裝配整體式預應力板柱結(jié)構(gòu)體系抗震性能評估與加固技術研究

陳 曦

(1 北京市建筑設計研究院有限公司， 北京 100045； 2 清華大學土木工程系， 北京 100084；3 北京市建設工程質(zhì)量第二檢測所有限公司， 北京 100045)

0 引言

裝配整體式預應力板柱結(jié)構(gòu)體系，簡稱IMS結(jié)構(gòu)體系，由南斯拉夫塞爾維亞共和國于20世紀60年代提出，也是我國建設部“八五”科技成果推廣項目之一[1]。IMS結(jié)構(gòu)體系自重輕，樓板采用無梁預應力平板，增大了樓層凈高，該結(jié)構(gòu)體系以后張預應力鋼絲束為拼裝手段，將預制的樓板與柱擠壓形成一個均勻的雙向預應力樓蓋，典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置如圖1所示。

圖1 典型結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置示意圖

IMS結(jié)構(gòu)體系裝配結(jié)構(gòu)機理是以預應力鋼絲束為拼裝手段使板柱擠壓形成摩擦節(jié)點，樓板與框架柱之間的連接主要依靠摩擦力傳遞剪力，雙向預應力布置保證了樓蓋結(jié)構(gòu)的整體性。地震作用下，板柱連接節(jié)點轉(zhuǎn)動產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)角變形，板端下部脫離形成瞬時裂縫，其變形模式見圖2；地震作用后，預應力可使得節(jié)點基本恢復初始狀態(tài)，裂縫自動閉合，具有良好的自復位性能。相對于傳統(tǒng)梁柱框架體系，預應力板柱體系抗側(cè)剛度偏小，在建造多高層建筑時需配置一定數(shù)量的剪力墻。自1976年該結(jié)構(gòu)體系引入我國之后，在北京、沈陽、唐山、成都、石家莊等地進行了推廣，國內(nèi)學者也對其設計機理、節(jié)點性能等進行了研究[2-6]。值得注意的是，該類建筑多在我國20世紀80年代建造，其設計很難滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的設計要求，因此有必要對該類既有建筑進行抗震性能評估并進行針對性的抗震加固。目前，針對該類建筑的抗震加固設計研究較少。

圖2 板柱連接節(jié)點變形模式示意圖

基于上述需求，本文以北京市建筑設計研究院有限公司C座科研樓工程為例，首先開展了該類建筑的抗震性能評估，在此基礎上提出了一種傳統(tǒng)抗震加固手段與消能減震技術相結(jié)合的抗震加固方法，并通過數(shù)值分析驗證該方法的可行性。

1 工程概況

北京市建筑設計研究院有限公司C座科研樓始建于1982年，是我國采用裝配整體式預應力板柱-現(xiàn)澆剪力墻結(jié)構(gòu)體系建造的第一棟高層建筑，建筑總高度42.60m，地下共2層(1層為設備夾層)，其中地下2層、地下1層層高分別為4.2m和2.1m；地上共12層，局部14層，首層層高4.5m，2，3層層高3.9m，4～12層層高3.3m，總建筑面積8 651.90m2，結(jié)構(gòu)模型如圖3(a)所示。標準層結(jié)構(gòu)平面布置如圖3(b)所示，②～④軸/～?軸軸線位置為現(xiàn)澆鋼筋混凝土核心筒，核心筒平面尺寸為12.6m×6.0m。X向剪力墻厚度為200mm，Y向剪力墻厚度為300mm，所有預制柱截面尺寸均為500mm×500mm，樓板(板肋)厚度為300mm。

圖3 C座科研樓結(jié)構(gòu)模型和標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖

結(jié)構(gòu)抗震設防烈度為8度(0.20g)，Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組，場地特征周期為0.30s，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，標準設防類。預制板、預制柱混凝土設計強度均為400#，1～3層核心筒混凝土設計強度為300#，4～12層核心筒混凝土設計強度為250#，以上三種混凝土設計強度對應《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(GB 50010—2010)(2015年版)[7](簡稱混凝土規(guī)范)的混凝土強度標號分別為C38，C28，C23。結(jié)構(gòu)后澆槽內(nèi)設置2～4束預應力鋼絲束，每束由8～20根高強碳素鋼絲構(gòu)成。

2 既有建筑抗震性能評估

2.1 抗震檢測鑒定

根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標準》(GB 50023—2009)[8]要求以及建筑的實際使用需求，確定本工程后續(xù)使用年限為30年，即A類建筑。根據(jù)檢測單位出具的安全性檢測報告，鑒定結(jié)果如下：1)原有構(gòu)件材料強度及配筋情況能夠符合原設計圖紙要求；2)部分鋼筋外露、銹蝕，個別樓板存在開裂問題；3)鋼絲束與內(nèi)部鋼絲均與原設計圖紙相符，懸挑板未發(fā)現(xiàn)上拱或下?lián)希A應力筋束與錨具有浮銹情況，如圖4所示；4)采用應力釋放法對測試層特定位置預應力筋現(xiàn)存應力情況進行檢測，結(jié)果顯示現(xiàn)存預應力有效應力實際為張拉控制應力的60%，理論計算值應為80%，測試值比理論計算值小了20%，結(jié)構(gòu)現(xiàn)存預應力略有不足。

圖4 預應力筋錨具銹蝕照片

建立結(jié)構(gòu)的PKPM模型對其進行抗震驗算，相關驗算指標按框架-核心筒結(jié)構(gòu)取值，抗震驗算結(jié)果如下：1)結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角最大值為1/530，超出《建筑抗震設計規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[9](簡稱抗規(guī))的限值1/800要求；2)首層剪力墻不滿足穩(wěn)定性要求；3)部分剪力墻抗剪配筋不足，未設置邊緣構(gòu)件，較多連梁剪壓比超限；4)結(jié)構(gòu)的剪力與傾覆力矩主要由剪力墻承擔，底層剪力和傾覆力矩占比分別為96.1%和94.4%(表1)。綜合考慮，判定結(jié)構(gòu)抗震性能不滿足要求。

底層剪力、傾覆力矩及相應占比 表1

2.2 罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能評估

2.2.1 有限元模型的建立和地震波的選取

為了進一步明確該結(jié)構(gòu)的抗震性能，采用PERFORM-3D軟件建立了結(jié)構(gòu)三維有限元彈塑性分析模型，如圖5所示。結(jié)構(gòu)基本動力特性見表2，經(jīng)檢驗，PERFORM-3D模型與PKPM模型的基本周期與質(zhì)量誤差均小于5%，表明PERFORM-3D模型具有一定的可靠性，能夠較為真實地反映結(jié)構(gòu)的基本特性。相關研究表明纖維模型具有較好的計算精度和效率[10-11]，可較好地反映結(jié)構(gòu)的非線性行為，本文在此也采用纖維模型模擬結(jié)構(gòu)的各類構(gòu)件?；炷恋膽?應變關系采用Mander模型[12]，考慮損傷和強度退化，在PERFORM-3D軟件中采用五折線模型，鋼筋則根據(jù)混凝土規(guī)范建議的本構(gòu)曲線在軟件中采用三折線模型。值得注意的是，結(jié)構(gòu)是通過預應力鋼絲束使板柱形成摩擦節(jié)點，在地震作用下板柱節(jié)點會產(chǎn)生相對的轉(zhuǎn)角變形，隨著轉(zhuǎn)角變形的增大節(jié)點的剛度會下降，當轉(zhuǎn)角變形增大到一定程度時，板柱之間無法再傳遞彎矩，摩擦節(jié)點也無法再耗能，為了考慮此種情況，本文采用梁單元模擬板肋[13]，并在罕遇地震下采用梁柱鉸接節(jié)點。

圖5 PERFORM-3D有限元模型

結(jié)構(gòu)基本動力特性 表2

選取2條天然地震波和1條人工模擬地震波，其中天然地震波從美國太平洋地震研究中心(PEER)數(shù)據(jù)庫中選取[14]，包括CHY071臺站記錄獲得的Chi-Chi, Taiwan-04地震波(RSN2733波)和Shirley Library臺站記錄獲得的Darfield, New Zealand地震波(RSN6966波)，人工模擬地震波(簡稱RG波)則采用軟件SIMQKE_GR生成[15]。值得注意的是，既有建筑后續(xù)使用年限一般小于新建建筑設計使用年限，仍按新建建筑確定地震作用則過于保守，一般宜根據(jù)其后續(xù)使用年限調(diào)整地震作用。因此，按照《建筑消能減震加固技術規(guī)程》(T/CECS 547—2018)[16]規(guī)定的A類建筑地震反應譜進行地震波的選取以及后續(xù)分析時地震作用的確定，選取地震波時控制地震波反應譜與規(guī)范反應譜在0.9～1.35s范圍內(nèi)上吻合良好，相應地震波的加速度反應譜與規(guī)范反應譜的對比如圖6所示。從圖6中可以看出，在結(jié)構(gòu)基本周期點上(1.344s)，3條地震波加速度反應譜值與規(guī)范反應譜值最大相對誤差小于35%，平均反應譜誤差小于20%。從表3中可以看出，在多遇地震時，3條地震波作用下的基底剪力與規(guī)范反應譜分析所得到的結(jié)構(gòu)基底剪力相對誤差不超過35%，3條地震波分析所得的結(jié)構(gòu)基底剪力平均值與規(guī)范反應譜法計算結(jié)果誤差不超過20%，符合抗規(guī)要求，表明本次選取的3條地震波可以用于后續(xù)的結(jié)構(gòu)抗震性能分析。

圖6 地震波加速度反應譜與規(guī)范反應譜的對比

多遇地震作用下結(jié)構(gòu)基底剪力對比 表3

2.2.2 結(jié)構(gòu)響應

采用上述地震波進行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析，地震波采用水平雙向輸入，加速度幅值之比為1∶0.85，調(diào)整主次方向的地震波幅值分別為按后續(xù)使用年限折減后的340cm/s2和289cm/s2，結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的層間位移角分布如圖7所示。從圖7中可以看出，在罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角1/97，Y向最大層間位移角1/62，均不滿足抗規(guī)對于框架-核心筒結(jié)構(gòu)位移角限值1/100的要求，未能實現(xiàn)現(xiàn)行規(guī)范“大震不倒”的設計目標，抗震性能亟需提升。同時，由于結(jié)構(gòu)響應較大，而預應力檢測結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)的預應力有效應力不足，預應力筋在罕遇地震下有可能被拉斷或剪斷而導致摩擦節(jié)點完全失效，此時摩擦節(jié)點將完全喪失耗能能力，樓板也有可能會整體掉落，結(jié)構(gòu)的豎向安全性得不到保證。

圖7 罕遇地震下結(jié)構(gòu)層間位移角分布圖

以響應最大的RSN6966波為例，罕遇地震下豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應占比如表4所示。從表4可以看出，結(jié)構(gòu)基底剪力依然主要由剪力墻承擔，最大分擔比為96.7%，框架柱在罕遇地震下承擔部分傾覆力矩，最大分擔比約為29.8%。

表4 罕遇地震下豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應占比

2.2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷情況

參考ASCE 41-13[17]的相關規(guī)定對每類構(gòu)件設置立即入住(Immediate Occupancy，簡稱為IO)、生命安全(Life Safety，簡稱為LS)和防止倒塌(Collapse Prevention，簡稱為CP)3個性能目標，通過達到各個性能目標的構(gòu)件個數(shù)來識別構(gòu)件的損傷情況，各條地震波下達到性能目標的構(gòu)件個數(shù)如表5所示。從表5可以看出，結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的部位主要為連梁，其次為剪力墻，框架柱損傷較輕，僅有較少的框架柱在RSN6966波下達到IO性能，核心筒充分發(fā)揮了第一道抗震防線的作用。以結(jié)構(gòu)響應最大的RSN6966波Y向為例，結(jié)構(gòu)共有175個連梁構(gòu)件，分別有42，24，37根連梁構(gòu)件分別達到了IO，LS，CP性能目標，連梁構(gòu)件整體進入塑性的程度較重，耗散了結(jié)構(gòu)的大部分塑性耗能，充分保護了豎向構(gòu)件；結(jié)構(gòu)共有229個剪力墻構(gòu)件，分別有1，8，10片剪力墻構(gòu)件分別達到IO，LS，CP性能目標，剪力墻構(gòu)件的整體塑性損傷程度相對較輕，發(fā)生損傷的構(gòu)件主要集中在底部兩層，但值得注意是底層部分剪力墻構(gòu)件達到了LS和CP性能等級，這對結(jié)構(gòu)而言是不安全的，在后續(xù)加固時應著重考慮增強其抗震性能；有9根框架柱達到了IO性能等級，全部位于首層，框架柱作為結(jié)構(gòu)的第二道抗震防線也耗散了部分的塑性耗能。

達到性能目標的構(gòu)件數(shù)量 表5

通過結(jié)構(gòu)檢測鑒定以及罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的性能評估，對結(jié)構(gòu)的抗震性能做出以下4點鑒定結(jié)論：1)結(jié)構(gòu)整體剛度不滿足國家相關規(guī)范要求；2)構(gòu)件承載能力不滿足國家相關規(guī)范要求；3)結(jié)構(gòu)耗能能力差，罕遇地震作用下摩擦節(jié)點可能失效；4)罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)豎向安全性得不到保證。

3 抗震加固設計

3.1 加固措施

綜合考慮結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及后續(xù)使用年限需求，本次按8度(0.20g)、標準設防類、后續(xù)使用30年進行抗震設計。多遇地震作用時，采用梁柱剛性節(jié)點、按框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行抗震設計；罕遇地震作用時，采用梁柱鉸接節(jié)點、按框架-核心筒結(jié)構(gòu)進行抗震驗算。根據(jù)前述的抗震性能評估結(jié)果，本次加固確定了以下4個基本原則：1)增強結(jié)構(gòu)的整體剛度；2)加強構(gòu)件的承載能力；3)增加體系的耗能能力；4)保證結(jié)構(gòu)的豎向安全性，總體加固目標為“小震不壞，大震不倒”。

結(jié)合加固原則與當前常用的抗震加固技術方法，提出了以增大結(jié)構(gòu)剛度并設置消能減震部件為主的加固手段，以提高結(jié)構(gòu)整體抗震能力為目標的加固技術方案，主要包括以下4種加固手段：

(1)針對結(jié)構(gòu)整體剛度不足、墻體承載能力不足等問題對核心筒周圈剪力墻采用增大截面法加固，如圖8所示。核心筒周圈增設250mm厚鋼筋混凝土面層，有效增強了結(jié)構(gòu)的整體剛度，經(jīng)過驗算，加固后結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的最大彈性層間位移角為1/913，小于規(guī)范限值1/800的要求，可以實現(xiàn)“小震不壞”的加固目標。同時剪力墻的穩(wěn)定性、抗剪能力和連梁剪壓比等指標也能夠滿足規(guī)范要求。以結(jié)構(gòu)主方向(Y向)為例，多遇地震作用下加固前后豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應占比如表6所示。從表6可以看出，增設250mm厚鋼筋混凝土面層后剪力墻承擔的基底剪力與傾覆力矩占比進一步增大，剪力墻的基底剪力占比由95.9%增加到97.5%，傾覆力矩占比由90.6%增加到96.2%。

圖8 標準層核心筒增大截面加固示意圖

表6 加固前后豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應的占比

(2)暗梁下粘鋼加固示意如圖9所示。對由預制板板肋和預應力筋后澆槽組成的復合暗梁進行粘鋼加固，這樣即使預應力筋失效后也能夠保證樓板的整體性。此外，粘鋼加固也能夠提高正常使用極限狀態(tài)下暗梁的抗彎承載能力。

圖9 暗梁下粘鋼加固示意圖

(3)柱頭增設微型防屈曲支撐(Miniature buckling restrained brace，簡稱為MBRB)示意如圖10所示。當前，消能減震技術已廣泛應用于結(jié)構(gòu)抗震加固中[18-20]，為了增強結(jié)構(gòu)的剛度和耗能能力，同時不占用建筑的使用空間，綜合考慮后選擇在各層板柱連接位置處設置MBRB補足體系短板，全樓共使用496個MBRB，MBRB技術參數(shù)如表7所示。多遇地震作用下，MBRB作為普通鋼支撐可為結(jié)構(gòu)提供一定的剛度，并代替鋼筋連接梁柱；罕遇地震作用下，MBRB利用板柱轉(zhuǎn)角的變形屈服進行耗能，增強了結(jié)構(gòu)的耗能能力，解決了罕遇地震作用下摩擦節(jié)點耗能能力不足的問題。

圖10 柱頭增設鋼牛腿及MBRB示意圖

表7 微型防屈曲支撐參數(shù)

(4)針對結(jié)構(gòu)豎向安全性不足的問題，選擇在板柱連接位置增設鋼牛腿，如圖10所示。增設鋼牛腿可防止結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下，預應力筋被拉斷或剪斷，從而造成樓板整體掉落。

3.2 加固后罕遇地震下結(jié)構(gòu)性能評估

為了明確結(jié)構(gòu)加固后的抗震性能，采用PERFORM-3D軟件對結(jié)構(gòu)進行罕遇地震作用下的彈塑性分析，加固后結(jié)構(gòu)三維模型如圖11所示(本次改造在建筑外圍增設了玻璃幕墻并在建筑頂層增加了幕墻骨架)。加固前后結(jié)構(gòu)的基本動力特性如表8所示，從表8可以看出，結(jié)構(gòu)的第1階周期從1.344s減小為0.911s，在增加了墻體厚度并增設了MBRB后，結(jié)構(gòu)的整體剛度明顯增強。采用相同的地震波對結(jié)構(gòu)進行彈塑性分析，評估結(jié)構(gòu)加固后的抗震性能，主要包括層間位移角、結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能狀態(tài)和各構(gòu)件的塑性耗能占比等。

加固前后結(jié)構(gòu)基本動力特性 表8

3.2.1 加固后結(jié)構(gòu)響應

以3條地震波中響應最大的RSN6966波為例，加固前后結(jié)構(gòu)層間位移角分布如圖12所示。從圖12可以看出，加固后結(jié)構(gòu)的層間位移角響應相對加固前顯著減小，結(jié)構(gòu)X向最大位移角由1/97減小為1/136，Y向最大位移角由1/62減小為1/110。加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能明顯提升，滿足“大震不倒”的加固性能目標。同時由于結(jié)構(gòu)層間位移角響應的顯著減小，預應力筋被拉斷或剪斷的概率也隨之減小，進一步增強了結(jié)構(gòu)豎向的安全性。

圖12 RSN6966波加固前后結(jié)構(gòu)層間位移角分布

以地震響應最大的RSN6966波Y向為例，加固前后豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應占比如表9所示。從表9可以看出，加固后剪力墻在罕遇地震下分擔的基底剪力與傾覆力矩占比進一步增大，剪力墻的基底剪力占比由95.6%增加到96.3%，傾覆力矩占比由70.2%增加到73.8%。加固后框架柱仍然會承擔部分的傾覆力矩，最大占比大約為26.2%。

罕遇地震下加固前后豎向構(gòu)件基底剪力、傾覆力矩及相應占比 表9

3.2.2 加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷情況

加固后地震作用下各性能等級構(gòu)件個數(shù)如表10所示。以響應最大的RSN6966波Y向為例，從表10可以看出，連梁仍然是主要發(fā)生損傷的構(gòu)件，但與加固前相比損傷程度減小，達到LS，CP性能等級的連梁個數(shù)分別從24和37減小為19和22，達到IO性能等級的連梁個數(shù)反而增大，這主要是由于結(jié)構(gòu)響應減小，部分加固前LS和CP性能等級的構(gòu)件轉(zhuǎn)變?yōu)镮O等級。剪力墻構(gòu)件加固后達到LS和CP性能等級的個數(shù)為0，損傷程度顯著減小，這表明對于剪力墻的加固措施起到了較好的效果，充分增強了豎向關鍵構(gòu)件的安全性；加固后框架柱達到IO性能等級的個數(shù)由9減小為1，框架柱的損傷程度進一步減小。從整體來看，加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件在罕遇地震作用下的損傷程度明顯減小，結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了顯著改善。

加固后各性能等級構(gòu)件數(shù)量 表10

3.2.3 構(gòu)件塑性耗能占比

結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷程度與結(jié)構(gòu)的塑性滯回耗能密切相關，同時為了明確MBRB的耗能效果，以響應最大的RSN6966波Y向為例，提取了各構(gòu)件塑性耗能占比和9層某MBRB的滯回曲線，如圖13所示。從圖13中可以看出，連梁作為主要的耗能構(gòu)件耗散了大部分的塑性耗能，剪力墻和框架柱的塑性耗能幾乎相當，這表明雖然框架柱損傷較輕，但已經(jīng)分擔了部分地震作用并開始屈服耗能，發(fā)揮了二道抗震防線的作用。MBRB耗散了約10.22%的塑性耗能，單個MBRB滯回曲線飽滿，顯著地增強了結(jié)構(gòu)的耗能能力，解決了摩擦節(jié)點在罕遇地震作用下耗能能力差的問題，對結(jié)構(gòu)起到了一定的保護作用。

圖13 RSN6966波Y向構(gòu)件塑性耗能占比與MBRB滯回曲線

綜合抗震驗算以及彈塑性分析結(jié)果，工程采用4種加固手段顯著提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能，實現(xiàn)了預先設定的“小震不壞，大震不倒”的加固目標。

4 結(jié)論

(1)評估結(jié)果表明，20世紀80年代初期建造的裝配整體式預應力板柱結(jié)構(gòu)體系加固前整體剛度不足、構(gòu)件承載力不足、耗能能力差、罕遇地震下結(jié)構(gòu)豎向安全性得不到保證。

(2)核心筒周圈剪力墻增設了250mm厚鋼筋混凝土加強層，有效增大了結(jié)構(gòu)剛度，解決了整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足、承載力驗算不滿足規(guī)范要求的問題。

(3)柱頭增設微型防屈曲支撐，可以增強整體結(jié)構(gòu)的剛度和耗能性能，罕遇地震下塑性耗能占比達到了10.22%，形成了良好的耗能機制，增強了結(jié)構(gòu)延性，解決了板柱摩擦節(jié)點耗能不足的問題。

(4)板柱連接節(jié)點增設鋼牛腿，可以解決罕遇地震下樓板防跌落問題，有效地保證結(jié)構(gòu)的豎向安全性；暗梁粘鋼加固可在預應力筋失效時，保證樓蓋結(jié)構(gòu)的整體性和承載力。

(5)采用傳統(tǒng)抗震和消能減震技術相結(jié)合的加固方法后，結(jié)構(gòu)罕遇地震下最大彈塑性層間位移角減小為1/110，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷顯著減小，實現(xiàn)了“大震不倒”的結(jié)構(gòu)加固目標。