既有建筑减震加固韧性提升案例

本文介绍采用位移型阻尼器BRB进行减震加固的案例，并进一步采用SAUSG-RES软件进行建筑抗震韧性评价，验证韧性提升效果。

1 工程概况

某加固改造项目如图1所示，建筑平面外形呈矩形，为地上6层的钢筋混凝土框架结构，平立面布置较规则。原设计使用用途为办公，拟将一层～三层改造为幼儿园，四层～六层仍为办公楼。

（a）1层平面图

（b）三维轴测图

图1 某加固改造项目

抗震设防烈度为8度（0.20g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.4s。原抗震设防类别为标准设防类（丙类建筑），改造后一层～三层为幼儿园，抗震设防类别为重点设防类（乙类建筑）。《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223-2008）的规定：重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施。框架柱原抗震等级为二级，改造后一层～三层框架柱抗震等级应为一级。受使用功能限制，直接增加一层～三层框架柱箍筋难度较大，本文尝试采用减震方案，从降低结构延性需求的角度来降低构造要求。

2 加固方案

在一层～六层X向、Y向两边跨布置防屈曲支撑，共48根，如图2所示。一层～三层防屈曲支撑初始刚度为1×10 ⁵ kN/m，屈服力为600kN，屈服后刚度比为0.1 。四层～六层防屈曲支撑初始刚度为1×10 ⁵ kN/m，屈服力为400kN，屈服后刚度比为0.1 。

图2 加固方案

按照地震动主方向反应谱在前三周期点与规范反应谱接近的原则，选取一组有代表性的人工模拟地震动加速度时程曲线（本文仅选取一组地震动作为示例，实际加固方案要按规范要求选取多组地震动）。考虑双向地震作用，设X向为主方向，主方向峰值加速度为400 cm/s ² ，主方向峰值加速度与次方向峰值加速度比值为1:0.85。进行非线性动力时程分析，层间位移角如图3所示。

图3 加固后层间位移角

可见，布置防屈曲支撑后，X向弹塑性层间位移角为1/187，Y向弹塑性层间位移角为1/158，小于4.0△u=4.0*1/550=1/137，按《消能减震加固技术规程》（T/CECS 547-2018）第 6.3.6条规定“罕遇地震下最大层间位移角为2.0△u～4.0△u时，B、C类钢筋结构混凝土房屋可按常规设计的有关规定降低一度且不低于6度采用，A类钢筋结构混凝土房屋应按A类房屋构造措施采用”，构造措施可降低一度，即采用现有构造措施即可满足要求。

3 韧性评价

按照地震动主方向反应谱在前三周期点与规范反应谱接近的原则，选取1组人工模拟加速度时程曲线和29组实际强震记录进行加固前模型和加固后模型设防烈度下的非线性动力时程分析。选取1组人工模拟地震动，是因为人工模拟地震动反应谱与规范反应谱接近，分析得到的构件损伤状态具有代表性，可作为讨论构件损伤状态的示例工况。考虑双向地震作用，设X向为主方向，主方向峰值加速度为400 cm/s ² ，主方向峰值加速度与次方向峰值加速度比值为1:0.85。进行8度罕遇地震作用下的韧性评价。

（1）构件性能评价

以人工模拟地震动为例，查看加固前和加固后的构件性能水平如图4示，统计梁、柱各性能水平构件数量如表1所示。

（a）加固前

（b）加固后

图4 加固前后构件性能对比

表1 加固前后构件性能对比

可见，加固后，设防烈度8度罕遇地震作用下，防屈曲支撑都进入了屈服阶段，很好地保护了主体结构，梁、柱损坏程度大大减轻，结构总体性能大幅改善。

（2）韧性评价

根据加固前和加固后30组地震动作用下结构构件损伤状态，按《建筑抗震韧性评价标准》（GB /T 38591-2020）统计结构构件修复费用及修复时间，如图5所示。由于人员伤亡率较低，暂不统计。可见：在30组地震动作用下，加固后修复费用、修复时间均比加固前小；且修复费用、修复时间越大，加固后修复费用、修复时间降低就越多。

图5 30组地震动韧性评价指标

提取结构构件损伤状态组装原始样本矩阵，矩阵每行表示一次时程分析的结果，每列表示一个构件的损伤状态，矩阵的规模是30×877。采用FEMA P-58 方法对原始样本矩阵进行扩充，产生1000个模拟样本。按《建筑抗震韧性评价标准》（GB /T 38591-2020）统计1000个模拟样本的结构构件的修复费用、修复时间及人员伤亡指标。

绘制加固前和加固后结构构件1000个模拟样本的修复费用、修复时间散点图，将修复费用、修复时间区间划分为30组，统计落在各组的频数，绘制概率密度图并用对数正态分布曲线拟合，如图6和图7所示。

（a）加固前

（b）加固后

图6 加固前后修复费用概率分析

（a）加固前

（b）加固后

图7 加固前后修复时间概率分析

统计加固前和加固后结构在8度罕遇地震作用下的修复费用和修复时间指标均值、对数标准差和84%分位值，并计算置信水平为0.95的84%保证率的修复费用和修复时间指标置信上限，如表2所示。

表2 加固前后韧性评价指标对比

可见，加固后结构抗震韧性大幅提升，具有较好的经济效益。

4 结论

（1）在既有建筑由于国家规定、规范、设计标准、地震动参数区划图的修订或建筑功能的改变（如丙类建筑改乙类建筑）引起的大量构件构造措施不满足要求时，可考虑采用减震方案进行加固，降低结构弹塑性层间位移角需求，进而达到降低构造措施的目标，可大大减少加固量。

（2）SAUSG-JG建筑结构加固性能化设计软件可以导入PKPM建立的各种加固构件，包括粘贴钢板、外贴型钢、增大截面、置换混凝土等，建立或导入隔震支座、阻尼器单元，准确快速地计算结构弹塑性层间位移角，判断结构能否降低抗震构造措施。

（3）SAUSG-RES建筑结构抗震韧性评价软件可以给出震后修复费用、修复时间、人员伤亡等数据图表，并可一键生成建筑抗震韧性评价报告，为工程师提供了量化加固前、加固后建筑抗震韧性的直观工具，可用于加固方案比选，帮助工程师在合理的成本范围内实现建筑抗震韧性提升最大化的目标。