452 第 41 卷 1 钢筋混凝土结构的钢支撑加固方法概述在既有建筑中增加钢支撑, 使结构从纯混凝土框架结构变为混凝土 钢支撑结构. 框架 钢支撑体系是有效的 经济的和常用的钢结构抗侧力结构体系, 它的作用与钢筋混凝土结构中的框架 剪力墙结构体系基本类似, 均属于共同工作结构体系. 这种结构在水平

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1 第 41 卷第 4 期 2013 年 8 月 JournalofFuzhouUniversity(NaturalScienceEdition) Vol.41No.4 Aug.2013 DOI: /isn 文章编号 : (2013) 钢支撑加固既有钢筋混凝土结构的方法概述 杨勋 1, 杨沈 2 1, 韩淼 (1. 北京建筑大学土木与交通工程学院, 北京 ;2. 中国建筑科学研究院工程抗震研究所, 北京 ) 摘要 : 主要介绍目前建筑结构常用的钢支撑加固方法, 并对各种方法的概念 适用范围等进行归纳. 总结几种方法在建筑结构加固领域的优势和不足, 确保钢支撑与混凝土框架结构之间的可靠连接, 是实现钢支撑有效加固钢筋混凝土框架的关键所在. 最后介绍国内外对钢支撑加固领域的研究进展和现状, 并对加固方法的选择提出一些建议. 关键词 : 钢支撑 ; 抗侧刚度 ; 钢筋混凝土结构 ; 加固方法中图分类号 :TU746.3 文献标识码 :A Measuresandanalysisofsteelbracesreinforcinginexistingreinforcedconcretestructure YANGXun 1,YANGShen 2,HANMiao 1 (1.ColegeofCivilandTransportationEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture, Beijing100044,China;2.InstituteofEarthquakeEngineering,CABR,Beijing100013,China) Abstract:Thisesaymainlyintroducesthemeasuresofsteelbracesreinforcinginbuildingstructure. Itsummarizesaseriesofconceptswhicharerelatedtothemeasuresandthescopeforapplyingthem. Thisesayalsosumsuptheabove-mentionedseveralmethods advantagesanddisadvantagesinthe fieldofbuildingstructurereinforcement,ensuringthereliableconnectionbetweensteelbracesandthe reinforcedconcreteframestructureisthekeytotherealizationthatsteelbracescanstrengththerein forcedconcreteframeefectively.atlast,italsopresentsthecurentdevelopmentoftheresearchand presentsituationonsteelbracesreinforcingathomeandabroad,andsomeadvicesaregivenonthe choiceofreinforcingmethod. Keywords:steelbraces;lateralstifnes;reinforcedconcretestructure;strengtheningmethod 0 引言我国是地震多发的国家, 每年都要经受多次大地震的影响, 保证建筑结构的抗震能力越来越受到国家和社会的重视. 结构自身因地震灾害受到损伤或功能改变时要提高其承载能力, 此时结构需要进行加固. 加固方法多是从提高结构的有效受力面积出发 ( 如加大载面法 ) 来减小截面的应力, 或者直接改变结构的受力体系和增大刚度 ( 如钢支撑加固法 托梁换柱加固法等 ) 从而减小结构的位移 [1]. 结构加固的目标主要包括 : 提高结构构件的承载力或延性 ; 增大结构构件的刚度以减小荷载作用下的变形 位移. 混凝土结构加固方法较多, 通常采用的有增大截面法 置换混凝土加固法 外粘型钢 ( 钢板 ) 加固法 钢支撑加固法等. 传统的加固方法主要是通过加强主体结构的强度和刚度来抵抗地震作用, 但这类方法在增加刚度的同时会使结构的延性大大减小, 受到地震作用后对结构的破坏就会加大. 钢支撑加固方法在增大结构刚度同时, 由于钢支撑杆件本身的延性性能, 使得结构的延性并没有过多的削弱. 增设钢支撑来增强结构抗震能力的方法在实际工程中的应用前景广阔, 不仅可以用于新建建筑物, 还可以用于已建建筑物的抗震加固改造. 加固方法的选择对于建筑加固后的性能具有重要的影响. 本研究主要介绍几种现有钢支撑加固方法, 并对其进行比较, 为工程人员选择一种投资小 加固后性能可靠的方法提供参考. 收稿日期 : 通讯作者 : 杨沈 (1964-), 研究员, ysthomas@sohu.com 基金项目 : 国家科技支撑课题资助项目 (2009BAJ28B04)

2 452 第 41 卷 1 钢筋混凝土结构的钢支撑加固方法概述在既有建筑中增加钢支撑, 使结构从纯混凝土框架结构变为混凝土 钢支撑结构. 框架 钢支撑体系是有效的 经济的和常用的钢结构抗侧力结构体系, 它的作用与钢筋混凝土结构中的框架 剪力墙结构体系基本类似, 均属于共同工作结构体系. 这种结构在水平荷载作用下, 通过原结构和钢支撑的变形协调, 形成双重抗侧力体系. 支撑结构的水平刚度在正反向水平作用下退化较大, 抗侧能力也因此降低 [2]. 根据既有建筑结构特点选择合适的支撑设置, 可采用中心支撑框架 (CBF) 偏心支撑框架 (EBF) 消能支撑框架 (BRB) 或框架外支撑框架 [3]. 不同的支撑布置因素会产生不同的加固效果, 包括布置的数量 布置的位置和支撑杆件截面 ( 比如单槽钢 单角钢 双角钢 双槽钢 H 形钢 箱型截面钢等 ) 的选择. 1.1 中心支撑框架 1) 概念. 钢支撑杆件的两端与混凝土框架梁柱节点连接, 或一端连接于梁柱节点处, 另一端与其它支撑杆件相交, 即钢支撑杆件的轴线与梁柱节点的轴线交于一点. 支撑杆件刚度较大, 并不耗能, 仅以提供附加刚度来改变地震力的分配, 解决部分框架抗震承载力不足和层间位移较大的问题. 中心支撑包括单斜杆中心支撑, 十字交叉中心支撑, 人字形中心支撑等. 2) 适用范围. 适用于抗震设防等级较低的地区, 以及主要由风荷载控制侧移的多 高层建筑物, 在地震区应用时应慎重考虑. 3) 难点. 中心钢支撑杆件的布置容易受门窗及管道布置部位的限制 ; 框架节点本身受力 构造复杂, 在地震作用下, 水平力通过支撑杆直接作用在框架节点, 产生的剪力可能引起节点处柱端或梁端的开裂和破坏 ; 在水平荷载作用下, 中心支撑杆件由于长细比的设置不合理容易产生屈曲, 造成建筑结构抗侧刚度急剧下降, 降低加固的效果. 4) 设计要求. 当原混凝土框架结构节点承载力不足时, 应先对节点进行加固 ; 设置应不影响检测和计算原框架结构节点部位的材料强度设计值和承载力 ; 选择合适的钢支撑杆截面, 防止杆件过早发生屈曲破坏 ; 为使支撑杆件具有一定的耗能能力, 支撑杆件应满足长细比的要求. 1.2 偏心支撑框架 1) 概念. 支撑斜杆与梁 柱的轴线不是交于一点, 而是偏心连接, 并在支撑与支撑之间形成 耗能 梁段. 偏心支撑包括人字形偏心支撑, 八字形偏心支撑, 单斜杆偏心支撑等. 2) 适用范围. 适用于抗震设防等级较高的地区或安全等级要求较高的多 高层建筑. 3) 难点. 耗能梁段受力机理较复杂, 同时承受拉弯剪复合作用, 容易产生破坏 ; 该种加固法是以梁破坏为代价, 可修复性不好 ; 耗能梁段与原框架结构的连接是否可靠, 直接影响到力的传递, 从而影响其耗能能力的发挥. 4) 设计要求. 当原混凝土框架结构节点承载力不足时, 应先对节点进行加固 ; 在消能梁段达到其屈服承载力时, 支撑斜杆应处于弹性受力状态 ; 支撑连接需要的承载力应与支撑需要的承载力相同, 不需要考虑大于支撑受拉屈服承载力, 因为支撑是在其弹性受力状态时设计的, 但在支撑设计时应保守一点, 支撑应有屈曲能力, 其连接应具有需要的轴向受压承载力 [4]. 1.3 消能支撑框架 1) 概念. 在框架柱间增设消能支撑, 以吸收和耗散地震能量来减小地震反应. 利用金属材料良好的滞回耗能特性, 在受拉与受压时均能达到屈服而不发生弯曲. 它主要由钢支撑内芯 外包约束构件以及两者之间所设置的无粘结材料或间隙三部分组成. 2) 适用范围. 适用于抗震设防等级较高的地区或安全等级要求较高 水平位移较明显的多 高层建筑 [5], 适应性强. 3) 难点. 耗能支撑内钢筋混凝土的箍筋配置较少或对端部的构造处理不当, 其可能会较早开裂, 减弱外包部分对核心钢支撑的约束作用, 影响耗能支撑的受力性能 ; 钢支撑与混凝土框架结构节点的连接能力直接影响钢支撑耗能性能的发挥. 4) 设计要求. 当原混凝土框架结构节点承载力不足时, 应先对节点进行加固 ; 通过合理的计算进行钢

3 第 4 期 杨勋, 等 : 钢支撑加固既有钢筋混凝土结构的方法概述 453 支撑内的配筋 ; 消能支撑宜设置在框架变形较大的位置处, 在消能支撑发挥最大耗能能力时, 消能支撑与主体结构之间的连接组件应在弹性范围内工作, 避免整体或局部失稳. 1.4 框架外支撑框架 1) 概念. 在原框架结构边框外加设与之平行的钢框架, 用后锚固件将两者连接牢固, 钢筋混凝土框架结构受到的水平地震作用, 通过框架节点 后锚固件传递到外接钢支撑, 钢支撑利用其耗能能力来减小水平地震作用力. 框架外钢支撑加固具有布置灵活方便 使用功能不中断 施工周期短 空间占有少, 对建筑物的功能影响较小等优点. 2) 适用范围. 适用于抗震设防等级较高的地区 安全等级要求较高或需要大幅度提高承载力和抗震能力的建筑加固. 3) 难点. 外接钢支撑与梁柱节点相连接处构造复杂, 后锚固件同时承受弯矩 剪力作用, 受力机理复杂 ; 原结构边框与外加钢框架的连接对加固的效果有很大的影响, 连接性能受很多因素 ( 如施工质量 环境条件等 ) 的影响. 4) 设计要求. 当原框架结构节点承载力不足时, 应先对节点进行加固 ; 锚筋应有足够的锚固深度, 避 [6-7] 免锚筋发生浅锥体破坏, 后锚固件的设计应符合相关规范的要求. 中心支撑刚度较大, 但支撑受压容易屈曲, 进而降低原结构承载能力. 偏心支撑框架结构中所形成的耗能梁段, 利用耗能梁端的变形和破坏抵抗水平荷载的作用. 消能支撑框架结构的消能装置可以有效地耗散地震能量, 且消能装置破坏后易于维修和替换. 框架外加固中的外加钢框架通过后锚固件与原结构节点相连, 大大增加了框架的整体刚度, 共同抵抗水平荷载的作用. 这四种加固方法会对与支撑相连的梁柱及节点部位的内力产生影响, 其中节点由于受到支撑轴力的冲切作用而受到附加的剪力, 当支撑设置过于强大时, 其附加剪力不能忽视, 需仔细计算节点的抗剪承载力. 2 钢支撑加固方法的研究进展 以上介绍的钢支撑加固方法中, 有的在国际上已经有了深入的研究和广泛的应用, 有的只是在少数国家中得到应用. 钢支撑加固体系以其优越的抗震性能受到国内外众多研究人员的关注. 无论从理论分析上, 还是从试验研究上, 钢支撑加固体系已有了长足的发展. 2.1 国外的研究进展 中心钢支撑框架结构体系在双重抗侧力体系中的研究开展相对于其他三种钢支撑加固体系较早. 国外在上世纪 30 年代就将偏心支撑应用到抗风结构中, 由于偏心支撑框架兼顾了抗弯框架和中心支撑框架的优点, 因此其在近 20 年来发展较快, 并在世界各地广泛应用. 20 世纪 80 年代, 作为美日地震工程合作项目的一部分, 两国工程人员在日本对一个六层的中心支撑钢框架进行了振动台试验. 文献 [8] 中试验结果表明, 结构在强震作用下均具有良好的抗震性能. [9] TemelTuerker 等对四个采用不同钢支撑布置方式的三层钢建筑模型进行一系列的环境振动测试, 并对各配置的效果进行了评价. 研究表明, 通过增加钢支撑可以大大提高钢结构建筑的刚度, 提高的程度受到钢支撑布置方式的影响 年,EdoardoMMarino [10] 对人字形中心支撑钢框架结构进行分析设计. 通过分析发现人字形中心支撑长细比的选取对钢框架结构的支撑延性 支撑屈曲后强度以及整个框架结构体系的耗能能力都产生了一定程度上的影响. [11] AlesandroZona 等认为设置有 BRB 的钢框架建筑的后弹性刚度低, 因为钢支撑有限的屈服后刚度. 通过研究获得最大抗震能力的降低和设计的支撑过于强大之间的关系. [12] MAYousef 等采用试验来评估支撑钢筋混凝土结构的有效性, 对弯曲框架和支撑框架体系进行两个循环荷载试验, 认为一个合理的钢支撑框架设计方法包含支撑杆件和混凝土框架的连接. 试验结果表明, 钢斜撑框架能够抵挡较大的横向荷载, 并且提供了足够的延性. 随着对钢支撑加固钢筋混凝土框架结构研究的深入, 钢支撑与既有钢筋混凝土结构的连接形式成为 [13] 新的研究重点.MisatoNishiyama 等提出了一种新形式的连接方式, 叫做 混合连接, 由高强灌浆 钢

4 454 第 41 卷 板和高强度螺栓组成. 并对 I 型和 I 型两种基本连接模式进行了试验验证. 2.2 国内的研究发展 我国对钢支撑在建筑加固方面的研究要晚于一些国家, 并且在这一领域的应用也较少, 但这种钢支撑加固作为新型抗侧力体系逐渐被我国工程界所接受, 进行该领域的研究也多起来. [14] 韩雪等采用弹塑性时程分析方法, 对北京某大空间食堂结构进行了抗震性能评估, 研究了采用消能无粘结钢支撑加固后结构的抗震性能. 分析表明, 增设无粘结钢支撑可显著降低框架结构的最大层间位移, 控制结构的塑性损伤, 提高抗震性能. [15] 2000 年, 何若全提出将框架 支撑结构体系分为总框架和总支撑两个子体系. 总框架具有剪切结构的变形特征, 而总支撑具有弯曲悬臂杆的变形特征. 通过框架与支撑的变形协调, 对这一体系的计算可以转化为对其子结构 总支撑的计算. 总支撑结构只需要计算柱的轴向变形, 且以弯曲变形为主. [16-17] 连尉安等认为规范中关于中心支撑框架结构体系中框架抗剪承载能力的人为调整对弹塑性 弹性阶段的地震影响的描述不太妥切, 提出通过利用双重抗侧力体系在罕遇地震下的反应特性进行模拟分析, 得出较合理的方案. 结果表明, 影响这一体系深入开展的两大难题一是模拟钢支撑滞回行为的复杂性, 二是对钢支撑疲劳损伤研究的不足 ; 应针对中心支撑结构体系中支撑设计方法的不足, 从总耗能角度寻求延性中心支撑体系中支撑的合理设计方法. [18] 2000 年, 卞若宁提出了一种适用于模型架 支撑钢结构的抗震设计新思路, 并应用到多 高层框架 支撑钢结构抗震初步设计中. 该论文着重分析了弯剪变形为主的模型架 支撑钢结构, 在多遇地震作用下的合理刚度. 首先讨论了单层结构体系在多遇地震作用下的合理刚度的确定, 然后通过一种计算模型对模型架 支撑钢结构进行简化计算, 得到其层间力的分布. [19] 吴永河为揭示后加交叉钢支撑对混凝土框架结构的影响规律, 使用结构软件建立模型, 对加钢支撑后混凝土框架结构的周期 刚度及梁柱内力进行了定量分析. 分析表明, 后加钢支撑承担了很大一部分的水平剪力, 由于后加交叉中心钢支撑提高了结构的抗侧力刚度, 因此原结构后加支撑方向的振动周期及扭转振型的周期也受到了影响. [20] 范苏榕提出了两种钢支撑加固钢筋混凝土框架的连接处理构造, 即外包钢支撑连接方法和钢内框钢支撑连接方法, 并通过试验对两种连接处理构造措施的加固性能进行了分析. 试验证明两种连接处理措施加固的钢筋混凝土框架均是钢支撑先发生压曲, 符合 强节点 强柱弱梁 弱支撑 的原则, 钢内框钢支撑抗震加固的钢筋混凝土框架的耗能能力较强, 骨架曲线的下降段较为平缓, 刚度退化缓慢. [21] 董锡同对普通混凝土框架和钢支撑加固震损框架进行了静力低周反复荷载试验, 并且对两个试验模型的破坏机制 刚度退化 滞回曲线等抗震性能指标进行了对比分析. 分析表明, 钢支撑大大提高了结构的抗震性能, 在支撑屈服之前滞回环饱满, 耗能能力强, 支撑屈服后滞回环变得狭长, 框架结构的刚度下降较快. 因此钢支撑加固能够形成多道抗震防线. 我国 建筑抗震设计规范 (GB ) [22] 第一次将消能减震技术和隔震技术作为一个章节, 经过约 10 年的应用实践, 现行 建筑抗震设计规范 (GB ) [23] 对原来消能减震技术的相关条款进行了修改. 可见, 消能减震技术的应用必将成为我国结构抗震领域的一个发展趋势. [24] 吴永河等通过对钢筋混凝土框架结构及在其上后加钢支撑的结构模型的静力非线性分析, 表明在罕遇地震作用下, 后加倒 V 形钢支撑改变了钢筋混凝土框架结构的出铰机制, 较好地提高了结构的抗震性能, 对防止结构在罕遇地震作用下连续倒塌具有重要的意义. [25] 唐代远等提出了一个基于 18 参数的钢支撑滞回模型, 并且对一个钢支撑加固的钢筋混凝土框架结构教学楼进行推覆分析和基于动力增量分析的倒塌易损性分析. 分析表明支撑在地震中起到耗能 提高承载力 ( 有利因素 ) 和增大结构刚度及柱子轴力 ( 不利因素 ) 两个方面的影响.A 形支撑方案较 X 形支撑的加固更加有利, 因为 A 形支撑的首次支撑力不会传到最薄弱的首层柱. 国内外研究现状表明, 对中心支撑 偏心支撑和耗能支撑加固的理论已经有了较为深入的研究, 并制定了相关规范. 对框架外接钢支撑加固的研究相对较少, 相关规定还没有出台. 随着对钢支撑加固领域研究的深入, 相关规范会逐渐得到完善.

5 第 4 期 杨勋, 等 : 钢支撑加固既有钢筋混凝土结构的方法概述 结语 采用钢支撑加固既有钢筋混凝土结构方法, 具有抗侧移刚度大 震后容易修复 施工工期短和对原建筑使用影响较小等优点. 结构的主要构件 ( 梁 柱 ) 在钢支撑的保护下即使遇到罕遇地震荷载作用也不容易损伤. 但钢支撑加固体系复杂的受力状态 弹塑性分析 钢支撑与原结构连接的可靠性是阻碍其推广及应用的重要因素. 比如在外接钢支撑加固混凝土框架的研究中, 外接钢支撑通过后锚固件与既有结构相连, 但国内外对后锚固件的研究主要集中在静力方面, 研究内容包括粘结机理 粘结滑移特征 破坏形态 承载力等几个方面, 试验方式也主要是单向拉拔, 对其在实际梁柱节点上的抗弯剪承载力研究较少. 各种钢支撑加固方法都有其适用范围, 在对建筑进行加固时, 需要根据建筑的具体情况 ( 承载力 刚度 裂缝等 ) 工程造价 施工难易程度等方面进行综合考虑, 选择合适的加固方法. 对于改建建筑, 必须充分了解原设计的年代及当时的规范要求, 在改建工程实施前必须由具有资质的单位对改建建筑进行抗震鉴定, 对改建后的整体结构进行仔细的分析和研究 [26]. 参考文献 : [1] 董海波, 董海涛. 加固施工技术与建筑结构检测 [J]. 中国新技术新产品,2009(17):153. [2] 梁剑. 框架 跨层跨柱 K 形中心支撑结构性能分析 [D]. 重庆 : 西南交通大学,2009. [3] 管克俭, 王新武, 彭少民. 偏心支撑钢框架耗能特性和简化分析 [J]. 武汉理工大学学报,2002,24(12): [4] 於昌荣. 钢结构斜隅支撑体系的抗震性能分析 [D]. 上海 : 上海交通大学,2005. [5] 张磊. 消能支撑布置的位置对高层建筑结构动力响应的影响 [D]. 兰州 : 兰州理工大学,2007. [6]JGJ 混凝土结构后锚固技术规程 [S]. [7]GB 混凝土结构加固设计规范 [S]. [8]FouthDA,GoelSC,RoederCW.Seismictestingofful 一 scalesteelbuilding-parti[j].journalofstructuralengineer ing,1987,113(11): [9]TuerkerT,BayraktarA.Experimentalandnumericalinvestigationofbraceconfigurationefectsonsteelstructures[J].Journal ofconstructionalsteelresearch,2011,67(5): [10]MarionEM,NakashimaM.Seismicperformanceandnewdesignprocedureforchevron bracedframes[j].earthquakeengi neeringandstructuraldynamics,2006,35: [11]ZonaA,RagniL,Dal AstaA.Sensitivity-basedstudyoftheinfluenceofbraceover-strengthdistributionsontheseismic responseofsteelframeswithbrbs[j].engineeringstructures,2012(7): [12]YousefM A,GhafarzadehH,NehdiM,etal.SeismicperformanceofRCframeswithconcentricinternalsteelbracing[J]. EngineeringStructures,2007,29(7): [13]NishiyamaM,JavadiP,MaedaK,etal.ExperimentalinvestigationsofRCframesretrofitedbysteelbracedframesusinganew hybridconnection[c]//performance,protectionandstrengtheningofstructuresunderextremeloading,2011: [14] 韩雪, 薛彦涛, 佟道林. 无粘结钢支撑加固大空间结构的弹塑性地震反应分析 [C]// 第十一届高层建筑抗震技术交流会论文集,2007: [15] 何若全, 卞若宁. 框架 支撑钢结构在水平地震作用下的层间变形 [J]. 苏州城建环保学院学报,2000,13(3): [16] 张耀春, 连尉安, 张文元. 焊接工字形截面钢支撑低周疲劳性能试验研究 [J]. 建筑结构学报,2005,26(6): [17] 张耀春, 连尉安. 钢支撑及框架 中心支撑双重抗侧力体系研究现状 不足及改进 [J]. 地震工程及工程振动,2005, 25(2): [18] 卞若宁. 框架一支撑钢结构在多遇地震作用下弹性阶段的合理刚度 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨建筑大学,2000. [19] 吴永河, 李胜强, 习会峰, 等. 后加交叉钢支撑对 RC 框架结构的影响研究 [J]. 结构工程师,2011,8(4): [20] 范苏榕. 钢支撑加固钢筋混凝土框架结构的试验研究 [D]. 南京 : 南京工业大学,2002. [21] 董锡同. 钢支撑加固震损钢筋混凝土框架抗震性能试验研究 [D]. 青岛 : 山东科技大学,2012. [22]GB 建筑抗震设计规范 [S]. [23]GB 建筑抗震设计规范 [S]. [24] 吴永河, 习会峰, 穆建春, 等. 倒 V 形钢支撑加固 RC 框架的 PUSHOVER 分析 [J]. 西安建筑科技大学学报 : 自然科学版,2013,45(1):5-9. [25] 唐代远, 陆新征, 马玉虎, 等. 钢支撑滞回模型及防倒塌加固效果分析 [J]. 工程抗震与加固改造,2011,33(4): [26] 廖君, 程才渊. 钢支撑加固某钢筋混凝土框架结构研究 [J]. 佳木斯大学学报 : 自然科学版,2011,29(6): ( 责任编辑 : 沈芸 )

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