基于PKPM的框架結(jié)構(gòu)加固前后的抗震性能分析

趙世宇

摘要：在我國結(jié)構(gòu)設(shè)計行業(yè)中，PKPM系列軟件的日常使用率高達90%以上，其涵蓋了眾多工程領(lǐng)域，包括建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)計，工程計量以及工程計價，本文通過PKPM系列CAD系統(tǒng)軟件對加固后的結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬，通過實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)構(gòu)在加固前后的滯回曲線，結(jié)果表明：PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的具有現(xiàn)實可行性和廣泛適用性。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)加固;數(shù)值模擬;PKPM軟件;滯回曲線

近些年來，關(guān)于結(jié)構(gòu)加固的理論、技術(shù)以及方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域得到了蓬勃發(fā)展，關(guān)于建筑物的加固和改造，已經(jīng)逐漸成為了從事結(jié)構(gòu)工程專業(yè)人士的重點研究對象[1、2]，更是眾多科研人員進行專項研究的一個分支學(xué)科，本文利用PKPM系列軟件對一榀鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了抗震分析數(shù)值模擬，通過分析，各項參數(shù)均符合規(guī)范的要求，最后對加固后的結(jié)構(gòu)進行了時程分析[3]，計算結(jié)果均大于規(guī)范要求的0.8，通過數(shù)值模擬結(jié)果證明，PKPM系列軟件在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域的具有現(xiàn)實可行性和廣泛適用性。

1.數(shù)值模擬模型的建立

1.1 PKPM系列軟件在房屋抗震檢測鑒定的適用范圍[5]

對房屋的抗震能力進行檢測在當(dāng)今社會發(fā)展的如火如荼，這種方法主要適用于抗震能力或等級不符合抗震規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)，包括如下幾種結(jié)構(gòu)：

1）改變原設(shè)計結(jié)構(gòu)或改變房屋用途;

2）續(xù)建工程（含爛尾樓工程）;

3）災(zāi)后建筑檢測鑒定（如火災(zāi)、地震、水災(zāi)、泥石流）;

4）其他需要進行抗震設(shè)防，以及出具抗震鑒定報告

1.2 結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定方法[4]

在對建筑物進行抗震鑒定時，需要嚴格按照相關(guān)鑒定標(biāo)準的要求進行堅定，對建筑物結(jié)構(gòu)進行階梯式鑒定，評價方法一般分為兩級。

根據(jù)建筑物壽命周期的長短差異，通常用兩種不同級別的方法來進行鑒定，根據(jù)建筑物的不同類型，所注重的定性觀察和定量描述的點不相同。

第一級鑒定，在宏觀方向上對結(jié)構(gòu)進行綜合考量，包括結(jié)構(gòu)的平、立、側(cè)面是否規(guī)整，質(zhì)量、剛度是否達標(biāo);材料強度是否符合強度理論;

第二級鑒定，結(jié)合抗震驗算對結(jié)構(gòu)進行綜合評價，可表示為：

S≤ψ1ψ2R ? ? ?（1.1）

ψ1——抗震鑒定的整體構(gòu)造影響系數(shù)（體系影響系數(shù)）

ψ2——抗震鑒定的局部構(gòu)造影響系數(shù)（局部影響系數(shù)）

在上述的兩級鑒定方法當(dāng)中，充分地體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)抗震能力的重要性，有機地將構(gòu)造要求和承載力要求緊密地銜接。

2.基于PKPM結(jié)構(gòu)加固前后結(jié)構(gòu)的抗震性能對比

2.1 框架的滯回曲線

滯回曲線是指當(dāng)結(jié)構(gòu)受到一個重復(fù)且持續(xù)的力作用時得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[5]，它所反映的是結(jié)構(gòu)在受到力的作用時，發(fā)生形變的情況以及對能量的抵消能力，在通常情況下，結(jié)構(gòu)的該曲線有4種形狀[6]，結(jié)構(gòu)在加固前的的滯回曲線如圖2.1所示，加固后的結(jié)構(gòu)的滯回曲線如圖2.2所示。

從整體上來看，當(dāng)構(gòu)件被加固后，具有更強的消耗地震荷載的能力，構(gòu)件與加固材料協(xié)同工作，提高了抗震性能。

在圖2.1和圖2.2的對比中可以看出，開始加載荷載時，兩組構(gòu)件在卸荷前后滯回曲線大致相同，當(dāng)持續(xù)增加荷載時，尤其是當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋達到屈服以后，改為控制應(yīng)變加載，通過兩圖對比，可以得出如下結(jié)論：隨著應(yīng)變增加，斜率變化幅度逐步變小，在變形后期，當(dāng)繼續(xù)增加荷載時，結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)損壞的跡象，此時圖像出現(xiàn)了收縮趨勢，圖像的飽滿度不斷增加。

2.2 骨架曲線的比較

根據(jù)試驗的實測值，加固前后框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線如圖3.3所示，

在兩次低周反復(fù)加載作用下，通過對比分析這些結(jié)果可以得出：

（1）骨架曲線呈直線狀態(tài)，此時構(gòu)件處于彈性階段，剛度不隨時間變化而發(fā)生變化，當(dāng)構(gòu)建發(fā)生開裂之后，骨架曲線出現(xiàn)了第一個轉(zhuǎn)折點，隨后曲線的斜率減小，與之前的彈性階段相比較，剛度減小，當(dāng)卸荷時已有殘余應(yīng)變，此時構(gòu)件處于彈塑性階段，當(dāng)構(gòu)件中的鋼筋達到屈服以后，將變量從力變更為位移，可以從曲線中看出，斜率是持續(xù)變小的，這說明，構(gòu)件的剛度在下降，位移增長加快，而荷載增長的速度減慢，構(gòu)件出現(xiàn)了越來越大的殘余應(yīng)變，此時構(gòu)件處于塑性強化階段。

（2）由骨架曲線可以看出，本實驗中的結(jié)構(gòu)在加固后，承載力提高至原結(jié)構(gòu)的四倍。這是因為對已有框架結(jié)構(gòu)中損傷的節(jié)點及梁、柱進行了加固，選擇的加固方法合理，使得加固效果顯著。加固后框架結(jié)構(gòu)中的節(jié)點和梁、柱充分發(fā)揮了作用，從而增加了框架的整體穩(wěn)定性。

（3）本文中的實驗對象在加固前后，其延性得到了1.7倍的提升。

2.3 延性與變形的比較

任何材料都具有延性屬性，這種屬性并不會因為外因而發(fā)生改變，它是材料在破壞前發(fā)生變形的能力，由于材料的這種特性，使得其在達到自身極限荷載的作用時，不會發(fā)生脆性斷裂，而是仍能繼續(xù)吸收一定量的能量，正式因為延性，使得結(jié)構(gòu)不至于立即發(fā)生坍塌破壞。

在對表3.2所示的數(shù)值進行比較和分析后，可以得出以下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)數(shù)值得到了明顯增加，在得到加固以后為12.89，而再加固前只有9.79，高了1.32倍。由此看出，加固后框架結(jié)構(gòu)的延性指標(biāo)得到了提高。

（2）結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)在加固前后均符合相關(guān)規(guī)范的標(biāo)準;

2.5 強度和剛度退化的比較

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到外力作用以后，便會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一種抵抗破壞的力量，這種力量的極限程度稱為結(jié)構(gòu)的強度，如果超過了結(jié)構(gòu)的極限程度，物體就會出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。

應(yīng)力與應(yīng)變的比值稱為結(jié)構(gòu)的剛度，它是指結(jié)構(gòu)變形后恢復(fù)原狀的能力，與結(jié)構(gòu)的強度不同，剛度不僅取決于材料本身，還受到一系列的外界因素的影響。

通常，結(jié)構(gòu)的破壞不是瞬時的，而是損傷累積的結(jié)果，結(jié)構(gòu)剛度的退化是表征結(jié)構(gòu)動力性能的重要特種之一，一般來講，我們常用以下幾種方法來定義結(jié)構(gòu)剛度的退化。

（1）當(dāng)施加荷載的次數(shù)不斷增加，尤其是當(dāng)次數(shù)接近其最大數(shù)值時，構(gòu)件的剛度開始減小;

（2）在控制應(yīng)力的條件下與施加荷載次數(shù)呈正相關(guān);

（3）在控制應(yīng)變的條件下與施加荷載次數(shù)呈負相關(guān)。

在加固后框架經(jīng)歷二次反復(fù)循環(huán)加載后，由環(huán)線剛度所得出的剛度退化曲線對比如圖3.4所示，通過以上對比可以看出：

（1）在荷載的作用下，由于損傷和鋼筋的積累，初始剛度明顯高于初始框架。當(dāng)達到屈服點時，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度的下降速度要慢于原有框架。當(dāng)達到峰值負荷點時，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的承載力和剛度比原來的框架下降得更快。

（2）加固前后框架正負的兩個加載方向上，它們的剛度退化曲線都有不對稱的現(xiàn)象，這是由于試驗時鋼材的包辛格效應(yīng)、混凝土材料的不均勻性以及加載裝置的不對稱性等所導(dǎo)致的;

（3）通過對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與原框架剛度退化曲線的比較，隨著應(yīng)力和應(yīng)變的增加，其剛度與應(yīng)力和應(yīng)變的變化呈負相關(guān)的變化趨勢。在此過程中，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的剛度退化曲線相對平緩，說明選擇正確的加固方法可以使受損的框架結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。

2.6耗能能力的比較

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到來自地震荷載產(chǎn)生的能量作用時，其內(nèi)部會對接收到的能量產(chǎn)生消耗效應(yīng)，這種效應(yīng)成為結(jié)構(gòu)的耗能耗能能力[7]，在一般情況下，耗能能力的大小，我們可以用滯回曲線所圍成面積的大小來進行定量衡量。在每個循環(huán)的低循環(huán)重復(fù)加載下，能量耗散是一個循環(huán)過程，因此，在地震過程中，能耗是評價結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，通常，我們用粘滯阻尼系數(shù)來進行定性描述，在本實驗中，結(jié)構(gòu)加固前后的耗能對比如圖3.5所示。

在試驗加載過程中，加固后框架的等效粘滯阻尼系數(shù)比原框架有所增長，其增長幅度約為21%;在耗能曲線對比圖中，加固后框架的耗能能量值明顯高于原框架結(jié)構(gòu)，耗能值增加了約2.4倍，表明加固后框架的耗能能力明顯優(yōu)于原框架。

結(jié)語

本文對一榀加固后的兩跨三層已重度損傷的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)利用PKPM系列軟件對加固后的結(jié)構(gòu)進行了抗震性能的鑒定，然后對試驗現(xiàn)象加以描述，最后對實驗得到的數(shù)據(jù)進行了詳細的分析，并與原框架試驗數(shù)據(jù)進行對比，得到如下結(jié)論：

（1）加固后的結(jié)構(gòu)與原框架試驗相比，該加固框架的承載力提高了37%，滯后曲線更加豐滿。

（2）分別利用PKPM系列軟件中的SATWE和鑒定的加固模塊對加固結(jié)構(gòu)進行了抗震性能評價和分析。計算了地震力、各振動類型的基礎(chǔ)剪切力和地震作用下的剪切率、各層的結(jié)構(gòu)剪切強度比、傾角和垂直剪切、地位移和彈性變形角。將計算結(jié)果與《抗震設(shè)計規(guī)范》、《高層設(shè)計規(guī)范》相比較，均符合規(guī)范要求。

（3）利用時程分析法計算結(jié)構(gòu)的底部剪力和最大位移，計算結(jié)果分別符合《抗震設(shè)計規(guī)范》、《高層設(shè)計規(guī)范》的要求。

參考文獻

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