建筑结构抗震鉴定及加固设计研究

关键词：建筑结构；抗震鉴定；加固设计 

　　1.研究背景及意义 

　　我国是世界上地震多发国家之一。据统计，仅内陆地区平均每年发生145次4级及以上的地震、20次5级及以上的地震、3～4 次 6 级及以上的地震，平均每三年会发生两次 7 级及以上的地震。到2009年底，中国大陆建成的180m以上的超高层建筑有104幢，其中200m以上的超高层建筑有55幢，而仅东南沿海地区的高层建筑就占到75%。随着经济的发展，还会有更多的高层、超高层建筑建造在这个区域。显然，发生在日本东南海的强烈地震会对我国东南沿海地区的高层建筑构成严重威胁。尽管传递到场地下部基岩的地震动强度较小，但在经过深软土层达到地面后，就可能成为长周期震动十分突出、破坏性极大的强震动。通常把经过长距离传播且处在深厚和软弱特征的场地土上的地震动称为远场长周期地震动，它与某些和它具有相同或者相近的较长自振周期的建（构）筑物容易产生共振效应，易使建筑物受到严重的破坏。本文旨在研究远场长周期地震动特性，为建于厚软土层场地上的长周期建筑结构的抗震鉴定及加固设计奠定基础。 

　　2.建筑结构抗震鉴定分析方法 

　　在建筑结构抗震设计和研究中，常用的地震响应分析方法主要有时程分析法、反应谱分析法；而弹性反应谱法适用于弹性理论，适用弹塑性理论的时程分析法可以分析结构破坏全过程和屈服情况，但由于计算冗长、费机时而阻碍其广泛的应用，一般对于高层建筑或者大跨度建筑才进行非线性动力时程分析。 

　　早在19世纪80年代，Pushover分析方法就由Freeman等人提出，之后被人们广泛运用，但传统推导理论具有许多不足，随着研究的不断深入，该法发展为A-D曲线（能力谱-需求谱曲线）。该法是将结构的能力谱曲线和需求谱曲线绘制在一张图中进行分析，用于评估结构的抗震性能，pushover法作为一种弹塑性地震响应分析方法列入我国2001年编制的《建筑抗震设计规范》中，并将其应用到建筑结构抗震设计中。非线性静力法主要包括传统pushover、多模态pushover分析法（MPA）、适应谱pushover分析方法（ASPA）及增量反应谱分析方法（IRSA）等。传统的pushover是基于固定的侧向荷载分布模式，既未考虑高阶振型的影响，也未解决由于结构的延性和结构动力特性的改变而引起的应力重新分配问题，该法只适用由基本振型控制的建筑结构。 

　　为解决高阶模态影响的问题，R.K.Goel等人提出考虑高阶振型影响的模态静力非线性分析方法，称为模态pushover分析方法（Modal Pushover Analysis，即MPA ）。MPA法首先确定pushover分析中所求结构地震力应考虑的所有重要模态，将每阶重要模态等效为单自由体系，并对每阶模态进行一次分析，得到每阶模态下的目标位移。因此分析的次数和结构的重要模态数相等；当全部重要模态分析结束后，用SRSS或CQC方法对结果进行组合计算。 

　　适应谱pushover法又称 ASPA法，ASPA法是在 MPA 法基础上发展的。首先假定结构的横向荷载分布形式，之后每步的荷载大小通过对前一步的瞬态基底剪力和基础抗力计算得到。该法在每进行一次推倒都进行刚度计算，并将计算结果进行组合的同时叠加前一次相关结果，并将计算结果运用到下一步分析中，依此进行下去。相比之下，适应谱pushover方法比传统 pushover法和MPA法更精确，主要因为该法不仅考虑了高阶模态贡献，而且把结构损伤对局部抗力和动力特性的影响考虑进来，通过对瞬时刚度、质量矩阵的求解来更新加载荷载的大小。IRA 法原理和 ASPA 法差不多，在此不多述。 

　　3.建筑结构抗震加固设计 

　　建筑结构的上部结构和下部结构之间荷载是通过设置支座传递的，支座约束势必影响到建筑结构的整体刚度，如何能保证在小震作用下结构具有较强的抵抗性，而大震下又有较大滞回能力，从而延长结构的周期的同时降低结构的内力，合理的选择、布置支座形式和刚度大小对建筑结构抗震、避免不必要的附加内力尤为关键。为此建筑结构减隔震支座孕育而生，建筑结构减、隔震装置的发展始于20世纪初，70年代就已经开始采用板式橡胶支座、铅芯橡胶支座；在1979年美国率先采用减、隔震系统，摩擦摇摆系统在此时得到运用；在上世纪 80 年代随着橡胶生产技术的提高孕育了高阻尼橡胶支座；随后液体粘滞阻尼器慢慢的进入人们的视野。目前主要常用的支座有板式橡胶支座（记为RB）、盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座（记为 LRB）、高阻尼隔震橡胶支座（记为 HRB）、摩擦摆隔震支座（记为 FPS）。 

　　本文以建筑边界为非线性边界进行模拟，根据不同支座的力学模型建立不同计算模型。研究支座对高层建筑结构的影响，即保持除支座形式外的所有参数不变，然后比较了在不同支座的建筑结构其对应的自振周期、基础位移及梁板剪力弯矩时程反应，来说明各种支座在隔震减震效果，并探讨如何选择各种支座的使用更有益于建筑结构受力，以对未来我国建筑结构设计时支座选择有所裨益。一般建筑结构支座布置时，为使建筑受力对称、均匀，常规做法是在建筑结构中部支座布置为固定基础。通过板式和铅芯支座组合布置形式来控制建筑结构的受力情况。对于高层建筑结构在不同支座支撑下地震响应如何呢？另外，由于不同支座对结构的约束效果不一样从而导致计算长度不一样为此本文将探讨不同支座下成桥的稳定性，从稳定性和抗震效果得出有益高层建筑结构支座的选择。 

　　目前建筑结构支座的研究已经从单一支座的抗震性能和减震率到多种支座组合减震效果的研究，单一支座的研究包括支座的各种参数对结构减震的影响分析。在尚维波文中探讨了四种抗震体系对建筑结构减震的效果，包括：常规、增加固定基础数量、液体粘滞阻尼器和铅芯橡胶支座抗震体系果，结果表明：铅芯橡胶支座能使建筑刚度趋于均衡，明显降低建筑结构的地震响应，建议铅芯橡胶支座用于纵向抗震体系。 

　　试验结果表明板式橡胶支座的荷载位移曲线可用线性关系表示，该种支座下的建筑结构能够延长自振周期，并降低结构的地震响应，不足的是该支座下的建筑结构震后产生较大位移，给震后修复造成困难。粘滞阻尼器的荷载―位移滞回曲线较为饱满，具有较好的耗能限位能力；但经济性而言，粘滞阻尼器相对其它支座而言价格昂贵。有学者对建筑结构采用非线性时程分析计算后发现：在顺建筑向上设置黏滞阻尼器后，结构地震响应下降显著。也有学者分析了铅芯支座、板式支座的力学性能，建议铅芯支座和盆式支座的适用范围；在建筑结构加固设计时如果合理选择减隔震支座，可以通过优化支座力学参数以达到地震位移与地震力平衡的关系，使结构达到的抗震加固目标。 

　　参考文献： 

　　[1] 戴国莹.抗震鉴定及加固的基本要求.建筑科学，1995，（1）. 

　　[2] 戴国莹.建筑结构抗震鉴定技术的新进展.工程抗震，1996，（1）. 

　　[3] 李德虎.钢筋混凝土框架结构抗震承载力鉴定的实用方法，工程抗震，1992，（4）. 

　　[4] 鲍霭斌等.我国部分地区基本烈度的概率标定.地震学报，1985，（1）.