王 伟

(广州中的建筑有限公司,广东 广州 510000)

摇摆墙体外加固中小学校框架结构抗震性能分析

王 伟

(广州中的建筑有限公司,广东 广州 510000)

采用外加摇摆墙的体外加固方法加固一个不满足抗震要求的四层中小学框架结构，通过对不同加固方案的加固结构进行弹性和弹塑性地震反应分析，研究地震作用下不同加固方案对结构的抗震性能影响，分析结果表明，外加摇摆墙可使原结构各楼层的位移角趋于均匀化，增设摇摆墙之后结构的塑性铰状态相对减缓。

框架结构，摇摆墙，体外加固，抗震性能

0 引言

体外加固方法就是通过子结构和原结构之间的协同工作，提高结构的整体抗震性能。同时体外加固在加固施工期间可以不中断建筑的正常使用[1，2]。结构的损伤机制可分为“集中型”和“整体型”[3]。钢筋混凝土框架结构在地震中容易出现由柱端出铰而导致的层屈服破坏现象，这在历次地震中屡见不鲜。层屈服破坏是一种“集中型”破坏模式，不能充分发挥结构的整体耗能能力。由于楼板和梁以及填充墙与框架柱之间的相互作用，规范规定的“强柱弱梁”的破坏模式难以实现[4]。本文采用外加摇摆墙的体外加固方法对结构进行加固，改变结构体系，使结构具有多重抗震防线，从而提高整个结构抗震性能[5]。

近年来国外开展了一系列的摇摆墙结构体系方面的研究，摇摆墙结构体系常与预应力技术和耗能技术相结合，提高结构的自复位能力和耗能能力，而我国对于摇摆墙的研究尚处于初步阶段[6]。本文采用外加摇摆墙的体外加固方法加固一个不满足抗震要求的四层中小学框架结构架结构，并对加固前后的抗震性能进行分析。分析内容包括：各榀框架底部剪力分配情况、层间位移角以及加固前后结构的屈服机制。

1 方案设计

1.1 原模型主要参数

原模型为四层框架教学楼，总长为44 000 mm，建筑总高度为12 500 mm。首层层高为3 500 mm，其余层层高均为3 000 mm。混凝土强度等级：柱C30、梁板C25。主要构件截面尺寸：柱400 mm×400 mm，梁200 mm×600 mm。原模型按照抗震设防烈度为7度进行设计，加固后抗震设防烈度按照7.5度进行校验。原模型结构平面图如图1所示。

1.2 加固模型参数设置

原结构纵横两个方向根据加设摇摆墙宽度的不同共有三种加固方式。外加摇摆墙部分混凝土强度等级为C30，厚度为200 mm。加固方案如表1和图2所示。利用SAP2000建立结构模型，摇摆墙采用杆单元模拟，与基础接触位置采用铰接，摇摆墙与框架之间采用刚性杆连接。

表1 各模型加固方案表 mm

2 小震下结构的整体性能

采用反应谱分析方法对小震作用下结构进行弹性分析，计算在7.5度烈度地震作用下，在加固前后结构所受地震力、地震力分配情况以及结构层间位移角变化情况进行对比分析。

2.1 结构振动特性以及地震作用力对比情况

表2描述结构前三阶振型及周期。加固前后结构第一周期变化幅度不大。所以结构所受总的地震力增幅也将不会太大。而由于摇摆墙底部是铰接，不受弯矩，墙体本身不会被破坏，对基础的抗弯承载力需求小。表3给出了加固前后各模型地震剪力。纵向地震力增幅20%左右，横向地震力增幅30%。

表2 各模型前三阶振型及周期

表3 各模型地震作用力对比

图3给出了不同加固模式下各榀框架所分配的地震剪力。可以看出各榀框架所分配的地震剪力均有所减小，其中与摇摆墙相连的各榀框架降幅较大，尤其是端榀框架。摇摆墙越宽，降幅越明显。综上所述，原有结构在采用摇摆墙进行加固后，结构所受的总的地震剪力会有所增加，但原有各榀框架部分所受的地震剪力均有一定幅度下降。

2.2 楼层位移和位移角的对比分析

结构层间位移角的对比如图4所示，可以看出：结构未加固之前，第二层是结构薄弱层，其层间位移角为1/400，不满足规范的要求。在加固之后，结构底部两层层间位移角均有较大幅度的减小，而顶层层间位移角有增大，结构各楼层位移角趋于统一，结构呈现出“摇摆性”。从模型KJ，KJA，KJC层间位移角的变化情况来看，摇摆墙的宽度的大小影响摇摆行为。从图4a)纵向层间位移角可以看出，模型KJC底两层位移角减小幅度较KJA大，顶层层间位移角增大幅度也比KJA模型大。图4b)横向层间位移角也呈现同样的规律。这归结于摇摆墙作为一个整体关键性构件的特点，通过摇摆墙自身刚度来调节原有结构变形模式，使结构各层变形趋向于均匀，不致于由于层破坏而导致结构整体破坏。

3 结构屈服机制分析

为考察结构加固前后在大震作用下的破坏情况，采用SAP2000对结构进行pushover分析，建模时梁端指定为弯曲(M3)铰，柱端指定P-M2-M3铰，采用振型加载模式。

建筑物遭受地震后破坏程度分为正常使用(Operational)、可立即使用(Immediate Occupancy，IO)、生命安全(Life Safty，LS)和避免倒塌(Collapse Prevention，CP)4个等级[7]。不同性能极限状态表示如图5所示，横坐标为转角，纵坐标为弯矩。正常使用相当于小震弹性阶段，基本运行相当于“中震不屈服”阶段[8]。生命安全接近倒塌阶段，结构已明显进入弹塑性阶段。

图6是框架结构基于7.5度罕遇地震作用下的塑性铰发展情况。从图6a)纵向框架塑性铰情况来看，原始结构(KJ)塑性铰主要出现在第一层和第二层，其中原始模型KJ底层梁柱出现大量塑性铰，发展也相对激烈。从图6c)在增设摇摆墙之后结构塑性铰分布也就比较均匀，没有集中出现在某一层。图6b)描述结构增设摇摆墙前后横向塑性铰情况。原结构(KJ)塑性铰主要分布在底下三层，且原结构在柱端塑性铰发展程度相对较严重。在增设摇摆墙之后(图6d))，结构各层铰分布相对比较均匀。模型KJA第四层梁端塑性铰达到IO-LF状态。从以上分析可以看出，外加摇摆墙对于减缓柱端塑性铰的出现有良好的效果。原结构第一层梁已经处于“中震屈服阶段”，局部处于倒塌阶段，增设摇摆墙后，框架梁柱大部分均处于可以立即使用阶段。

4 结语

1)采用摇摆墙进行加固，结构原有部分所受地震力均有一定幅度下降;

2)原有结构加设摇摆墙之后，各层位移趋向于均匀，避免出现层屈服机制，提高结构的整体耗能能力;

3)增设摇摆墙之后，框架柱塑性铰明显推迟，梁端塑性铰也处于经济可修复状态;

4)采用摇摆墙对结构进行加固具有可行性。

[1] 曲 哲,叶列平.附加子结构抗震加固方法及其在日本的应用[J].建筑结构，2010,40(5):55-58.

[2] BSL 2004， The Building Standard Law of Japan[S].

[3] 曲 哲.摇摆墙—框架结构抗震损伤机制控制及设计方法研究[D].北京：清华大学，2010.

[4] 叶列平,曲 哲,马千里,等.从汶川地震框架结构震害谈“强柱弱梁”屈服机制的实现[J].建筑结构,2008,38(11):52-67.

[5] 叶列平.体系能力设计法与基于性态/位移抗震设计[J].建筑结构,2010，34(6):10-14.

[6] Marriott D S, Pampanin D B, Palermo A.Dyanmic Testing of Precast, Post-Tensioned Rocking Wall Systems with Alternative Dissipating Solutions. Bulletin of The New Zealand Society for Earthquake Engineering,2008，41(2):90-103.

[7] 黄 超,季 静,韩小雷,等.基于性能的既有钢筋混凝土建筑结构抗震评估与加固技术研究[J].地震工程与工程振动,2007,27(5):72-79.

[8] 张 胜,甘 明,纪 青,等.基于结构位移性能的合肥游泳馆抗震设计[J].建筑结构,2006，36(6):48-51.

On seismic performance analysis of swaying wall external consolidation of middle and primary school frame structures

Wang Wei

(GuangzhouZDArchitecturalDesignInstitute,Guangzhou510000,China)

The paper adopts the external swaying wall consolidation for the four-storey middle and primary frame structure failing to meet the seismic requirements, researches the influence of various consolidation schemes for the seismic performance of the structure under the effect of earthquake by analysis the elastic and elastic-plastic earthquakes of the consolidated structure with various consolidation schemes, and proves by the analysis result that the external sway wall can make displacement angles of floors homogenized, and the plastic hinge model after the addition of the swaying wall is relatively relieved.

frame structure, swaying wall, external consolidation, seismic performance

1009-6825(2015)02-0034-03

2014-11-06

王 伟(1987- ),男，硕士

TU352

A