与加固前相比较层间位移角减小的倍数也呈降低趋势，上层的层间位移角变化大，下层的层间位移角变化小，说明上层加固效果明显，下层加固效果相对不明显。

图3 加固前后的位移角比较Fig.3 Story drift angles before and after the strengthened

（2）采用增设圈梁和构造柱加固使得层间位移角减小较大，但采用从方案1到方案3加固，层间位移角虽然依次减小，但不是很明显，尤其是结构底部，说明结构有无圈梁和构造柱对抗震性能的影响较大，圈梁和构造柱的截面尺寸对抗震性能的影响较小。

（3）结构1在天津波作用下层间位移角变化最大，结构2在人工波作用下层间位移角变化最大，说明加固效果因地震波不同而不同，采用相同的加固方案，加固效果不同。

（4）结构2迁安波作用下在1层出现了小于1的数，且随着圈梁和构造柱截面尺寸的增加而减小，说明不是只要加固就能改善抗震性能，必须选用合理的加固方案，否则适得其反。

表5 结构1层间位移角之比Table 5 The ratio of story drift angle of structure 1

表6 结构2层间位移角之比Table 6 The ratio of story drift angle of structure 2

6 结语

我国基于性能的抗震设计才刚刚起步，很少应用到既有结构的加固改造中，对既有砌体结构基于性能的抗震加固改造更是寥寥无几。希望这种设计思想能够得到较快地发展，尽早实施适用于设计施工人员的规范规程，提高抗震性能并经济合理，避免汶川地震和雅安地震历史悲剧的重演。

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