基于结构性能化的近现代建筑抗震加固设计方法与流程

本发明属于土木工程抗震加固技术领域，涉及用于提高近现代建筑的整体抗震性能。

背景技术：

近现代建筑由于其设计年代的局限性，往往不能满足目前的抗震设防目标。由于受到保护的限制，近现代建筑加固方式受到制约，且年代久远，材料性能离散性大，强度等级低。近现代建筑设计理论与现行规范差距较大，抗震构造、构件承载力、综合抗震能力指数、结构变形通常不能满足规范要求。若采用常规加固方式逐个构件进行加固，加固量大、工期长且对建筑破坏大。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出一种基于结构性能化的近现代建筑抗震加固设计方法，该方法能够解决提高近现代建筑混凝土框架结构整体抗震性能，避免对近现代建筑干预过大、可逆。

原结构混凝土强度较低且梁负弯矩区通常未配置相应纵筋、未设置箍筋加密区，在地震作用下，梁端易开裂出铰，并且耗能能力较弱。考虑梁端出铰，原结构仅承担结构自重，新增壁式粘弹性阻尼器与周边框架形成的消能子结构承担水平地震力。通过控制不同破坏状态下最大位移角来控制结构的抗震性能目标：小震下新增壁式粘弹性阻尼器后可以满足最大位移角1/550(完好状态)、设防烈度地震下满足最大位移角1/350(轻微损坏状态)、罕遇地震作用下满足最大位移角1/120(中等破坏状态)，给出壁式粘弹性阻尼器粘弹性体厚度的控制工况。给出相应的减震率、能量耗散、附加阻尼比等，得出经济、可靠的结构方案。

为了实现上述技术目的，本发明技术方案如下：

一种基于结构性能化的近现代建筑抗震加固设计方法，包括以下几个步骤：

步骤一：确定trc阻尼器的位置，使得增设trc阻尼器对建筑平面形成闭合、完整、均匀的抗侧力体系，确保水平力能够顺利传递给阻尼器；

步骤二：选定trc阻尼器粘弹性体面积、计算trc阻尼器的等效刚度及等效阻尼系数；

步骤三：选用一条地震波进行弹性时程分析，给出不同破坏状态下混凝土框架结构最大位移角控制目标，通过最大位移角控制目标得出最小粘弹性体面积；

步骤四：由最小粘弹性体面积计算出剪力减震率、模态阻尼耗能、trc阻尼器耗能及trc阻尼器附加给结构的有效阻尼比技术参数；

步骤五：对消能子结构中梁柱构件进行外包钢加固。

步骤一中，根据建筑平面功能设计条件，确定trc阻尼器的位置，trc阻尼器布置后，使混凝土框架结构在两个主轴方向的动力特效相近且宜设置在变形较大、重力荷载代表值较大的位置。

步骤二中，所述trc阻尼器的等效刚度系数keq及等效阻尼系数ceq分别通过下式进行计算：

其中，

k1、k2为trc阻尼器非线性四单元模型参数的等效刚度系数；

c1、c2为trc阻尼器非线性四单元模型参数的等效阻尼系数；

ω为角速度；

eqk2、eqck2为k2恢复力弹簧的bi-liner曲线相关参数。

所述步骤三中，不同破坏状态下，最大位移角控制目标的计算公式如下：

其中，θ1、θ2、θ3分别为增设trc阻尼器后小震、设防烈度地震、罕遇地震作用下结构最大侧移角响应；s为trc阻尼器粘弹性体的面积；

trc阻尼器粘弹性最小面积的计算公式如下：

所述步骤四与步骤五之间还包括：在预期的性能目标下，复核trc阻尼器的最大剪力及剪应变步骤。

构件设计时不考虑混凝土作用，外包钢按格构式钢构件进行设计，其内力按罕遇地震作用标准值效应且不考虑与抗震等级有关的调整系数。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明对近现代建筑提供了一种基于结构性能化的抗震加固设计方法，可显著提高建筑的整体抗震性能；

2.避免对建筑所有构件逐个进行加固，具有最小干预、可逆、经济性的优点；

3.允许框架梁端出铰，地震力由壁式粘弹性阻尼器及周边框架形成消能子结构承担，力传递路径清晰可靠；

4.通过控制不同破坏状态下最大位移角来控制结构的抗震性能目标，得出壁式粘弹性阻尼器最小粘弹性面积，优化设计成果；

5.采用壁式粘弹性阻尼器加固历史建筑，其布置灵活，安装方便，安装后不需要繁琐的维护和修复，自我恢复能力强。

附图说明

图1是基于结构性能化的近现代建筑抗震加固设计方法的流程图；

图2是计算案例的trc阻尼器布置简图，主轴指x轴和y轴；

图3是trc阻尼器与梁柱组成的消能子结构；

其中，1、梁外包钢加固；2、柱外包钢加固；3、4、trc阻尼器；

图4是trc阻尼器与楼层梁连接节点；

其中，5、6、连接板；7、梁底受力角钢；8、trc阻尼器；9、螺杆；10、箍板；11、扁钢；

图5是不考虑混凝土作用梁柱外包钢格构式做法；

其中，12、梁底受力角钢；13、螺杆；14、柱受力角钢；15、缀板；16扁钢；

图6是实际案例中不同破坏状态最大位移角与粘弹性体面积的关系；

图7是实际案例中基底剪力与粘弹性体面积的关系；

图8是实际案例中剪力减震率与粘弹性体面积的关系；

图9是实际案例中能量耗散与粘弹性体面积的关系；

图10为非线性四单元模型；

图11为kelvin-voigt模型。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做进一步说明。

步骤一：根据建筑平面功能设计条件，确定trc阻尼器的位置，使得增设trc阻尼器对建筑平面形成闭合、完整、均匀的抗侧力体系，确保水平力能够顺利传递给阻尼器。trc阻尼器布置宜使结构在两个主轴方向的动力特效相近且宜设置在变形较大的位置，并有利于提高整体结构的消能抗震能力。

步骤二：计算trc阻尼器的等效刚度及等效阻尼系数。trc阻尼器恢复力模型通常为非线性四单元模型(见图10)，其中k1、k2、c1、c2与粘弹性体的面积、厚度及剪应变有关。该模型由于反复迭代计算量大、耗时久，通常将其等效为kelvin-voigt模型(见图11)。其等效刚度keq及等效阻尼ceq为：

其中，ω为角速度；eqk2、eqck2为k2恢复力弹簧的bi-liner曲线相关参数。粘弹性体厚度一定的情况下，trc阻尼器等效刚度及等效阻尼系数仅与粘弹性体的面积有关，且随着粘弹性体面积增大而增大。

步骤三：选用一条地震波进行弹性时程分析，给出不同破坏状态最大位移角控制目标。

其中，θ1、θ2、θ3分别为增设trc阻尼器后小震、设防烈度地震、罕遇地震作用下结构最大侧移角响应；s为trc阻尼器粘弹性体的面积。

即小震下，粘弹性体面积需达到多少，结构最大位移角可控制在1/550以内(完好状态)；设防烈度地震作用下，粘弹性体面积需达到多少，结构最大位移角可控制在1/350以内(轻微损坏状态)；罕遇地震作用下，粘弹性体面积需达到多少，结构最大位移角可控制在1/120以内(中等破坏状态)，得出最小粘弹性面积，即trc阻尼器最经济的型号。

步骤四：由最小粘弹性体面积得出剪力减震率、模态阻尼耗能、trc阻尼器耗能及trc阻尼器附加给结构的有效阻尼比等相关技术参数。在预期的性能目标下，复核trc阻尼器的最大剪力及剪应变。

步骤五：消能子结构设计，trc阻尼器与周边框架形成结构消能子结构(见图3)，为保证trc阻尼器能够发挥作用，消能子结构中梁柱构件应具有更高的抗震性能。为提高与阻尼器连接构件承载力，对其进行外包钢加固(图5)。构件设计时不考虑混凝土作用，外包钢按格构式钢构件进行设计，其内力按罕遇地震作用标准值效应且不考虑与抗震等级有关的调整系数。罕遇地震作用下，trc阻尼器与楼层梁相连的预埋件、节点板应处于弹性工作状态(见图4)，且不应出现滑移或拔出等破坏。

下面结合某项目实际案例验证本发明方法：南京某剧场建筑建于1936年，地下局部1层，地上4层，设有夹层，中间观众厅为空旷房屋。建筑分为前厅、观众厅、舞台、休息厅及耳房，建筑面积7576.2m2，为全国重点文物保护单位。建筑主屋面高度为18.7m，舞台屋顶梁跨度17.1m，台口梁跨度14.6m，楼座内组合桁架跨度33.1m，楼座挑梁悬挑尺寸近6m，主体结构采用钢筋混凝土框架结构。工程抗震设防烈度7度，场地类别iii类，抗震设防类别乙类，后续使用年限30年(a类建筑)。根据鉴定报告：原结构梁柱未设置箍筋加密区、混凝土强度等级较低(小于c18)、混凝土露筋、涨裂、钢筋锈蚀严重、结构体型不规则，安全性鉴定评级为csu。小震下结构计算配筋表明，框架梁负弯矩区需配筋一定量钢筋，经现场抽查梁未配置相应的钢筋；部分框架柱配筋不足。结构抗震验算表明，多数梁柱不满足抗震要求，且抗震构造、构件承载力、综合抗震能力指数、结构变形均不满足规范要求。对于剧场建筑，各区域功能划分较为明确，可设置阻尼器位置较为固定。结合建筑平面功能，增设trc阻尼器对舞台、观众厅、前厅形成闭合、完整、均匀的抗侧力体系(见图2)。求出不同阻尼器的等效刚度及等效阻尼系数，见表1。

表120℃，1hz时阻尼器基本性能参数

注：粘弹性体厚度均为10mm厚。

原主体结构梁端出铰后，结构自振周期明显增大，结构刚度退化明显；增设trc阻尼器后，结构刚度明显提高(见表2)。

表2梁端出铰后模态对比

图6给出本工程不同破坏状态最大位移角与trc粘弹性体面积的关系：小震下，粘弹性体面积需达到0.4㎡，结构最大位移角可控制在1/550以内(完好状态)；设防烈度地震作用下，粘弹性体面积需达到1.1㎡，结构最大位移角可控制在1/350以内，轻微损坏状态；罕遇地震作用下，粘弹性体面积需达到0.8㎡，结构最大位移角可控制在1/120以内，中等破坏状态。因此，选用trc1900c或trc2600c可满足预期目标。

图7给出基底力与粘弹性体面积的关系：增设阻尼器后，结构基底剪力随着粘弹性体面积增大而减小。梁端出铰后，基底剪力进一步减小，但基底剪力在粘弹性体面积为0.8㎡时最小，最小剪力为1600kn，随后继续增大。

表3给出了梁端出铰前后楼层剪力：梁端出铰后结构刚度变小，楼层剪力变小，增设阻尼器后，楼层剪力进一步减小，但结构刚度基本与原结构梁端未出铰一致，说明原结构刚度退化的部分由trc附加刚度补充，消能子结构能够有效的承担水平地震力。

表3剪力对比

图8给出基剪力减震率与粘弹性体面积的关系：增设阻尼器后，结构剪力减震率最大为0.42，梁端出铰后剪力减震率最大为0.37，说明增大粘弹性面积不能无限制的提高减震率。

表4能量耗散及附加有效阻尼比

表4及图9给出了梁端出铰前后模态阻尼耗能、trc阻尼器耗能与粘弹性体面积的关系：随着粘弹性体面积的增大，模态阻尼耗能减小，阻尼器耗能增大，trc阻尼器附加给结构的有效阻尼比增大。梁端出铰后，模态阻尼耗能相比同类型阻尼器减小，阻尼器耗能增大，阻尼器附加有效阻尼比进一步增大，附加有效阻尼比最大值为0.242。