基于PKPM的框架結構加固前后的抗震性能分析

趙世宇

摘要：在我國結構設計行業中，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域，包括建筑、結構、設備設計，工程計量以及工程計價，本文通過PKPM系列CAD系統軟件對加固后的結構進行了數值模擬，通過實驗數據分析結構在加固前后的滯回曲線，結果表明：PKPM系列軟件在結構加固領域的具有現實可行性和廣泛適用性。

關鍵詞：結構加固;數值模擬;PKPM軟件;滯回曲線

近些年來，關于結構加固的理論、技術以及方法在結構設計領域得到了蓬勃發展，關于建筑物的加固和改造，已經逐漸成為了從事結構工程專業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科，本文利用PKPM系列軟件對一榀鋼筋混凝土框架結構進行了抗震分析數值模擬，通過分析，各項參數均符合規范的要求，最后對加固后的結構進行了時程分析[3]，計算結果均大于規范要求的0.8，通過數值模擬結果證明，PKPM系列軟件在結構加固領域的具有現實可行性和廣泛適用性。

1. 數值模擬模型的建立

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今社會發展的如火如荼，這種方法主要適用于抗震能力或等級不符合抗震規范要求的結構，包括如下幾種結構：

1）改變原設計結構或改變房屋用途;

2）續建工程（含爛尾樓工程）;

3）災后建筑檢測鑒定（如火災、地震、水災、泥石流）;

4）其他需要進行抗震設防，以及出具抗震鑒定報告

1.2 結構抗震性能鑒定方法[4]

在對建筑物進行抗震鑒定時，需要嚴格按照相關鑒定標準的要求進行堅定，對建筑物結構進行階梯式鑒定，評價方法一般分為兩級。

根據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，在宏觀方向上對結構進行綜合考量，包括結構的平、立、側面是否規整，質量、剛度是否達標;材料強度是否符合強度理論;

第二級鑒定，結合抗震驗算對結構進行綜合評價，可表示為：

S≤ψ1ψ2R（1.1）

ψ1——抗震鑒定的整體構造影響系數（體系影響系數）

ψ2——抗震鑒定的局部構造影響系數（局部影響系數）

在上述的兩級鑒定方法當中，充分地體現了結構抗震能力的重要性，有機地將構造要求和承載力要求緊密地銜接。

2. 基于PKPM結構加固前后結構的抗震性能對比

2.1 框架的滯回曲線

滯回曲線是指當結構受到一個重復且持續的力作用時得到的應力-應變曲線[5]，它所反映的是結構在受到力的作用時，發生形變的情況以及對能量的抵消能力，在通常情況下，結構的該曲線有4種形狀[6]，結構在加固前的滯回曲線如圖2.1所示，加固后的結構的滯回曲線如圖2.2所示。

從整體上來看，當構件被加固后，具有更強的消耗地震荷載的能力，構件與加固材料協同工作，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，兩組構件在卸荷前后滯回曲線大致相同，當持續增加荷載時，尤其是當構件中的鋼筋達到屈服以后，改為控制應變加載，通過兩圖對比，可以得出如下結論：隨著應變增加，斜率變化幅度逐步變小，在變形后期，當繼續增加荷載時，結構逐漸出現損壞的跡象，此時圖像出現了收縮趨勢，圖像的飽滿度不斷增加。

3.3 骨架曲線的比較

根據試驗的實測值，加固前后框架結構的骨架曲線如圖3.3所示，

在兩次低周反復加載作用下，通過對比分析這些結果可以得出：

（1）骨架曲線呈直線狀態，此時構件處于彈性階段，剛度不隨時間變化而發生變化，當構建發生開裂之后，骨架曲線出現了第一個轉折點，隨后曲線的斜率減小，與之前的彈性階段相比較，剛度減小，當卸荷時已有殘余應變，此時構件處于彈塑性階段，當構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，斜率是持續變小的，這說明，構件的剛度在下降，位移增長加快，而荷載增長的速度減慢，構件出現了越來越大的殘余應變，此時構件處于塑性強化階段。

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

（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。

3.4 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生改變，它是材料在破壞前發生變形的能力，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，不會發生脆性斷裂，而是仍能繼續吸收一定量的能量，正式因為延性，使得結構不至于立即發生坍塌破壞。

在對表3.2所示的數值進行比較和分析后，可以得出以下結論：

（1）結構的延性系數數值得到了明顯增加，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，加固后框架結構的延性指標得到了提高。

（2）結構的延性系數在加固前后均符合相關規范的標準;

3.5 強度和剛度退化的比較

當結構受到外力作用以后，便會在結構內部產生一種抵抗破壞的力量，這種力量的極限程度稱為結構的強度，如果超過了結構的極限程度，物體就會出現破壞現象。

應力與應變的比值稱為結構的剛度，它是指結構變形后恢復原狀的能力，與結構的強度不同，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，結構的破壞不是瞬時的，而是損傷累積的結果，結構剛度的退化是表征結構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構剛度的退化。

（1）當施加荷載的次數不斷增加，尤其是當次數接近其最大數值時，構件的剛度開始減小;

（2）在控制應力的條件下與施加荷載次數呈正相關;

（3）在控制應變的條件下與施加荷載次數呈負相關。

在加固后框架經歷二次反復循環加載后，由環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。當達到屈服點時，鋼筋混凝土框架結構的承載力和剛度的下降速度要慢于原有框架。當達到峰值負荷點時，鋼筋混凝土框架結構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象，這是由于試驗時鋼材的包辛格效應、混凝土材料的不均勻性以及加載裝置的不對稱性等所導致的;

（3）通過對鋼筋混凝土框架結構與原框架剛度退化曲線的比較，隨著應力和應變的增加，其剛度與應力和應變的變化呈負相關的變化趨勢。在此過程中，鋼筋混凝土框架結構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構具有更好的抗震性能。

3.6耗能能力的比較

當結構受到來自地震荷載產生的能量作用時，其內部會對接收到的能量產生消耗效應，這種效應成為結構的耗能耗能能力[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。在每個循環的低循環重復加載下，能量耗散是一個循環過程，因此，在地震過程中，能耗是評價結構抗震性能的重要指標，通常，我們用粘滯阻尼系數來進行定性描述，在本實驗中，結構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構，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于原框架。

結語

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構利用PKPM系列軟件對加固后的結構進行了抗震性能的鑒定，然后對試驗現象加以描述，最后對實驗得到的數據進行了詳細的分析，并與原框架試驗數據進行對比，得到如下結論：

（1）加固后的結構與原框架試驗相比，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構進行了抗震性能評價和分析。計算了地震力、各振動類型的基礎剪切力和地震作用下的剪切率、各層的結構剪切強度比、傾角和垂直剪切、地位移和彈性變形角。將計算結果與《抗震設計規范》、《高層設計規范》相比較，均符合規范要求。

（3）利用時程分析法計算結構的底部剪力和最大位移，計算結果分別符合《抗震設計規范》、《高層設計規范》的要求。

參考文獻：

[1] 郭健.鋼筋混凝土結構加固改造方法的研究及工程應用[D].長沙：湖南大學，2005.

[2] 張紹武，馮瑩，高科峰等.框架結構整體抗震加固試驗[J]. 沈陽建筑大學學報（自然科學 版），2011（06）1121-1126.

[3] 中華人民共和國國家標準，JGJ 116-98，建筑抗震加固技術規程[S]，北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4]柳柄康等.工程結構鑒定與加固改造[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.10～11.

[5] 李金剛.加固后方鋼管混凝土框架滯回性能試驗與理論研究.河北工業大學學位論文.2006

[6] 孟俊義.鋼筋混凝土框架滯回曲線的計算模型[J].建筑科學，1991（3）：28-33.

[7] 荀敬川.加固后異形柱框架抗震性能試驗研究[D]. 河北工業大學 2006