外附空腹桁架和BRB框架加固RC框架结构抗震性能研究

发布时间：2020-05-07 22:08

【摘要】：多层钢筋混凝土(RC)框架结构以其平面布置灵活、造价低等优点在世界各地的工业、民用以及公共建筑中获得了广泛应用。但是,它也存在抗侧刚度低、抗震防线少,容易倒塌等缺点。历次大地震中均发现,RC框架几乎未出现设计规范要求的“强柱弱梁”破坏机制,最严重的震害是底层或底部几层柱端出铰(层间屈服机制),产生较大残余变形甚至倒塌,震后不得不拆除,造成巨额生命财产损失。2008年汶川地震后,我国及时地修订了《建筑抗震鉴定标准》和《建筑抗震加固技术规程》;2010版抗震规范从多方面加强了结构的抗震设计要求;2015年修订了《中国地震动参数区划图》,取消了不设防区,并提升了很多地区的抗震设防烈度;2016年抗震规范局部修订版中又大幅度地提高了“二阶段设计”的地震作用。这一系列举措意味着大量按旧规范设计的建筑结构,不能满足新规范和抗震鉴定标准的要求,需要抗震鉴定和加固才能继续使用。RC框架的常规抗震加固方法主要有增设抗震墙、翼墙、支撑等。这些方法固然有助于提高RC框架的抗震性能,但是普遍需要在室内施工,带来一系列弊端,诸如空间狭小,施工操作困难,噪音、粉尘、建材搬运、拆除等严重损害了使用环境,同时与加固部位有关的装饰面层、门窗及墙的拆除复原等将造成资源浪费,而新增构件可能影响原结构空间的利用和建筑的使用功能。实践表明上述弊端和昂贵的加固修复费用往往是阻碍抗震加固技术推广应用的两个主要原因。显然业主更乐于接受不影响正常使用、工期短、加固费用低的抗震加固技术。已在日本研究和应用比较成熟的外附子结构(钢支撑、摇摆墙、框架、斜拉柱等)加固法,因施工作业只在建筑物外部进行,又具有显著的经济效益而受到越来越多的关注,“不入户加固”已成为日本抗震加固技术的最主要发展趋势。基于上述背景,本文将外附耗能子结构与预制装配式技术相结合,提出一种新型的抗震加固方法,即采用外附空腹桁架和BRB框架加固结构。在框架纵向外附空腹桁架,同时在结构边榀横向框架的中跨外贴BRB支撑框架。该加固技术所用子结构可在工厂预制装配,用锚栓和粘结材料与既有RC框架连接,可避免室内作业、绿色环保、施工周期短,符合建筑工业化的发展方向。为了解外附空腹桁架和BRB支撑框架加固技术的抗震性能,本文利用SAP2000建立RC框架以及加固结构模型,通过非线性动力时程分析和Pushover分析得到结构的最大层间位移角、层间剪力、结构位移、层间位移集中系数、塑性铰分布等数据,从X方向(纵向)、Y方向(横向)分析多遇和罕遇地震作用下外附子结构刚度、耗能钢梁腹板开孔对结构耗能及加固效果的影响。本文研究内容和主要结论如下:1.介绍了外附空腹桁架加固RC框架有限元模型的建立、相关单元设计参数的确定方法。建立参数不同的6个加固结构模型以及既有结构模型;从SAP2000数据库中选择4条天然地震波及拟合2条人工地震波;对加固结构和既有结构进行非线性动力时程分析和Pushover分析,得到结构的最大层间位移角、结构位移、层间剪力和塑性铰分布等数据。2.多遇地震作用下,未加固结构的X向、Y向层间位移角最大值均达到0.002左右,未加固结构的X向、Y向结构位移最大值达到27mm以上,加固结构的位移明显减小。不同参数加固结构在Y向的层间剪力差值很小,X向层间剪力差值较大。结果说明:外附空腹桁架和BRB框架加固结构在抵御Y方向地震作用时,主要依靠横向外贴BRB支撑框架的弹性刚度。改变纵向加固方式对结构Y方向层间剪力和位移的影响非常小,但对结构X向层间剪力和位移的影响较大;加固结构与既有结构在两个方向的位移和层间剪力差值均随着层数的增加而减小。对于X向位移控制,采用外附空腹桁架加固要明显好于外附柱构件加固;耗能钢梁相同时,空腹桁架中的型钢混凝土柱的抗侧刚度越大,控制效果越好。外贴BRB支撑框架加固在位移控制方面优于外附空腹桁架加固,但层间剪力更大。3.罕遇地震作用下,未加固结构的X向、Y向层间位移角最大值达到0.01以上,加固结构的位移有所减小,层间位移角更为均匀,且层间剪力有所增加。未加固结构的X向、Y向顶点位移最大值达到131mm以上,加固结构位移减幅最大超过50%。相对于多遇地震作用,罕遇地震作用下加固结构与既有结构的位移差值明显增大,层间剪力差值明显减小,且加固结构与既有结构的位移和层间剪力差值随着层数的增加而减小。改变纵向子结构的型钢混凝土柱尺寸参数等对结构Y方向层间剪力和位移的影响非常小,但对结构X向的层间剪力和位移响应影响显著。加固结构的X向位移降低效果与空腹桁架的型钢混凝土柱抗侧刚度有关,增加空腹桁架型钢混凝土柱的抗剪刚度更利于开孔钢梁进入剪切屈服阶段;空腹桁架抗剪刚度越大,减幅效果越明显。4.层间位移集中系数DCF随刚度系数?的增大而减小,且减幅逐渐降低;KG-3和KG-5的层间位移集中系数较为理想,平均值分别为1.32、1.25。当空腹桁架抗侧刚度达到一定程度时,外附空腹桁架加固结构可以实现预期塑性铰分布,且空腹桁架型钢混凝土柱抗侧刚度越大,耗能钢梁的耗能效果越明显。采用外贴含BRB框架加固时,沿竖向均布合理刚度的BRB支撑可以实现良好的塑性铰分布;若沿竖向布置变刚度BRB支撑需注意加固结构可能发生薄弱层转移,BRB支撑刚度需要进行设计。
【学位授予单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU375.4;TU352.11

【参考文献】