內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能深度剖析一、引言1.1研究背景地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，其發(fā)生往往難以預(yù)測，給人類社會帶來了沉重的災(zāi)難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年大約發(fā)生500萬次地震，其中絕大多數(shù)由于震級較低或距離人類居住區(qū)較遠(yuǎn)，未對人們的生活造成顯著影響，但仍有部分地震因其強(qiáng)大的破壞力，導(dǎo)致大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。例如，2008年中國汶川發(fā)生的8.0級特大地震，造成了69227人遇難、17923人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451.4億元。2011年日本發(fā)生的東日本大地震，震級高達(dá)9.0級，引發(fā)了巨大的海嘯，不僅造成了約1.6萬人死亡，還導(dǎo)致福島第一核電站發(fā)生核泄漏事故，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成了長期且深遠(yuǎn)的影響。這些慘痛的教訓(xùn)深刻地揭示了地震災(zāi)害的巨大威脅，也凸顯了提高建筑物抗震性能的緊迫性和重要性。在各類建筑結(jié)構(gòu)中，混凝土框架結(jié)構(gòu)憑借其平面布置靈活、可根據(jù)不同的使用需求進(jìn)行空間分割等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑領(lǐng)域。從城市中的商業(yè)綜合體、寫字樓，到居民住宅、學(xué)校、醫(yī)院等公共建筑，混凝土框架結(jié)構(gòu)隨處可見。然而，混凝土框架結(jié)構(gòu)在抗震性能方面存在一定的局限性。當(dāng)遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)，混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)處容易出現(xiàn)裂縫、混凝土壓碎等情況，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力下降。柱子作為主要的豎向承重構(gòu)件，其震害往往重于梁，尤其是柱頂部位，在地震作用下更容易出現(xiàn)塑性鉸，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)的倒塌。框架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度相對較小，在地震作用下會產(chǎn)生較大的水平位移，這不僅會對結(jié)構(gòu)自身造成損傷，還可能導(dǎo)致非結(jié)構(gòu)構(gòu)件如填充墻、幕墻等的破壞，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的損壞程度。為了提高混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，工程界不斷探索和研究各種有效的加固方法。防屈曲支撐作為一種新型的耗能減震構(gòu)件，近年來受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。防屈曲支撐通過特殊的構(gòu)造設(shè)計(jì)，能夠有效地避免支撐在受壓時(shí)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，使其在受拉和受壓狀態(tài)下都能充分發(fā)揮屈服耗能的作用。在小震作用下，防屈曲支撐可以保持彈性，為結(jié)構(gòu)提供額外的抗側(cè)力剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；而在大震作用下，防屈曲支撐能夠率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過鋼材的塑性變形來耗散大量的地震能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)的損傷。與傳統(tǒng)的加固方法相比，防屈曲支撐具有施工方便、對原結(jié)構(gòu)影響小、耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震加固提供了一種新的思路和方法。目前，防屈曲支撐在一些實(shí)際工程中的應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的效果，但在其設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法以及與混凝土框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能等方面，仍存在一些需要進(jìn)一步深入研究和完善的問題。1.2研究目的與意義本研究旨在深入分析內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等方法，系統(tǒng)地研究該加固方法對混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，明確其在不同地震作用下的工作機(jī)制和性能表現(xiàn)。具體而言，研究目的包括：揭示內(nèi)嵌式防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作原理，建立考慮二者協(xié)同工作的力學(xué)模型和分析方法；分析不同參數(shù)（如支撐布置形式、支撐數(shù)量、支撐剛度等）對加固后結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為工程設(shè)計(jì)提供參數(shù)優(yōu)化建議；評估加固后結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下的抗震性能指標(biāo)，如層間位移角、結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)、構(gòu)件內(nèi)力等，驗(yàn)證該加固方法的有效性和可靠性；通過與傳統(tǒng)加固方法進(jìn)行對比，明確內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固方法的優(yōu)勢和適用范圍，為實(shí)際工程選擇合理的加固方案提供參考依據(jù)。本研究對于豐富和完善混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震加固理論，推動防屈曲支撐技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在理論層面，有助于深化對防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能的認(rèn)識，進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論。目前，雖然已有一些關(guān)于防屈曲支撐在混凝土框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的研究，但對于二者協(xié)同工作的精細(xì)化力學(xué)模型和分析方法仍有待完善。本研究通過深入分析二者的相互作用機(jī)制，建立更準(zhǔn)確的理論模型，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)，通過研究不同參數(shù)對加固后結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，揭示其內(nèi)在規(guī)律，有助于為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供更科學(xué)、合理的參數(shù)取值依據(jù)，從而提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際應(yīng)用層面，為混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震加固提供了一種高效、可靠的方法，具有顯著的社會和經(jīng)濟(jì)效益。隨著城市化進(jìn)程的加速，大量既有混凝土框架結(jié)構(gòu)面臨著抗震加固的需求。內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固方法具有施工方便、對原結(jié)構(gòu)影響小、耗能能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，減少地震災(zāi)害造成的損失。通過本研究，可以為實(shí)際工程提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)和施工指導(dǎo)，推動該加固方法的廣泛應(yīng)用，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，在一些新建混凝土框架結(jié)構(gòu)中，也可以借鑒本研究的成果，合理設(shè)置內(nèi)嵌式防屈曲支撐，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低結(jié)構(gòu)在地震中的損壞風(fēng)險(xiǎn)，減少后期維護(hù)和修復(fù)成本。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究進(jìn)展國外對防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的研究起步較早，在理論研究、試驗(yàn)分析和工程應(yīng)用等方面都取得了較為豐碩的成果。1971年，日本的Yoshinotq開啟了防屈曲支撐的研究征程，其對一外圍澆筑混凝土面板的鋼板展開研究，這成為防屈曲支撐研究的開端。此后，防屈曲支撐的構(gòu)型不斷推陳出新，研究重點(diǎn)聚焦于如何確保支撐在受壓時(shí)不屈曲，進(jìn)而順利進(jìn)入屈服狀態(tài)，以有效耗散地震能量。在理論研究層面，眾多學(xué)者深入探究了防屈曲支撐的力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法。Fujimoto等學(xué)者通過理論推導(dǎo)，得出了防屈曲支撐在彈性階段的剛度計(jì)算公式，為防屈曲支撐的設(shè)計(jì)提供了關(guān)鍵的理論依據(jù)。在試驗(yàn)研究方面，大量學(xué)者開展了防屈曲支撐構(gòu)件試驗(yàn)和防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。Saiidi等學(xué)者進(jìn)行了防屈曲支撐構(gòu)件的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，詳細(xì)研究了支撐的滯回性能、耗能能力以及破壞模式，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析了影響支撐性能的關(guān)鍵因素。在工程應(yīng)用方面，防屈曲支撐在國外的實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。美國、日本等國家的眾多高層建筑和橋梁工程采用了防屈曲支撐，顯著提升了結(jié)構(gòu)的抗震性能。例如，美國舊金山的某高層建筑，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量運(yùn)用防屈曲支撐，有效增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性，確保了建筑在多次地震中安然無恙。1.3.2國內(nèi)研究動態(tài)國內(nèi)對防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。同濟(jì)大學(xué)的王華琪、丁潔民等學(xué)者針對防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)研究，提出了具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)流程，并以三層三跨的平面鋼框架為實(shí)例，對設(shè)計(jì)流程中防屈曲支撐截面積的確定方法展開了細(xì)致的比較和研究。在試驗(yàn)研究方面，國內(nèi)學(xué)者積極開展相關(guān)試驗(yàn)，深入研究防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。清華大學(xué)的聶建國等學(xué)者進(jìn)行了防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了加固后結(jié)構(gòu)的破壞模式、滯回性能、耗能能力等抗震性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)方法方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，提出了一系列適用于我國國情的防屈曲支撐框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳斌等學(xué)者基于我國的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，提出了考慮防屈曲支撐屈服強(qiáng)度和剛度退化的設(shè)計(jì)方法，有效提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和安全性。在工程應(yīng)用方面，隨著研究的不斷深入，防屈曲支撐在國內(nèi)的實(shí)際工程中也逐漸得到應(yīng)用。例如，北京的某大型商業(yè)建筑，采用防屈曲支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，大幅提升了結(jié)構(gòu)的抗震性能，保障了建筑在地震中的安全使用。1.4研究內(nèi)容與方法1.4.1研究內(nèi)容混凝土框架結(jié)構(gòu)及防屈曲支撐原理研究：深入剖析混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特性，包括梁柱節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)制、結(jié)構(gòu)的整體變形模式以及不同部位構(gòu)件的受力狀態(tài)等。通過理論分析和數(shù)值模擬，明確混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，如梁柱節(jié)點(diǎn)處容易出現(xiàn)的應(yīng)力集中、柱子在軸力和彎矩共同作用下的破壞形態(tài)等。同時(shí)，全面研究防屈曲支撐的工作原理，詳細(xì)分析其核心單元、屈曲約束單元和無粘結(jié)膨脹材料的協(xié)同工作機(jī)制。探究防屈曲支撐在受拉和受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、滯回性能等，以及這些性能參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。此外，研究防屈曲支撐的耗能機(jī)理，分析其在地震作用下如何通過鋼材的塑性變形耗散能量，以及能量耗散與支撐構(gòu)造參數(shù)之間的關(guān)系。內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)：根據(jù)混凝土框架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和抗震加固需求，綜合考慮結(jié)構(gòu)的平面布置、層數(shù)、高度以及設(shè)防烈度等因素，設(shè)計(jì)多種內(nèi)嵌式防屈曲支撐的布置方案。在布置方案設(shè)計(jì)中，研究不同支撐布置形式（如X形、V形、單斜桿形等）對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，分析各種布置形式在不同地震作用下的受力特點(diǎn)和耗能效果。確定合理的支撐數(shù)量和位置，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和數(shù)值模擬，評估支撐數(shù)量和位置的變化對結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和耗能能力的影響，以達(dá)到最優(yōu)的加固效果。同時(shí)，考慮支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)的連接方式，設(shè)計(jì)可靠的連接節(jié)點(diǎn)，確保支撐能夠有效地將力傳遞給框架結(jié)構(gòu)，共同抵抗地震作用。連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度和延性的要求，避免在地震作用下出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)破壞而影響結(jié)構(gòu)的整體性能。抗震性能分析：運(yùn)用有限元分析軟件，建立內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的精細(xì)化模型，模型應(yīng)充分考慮混凝土和鋼材的材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素。對加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下的時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)的層間位移角、結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)、構(gòu)件內(nèi)力等關(guān)鍵抗震性能指標(biāo)的時(shí)程曲線。通過對時(shí)程曲線的分析，評估結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的變形能力、加速度反應(yīng)以及構(gòu)件的受力狀態(tài)，判斷結(jié)構(gòu)是否滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。同時(shí)，分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞過程和破壞模式，明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供依據(jù)。此外，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力特性分析，計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振周期、振型等動力特性參數(shù)，研究防屈曲支撐對結(jié)構(gòu)動力特性的影響，以及動力特性參數(shù)與結(jié)構(gòu)抗震性能之間的關(guān)系。與其他結(jié)構(gòu)體系抗震性能對比分析：選取傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等作為對比對象，在相同的地震作用和設(shè)計(jì)條件下，對這些結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進(jìn)行對比分析。對比不同結(jié)構(gòu)體系的層間位移角、結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)、構(gòu)件內(nèi)力分布等抗震性能指標(biāo)，分析各結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的優(yōu)缺點(diǎn)。通過對比，明確內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)在抗震性能方面的優(yōu)勢和不足，為工程實(shí)際中結(jié)構(gòu)體系的選擇提供參考依據(jù)。同時(shí)，探討不同結(jié)構(gòu)體系在適用范圍、經(jīng)濟(jì)性、施工難度等方面的差異，綜合考慮各種因素，為實(shí)際工程提供更全面的決策支持。此外，研究不同結(jié)構(gòu)體系在不同設(shè)防烈度、場地條件下的性能表現(xiàn)，分析結(jié)構(gòu)體系與地震環(huán)境的適應(yīng)性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更科學(xué)的依據(jù)。1.4.2研究方法文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外有關(guān)混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能、防屈曲支撐技術(shù)以及結(jié)構(gòu)加固等方面的文獻(xiàn)資料，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。對這些文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)梳理和分析，了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。通過文獻(xiàn)研究，總結(jié)前人在混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究方面的成果和不足，明確防屈曲支撐技術(shù)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，以及結(jié)構(gòu)加固方法的發(fā)展方向。同時(shí)，借鑒其他學(xué)者的研究方法和試驗(yàn)成果，為本文的研究提供參考和借鑒。此外，關(guān)注國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的最新研究動態(tài)，及時(shí)將新的理論和方法應(yīng)用到本文的研究中，確保研究的前沿性和創(chuàng)新性。試驗(yàn)研究法：設(shè)計(jì)并進(jìn)行內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲取結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際響應(yīng)數(shù)據(jù)，包括位移、應(yīng)變、加速度等。試驗(yàn)采用擬靜力試驗(yàn)和擬動力試驗(yàn)相結(jié)合的方法，模擬不同地震作用下結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和變形過程。在試驗(yàn)過程中，詳細(xì)觀察結(jié)構(gòu)的破壞模式和破壞過程，記錄關(guān)鍵部位的變形和受力情況，為數(shù)值模擬和理論分析提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支持。通過試驗(yàn)研究，驗(yàn)證數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性和可靠性，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機(jī)理，研究防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作性能。同時(shí)，通過試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，評估不同加固方案的效果，為工程實(shí)際提供參考依據(jù)。此外，試驗(yàn)研究還可以發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬和理論分析難以考慮到的因素，為進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論和方法提供依據(jù)。數(shù)值模擬法：利用通用有限元分析軟件，如ABAQUS、ANSYS等，建立內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型。在建模過程中，合理選擇材料本構(gòu)模型、單元類型和接觸算法，確保模型能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和實(shí)際工作狀態(tài)。通過數(shù)值模擬，對結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行分析，得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布、變形形態(tài)、耗能情況等信息。通過改變模型的參數(shù)，如支撐的布置形式、數(shù)量、剛度等，研究不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，利用數(shù)值模擬可以進(jìn)行大量的參數(shù)分析和工況模擬，彌補(bǔ)試驗(yàn)研究的局限性，提高研究效率和精度。此外，數(shù)值模擬還可以對結(jié)構(gòu)在復(fù)雜地震作用下的性能進(jìn)行預(yù)測和評估，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供參考。對比分析法：將內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能與傳統(tǒng)混凝土框架結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)等進(jìn)行對比分析。從結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力、耗能能力、經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面進(jìn)行比較，分析不同結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。通過對比分析，明確內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)在抗震性能方面的優(yōu)勢和改進(jìn)方向，為實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)體系的選擇和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，對比不同加固方案下結(jié)構(gòu)的抗震性能，評估各種加固方案的有效性和可行性，為工程實(shí)際提供具體的技術(shù)支持。此外，對比分析還可以發(fā)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)體系在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)等方面的差異，為工程實(shí)際提供全面的決策參考。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1混凝土框架結(jié)構(gòu)原理2.1.1結(jié)構(gòu)組成與受力特點(diǎn)混凝土框架結(jié)構(gòu)主要由梁、柱和節(jié)點(diǎn)組成，這些構(gòu)件相互連接，共同構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的空間受力體系。梁是框架結(jié)構(gòu)中的水平承重構(gòu)件，它主要承受樓屋面?zhèn)鱽淼呢Q向荷載，并將這些荷載傳遞給柱子。在豎向荷載作用下，梁會產(chǎn)生彎矩和剪力，彎矩使梁的跨中部位產(chǎn)生正彎矩，支座部位產(chǎn)生負(fù)彎矩，剪力則在梁的各個(gè)截面內(nèi)分布。柱子是框架結(jié)構(gòu)中的豎向承重構(gòu)件，它承受梁傳來的荷載以及自身的自重，并將這些荷載傳遞給基礎(chǔ)。柱子在豎向荷載和水平荷載的共同作用下，會產(chǎn)生軸力、彎矩和剪力，其中軸力使柱子受壓，彎矩使柱子產(chǎn)生彎曲變形，剪力則使柱子產(chǎn)生剪切變形。節(jié)點(diǎn)是梁和柱的連接部位，它起著傳遞內(nèi)力和保證結(jié)構(gòu)整體性的重要作用。節(jié)點(diǎn)不僅要承受梁和柱傳來的各種內(nèi)力，還要保證梁和柱之間的可靠連接，使它們能夠協(xié)同工作。在地震等水平荷載作用下，節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)非常復(fù)雜，容易出現(xiàn)裂縫、混凝土壓碎等破壞現(xiàn)象。當(dāng)混凝土框架結(jié)構(gòu)承受豎向荷載時(shí)，其傳力路徑較為明確。樓屋面的荷載通過板傳遞到梁上，梁再將荷載傳遞給柱子，最后由柱子將荷載傳遞到基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，梁主要承受彎矩和剪力，柱子主要承受軸力和彎矩。結(jié)構(gòu)的變形主要表現(xiàn)為梁的彎曲變形和柱子的壓縮變形，整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的受力狀態(tài)。當(dāng)承受水平荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力和變形情況則變得更為復(fù)雜。水平荷載會使框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)向位移。在水平力作用下，框架結(jié)構(gòu)的側(cè)移由兩部分組成：一部分是由梁和柱的彎曲變形產(chǎn)生的側(cè)移，這部分側(cè)移在框架下部較大，越到上部越??；另一部分是由柱的軸向變形產(chǎn)生的側(cè)移，這部分側(cè)移在上部較大，越到底部越小。隨著建筑高度的增加，水平荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移逐漸成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素，對結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提出了更高的要求。2.1.2抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則抗震設(shè)計(jì)的基本原則是確保結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠保持足夠的承載能力、變形能力和耗能能力，以保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。強(qiáng)柱弱梁原則是指在設(shè)計(jì)中，應(yīng)使柱子的抗彎能力大于梁的抗彎能力，這樣在地震作用下，梁端會先于柱端出現(xiàn)塑性鉸，形成梁鉸機(jī)制，從而使結(jié)構(gòu)具有較好的延性和耗能能力。當(dāng)梁端出現(xiàn)塑性鉸后，梁可以通過塑性變形來耗散地震能量，同時(shí)柱子仍能保持較好的承載能力，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。強(qiáng)剪弱彎原則是指在設(shè)計(jì)中，應(yīng)使構(gòu)件的抗剪能力大于抗彎能力，避免構(gòu)件在受剪破壞前先發(fā)生彎曲破壞。因?yàn)榧羟衅茐膶儆诖嘈云茐模坏┌l(fā)生，構(gòu)件的承載能力會急劇下降，而彎曲破壞屬于延性破壞，構(gòu)件在破壞前有明顯的變形和預(yù)兆，能夠給人們提供一定的逃生時(shí)間。通過合理設(shè)計(jì)構(gòu)件的截面尺寸、配筋率等參數(shù)，可以滿足強(qiáng)剪弱彎的要求。我國的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）對混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提出了詳細(xì)的要求。規(guī)范規(guī)定，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)其使用功能的重要性分為甲、乙、丙、丁四個(gè)抗震設(shè)防類別，不同設(shè)防類別的結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用不同的抗震措施和地震作用取值。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)，規(guī)范對結(jié)構(gòu)的規(guī)則性、構(gòu)件的截面尺寸、配筋率、軸壓比等參數(shù)都做出了明確的限制。要求結(jié)構(gòu)平面布置應(yīng)規(guī)則、對稱，避免出現(xiàn)過大的偏心；柱子的軸壓比應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，以保證柱子具有足夠的延性；梁、柱的配筋率應(yīng)滿足最小配筋率的要求，同時(shí)也要避免配筋過多導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性增加。在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的高度、設(shè)防烈度等因素，合理選擇結(jié)構(gòu)的抗震等級，并按照相應(yīng)的抗震等級采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。例如，對于抗震等級較高的結(jié)構(gòu)，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造，增加箍筋的配置，提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。2.2防屈曲支撐原理2.2.1工作機(jī)理防屈曲支撐的工作機(jī)理主要基于其獨(dú)特的構(gòu)造設(shè)計(jì)，通過有效的約束機(jī)制來防止支撐在受壓時(shí)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，從而充分發(fā)揮其在受拉和受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)利用金屬屈服耗能的目的。在傳統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)中，普通支撐在受壓時(shí)，由于其自身的穩(wěn)定性問題，當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，支撐容易發(fā)生屈曲，導(dǎo)致其剛度和承載力急劇降低。而防屈曲支撐則通過在支撐外部設(shè)置專門的約束單元，為支撐提供了強(qiáng)大的側(cè)向約束，有效限制了支撐在受壓時(shí)的變形，使其能夠承受更大的壓力而不屈曲。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到地震等外力作用時(shí)，防屈曲支撐會首先承受水平荷載。在小震作用下，防屈曲支撐處于彈性階段，此時(shí)它如同普通支撐一樣，為結(jié)構(gòu)提供額外的抗側(cè)力剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。隨著地震作用的增強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，防屈曲支撐的核心單元開始進(jìn)入屈服狀態(tài)。由于核心單元通常采用具有良好延性和耗能能力的金屬材料，如低屈服點(diǎn)鋼材等，在屈服過程中，金屬材料會發(fā)生塑性變形，通過這種塑性變形來耗散大量的地震能量。在受壓過程中，約束單元緊緊約束著核心單元，防止其發(fā)生屈曲，確保核心單元能夠在受壓狀態(tài)下順利屈服并耗能。在受拉過程中，核心單元同樣能夠充分發(fā)揮其受拉屈服的性能，持續(xù)耗散能量。這種拉壓均能有效耗能的特性，使得防屈曲支撐在地震作用下能夠更全面、更高效地保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)的損傷。2.2.2結(jié)構(gòu)組成與特點(diǎn)防屈曲支撐主要由核心單元、屈曲約束單元和無粘結(jié)膨脹材料三部分組成。核心單元是防屈曲支撐的主要受力部件，通常采用具有良好延性和耗能能力的金屬材料制成，如低屈服點(diǎn)鋼材、普通低碳鋼或其他高強(qiáng)鋼等。其常見的截面形式包括十字形、T形、雙T形和一字形等，不同的截面形式適用于不同的剛度要求和耗能需求。在地震作用下，核心單元直接承受拉力和壓力，通過自身的屈服變形來耗散地震能量，是實(shí)現(xiàn)支撐耗能功能的關(guān)鍵部分。屈曲約束單元?jiǎng)t為核心單元提供側(cè)向約束，其作用是防止核心單元在受壓時(shí)發(fā)生整體或局部屈曲。常見的約束形式有鋼管填充混凝土或純鋼型結(jié)構(gòu)約束。鋼管填充混凝土約束形式是在鋼管內(nèi)填充混凝土，利用混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼管的約束作用，共同為核心單元提供強(qiáng)大的側(cè)向約束。純鋼型結(jié)構(gòu)約束則是采用純鋼結(jié)構(gòu)作為約束單元，通過合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)形式和尺寸，來滿足對核心單元的約束要求。這些約束單元能夠有效地限制核心單元在受壓時(shí)的變形，確保其在受壓狀態(tài)下也能正常工作，發(fā)揮其應(yīng)有的力學(xué)性能。無粘結(jié)膨脹材料位于核心單元和屈曲約束單元之間，其主要作用是消除核心單元與屈曲約束單元之間的摩擦力，使核心單元在受拉和受壓時(shí)能夠自由伸縮。同時(shí)，在核心單元受壓膨脹時(shí)，無粘結(jié)膨脹材料能夠提供一定的緩沖空間，避免因核心單元與約束單元之間的相互擠壓而導(dǎo)致支撐軸力的異常增加。常見的無粘結(jié)材料有油脂、橡膠、聚乙烯等，這些材料具有良好的潤滑性和柔韌性，能夠有效地實(shí)現(xiàn)無粘結(jié)和膨脹的功能。防屈曲支撐具有諸多顯著特點(diǎn)。其拉壓承載力平衡，克服了普通支撐拉壓承載力差異顯著的缺陷。在地震等反復(fù)荷載作用下，普通支撐受拉和受壓時(shí)的承載力表現(xiàn)出較大差異，而防屈曲支撐通過合理的設(shè)計(jì)，使其在受拉和受壓狀態(tài)下都能具有相近的承載力，從而更穩(wěn)定地為結(jié)構(gòu)提供抗側(cè)力支持。防屈曲支撐的滯回性能優(yōu)良，具有金屬阻尼器的耗能能力。在地震作用下，防屈曲支撐能夠通過核心單元的反復(fù)屈服變形，形成飽滿的滯回曲線，有效地耗散地震能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性范圍內(nèi)，大大提高了結(jié)構(gòu)在中震和大震下的抗震性能。它還具有承載力與剛度分離的特點(diǎn)，普通支撐為了保證自身的穩(wěn)定性，往往需要加大截面尺寸和支撐剛度，這會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度過大，地震力也隨之增大。而防屈曲支撐可以在不增加結(jié)構(gòu)剛度的情況下，通過合理設(shè)計(jì)核心單元的材料和截面尺寸，滿足結(jié)構(gòu)對于承載力的要求，有效避免了這種惡性循環(huán)。三、加固方案設(shè)計(jì)3.1支撐選型與布置3.1.1支撐類型選擇防屈曲支撐的類型豐富多樣，依據(jù)約束單元的材料差異，主要可分為混凝土約束型、鋼管混凝土約束型以及全鋼約束型三種。混凝土約束型防屈曲支撐是以混凝土作為約束單元，它利用混凝土的抗壓強(qiáng)度為核心單元提供側(cè)向約束。這種類型的支撐具有較好的防火性能和耐久性，因?yàn)榛炷帘旧硎且环N良好的防火材料，能夠在一定程度上保護(hù)核心單元在火災(zāi)情況下不受損害，同時(shí)其耐久性也能保證支撐在長期使用過程中性能的穩(wěn)定性。但是，混凝土約束型防屈曲支撐也存在一些缺點(diǎn)，如自重大，這會增加結(jié)構(gòu)的豎向荷載，對基礎(chǔ)的承載能力提出更高要求；制作工藝相對復(fù)雜，需要現(xiàn)場澆筑混凝土，施工過程中對模板的搭建、混凝土的澆筑和振搗等環(huán)節(jié)都有較高的技術(shù)要求，且施工周期較長，現(xiàn)場濕作業(yè)量大，容易受到天氣等因素的影響，導(dǎo)致施工進(jìn)度緩慢。鋼管混凝土約束型防屈曲支撐則是在鋼管內(nèi)填充混凝土，結(jié)合了鋼管和混凝土的優(yōu)點(diǎn)。鋼管具有較高的抗拉和抗壓強(qiáng)度，能夠有效地約束混凝土，防止其在受壓時(shí)發(fā)生側(cè)向變形；而混凝土則可以填充鋼管內(nèi)部，增加支撐的剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)也能提高支撐的防火性能。這種類型的支撐施工相對方便，因?yàn)殇摴芸梢栽诠S預(yù)制，然后運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行安裝，減少了現(xiàn)場濕作業(yè)量，提高了施工效率。而且其約束效果較好，由于鋼管和混凝土的協(xié)同工作，能夠?yàn)楹诵膯卧峁└鼜?qiáng)大的側(cè)向約束，使其在受壓時(shí)更不容易發(fā)生屈曲。然而，鋼管混凝土約束型防屈曲支撐也有一定的局限性，如鋼管的防銹處理要求較高，如果防銹措施不到位，鋼管容易生銹腐蝕，影響支撐的使用壽命和性能。全鋼約束型防屈曲支撐采用純鋼結(jié)構(gòu)作為約束單元，具有自重輕的優(yōu)點(diǎn)，這對于減輕結(jié)構(gòu)的整體重量、降低基礎(chǔ)造價(jià)非常有利。同時(shí)，其制作精度高，鋼結(jié)構(gòu)可以在工廠進(jìn)行精確加工，保證了支撐的尺寸精度和質(zhì)量穩(wěn)定性。施工速度快也是全鋼約束型防屈曲支撐的一個(gè)顯著優(yōu)勢，由于不需要進(jìn)行混凝土的澆筑和養(yǎng)護(hù)等工作，大大縮短了施工周期。不過，全鋼約束型防屈曲支撐的防火性能相對較差，鋼材在高溫下強(qiáng)度會迅速降低，因此需要采取額外的防火措施，如涂刷防火涂料等，這增加了工程成本和維護(hù)難度。對于本研究的混凝土框架結(jié)構(gòu)，綜合考慮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和需求，選擇全鋼約束型防屈曲支撐。這是因?yàn)榛炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)本身的自重較大，如果再采用自重較大的混凝土約束型或鋼管混凝土約束型防屈曲支撐，會進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，對結(jié)構(gòu)的受力和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)帶來更大的挑戰(zhàn)。而全鋼約束型防屈曲支撐的自重輕、制作精度高和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地滿足混凝土框架結(jié)構(gòu)的加固需求，在保證結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，盡量減少對原結(jié)構(gòu)的影響，提高施工效率，降低工程成本。3.1.2布置原則與方法防屈曲支撐的布置應(yīng)遵循均勻分散的原則，避免在結(jié)構(gòu)的局部區(qū)域過度集中布置支撐。如果支撐集中布置在某一區(qū)域，會導(dǎo)致該區(qū)域的剛度突然增大，在地震作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布會變得不均勻，容易在剛度突變處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的局部破壞。通過均勻分散布置支撐，可以使結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上都能獲得較為均勻的剛度和承載力，使結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力更加合理，有效減少應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。結(jié)合結(jié)構(gòu)薄弱部位布置也是非常重要的原則。在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，一些部位在地震作用下更容易出現(xiàn)破壞，如結(jié)構(gòu)的角部、端部以及層數(shù)變化處等。這些部位由于受力復(fù)雜，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致構(gòu)件的損傷和破壞。在這些薄弱部位布置防屈曲支撐，可以有針對性地提高這些部位的抗震能力，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠更好地抵抗破壞，保障結(jié)構(gòu)的安全。在結(jié)構(gòu)角部布置支撐，可以增加角部的抗扭剛度和抗彎能力，減少角部在地震作用下的扭轉(zhuǎn)和彎曲變形；在層數(shù)變化處布置支撐，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的剛度突變，緩解由于層數(shù)變化引起的內(nèi)力重分布，避免出現(xiàn)薄弱層。在實(shí)際布置時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，采用不同的支撐布置形式。對于多層混凝土框架結(jié)構(gòu)，可在每一層的框架柱之間設(shè)置X形或V形支撐。X形支撐在水平荷載作用下，能夠形成雙向的受力體系，有效地抵抗兩個(gè)方向的水平力，使結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的剛度和承載力都得到提高。V形支撐則可以將水平力有效地傳遞到框架柱上，增加結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力，同時(shí)V形支撐的布置形式相對靈活，適用于不同的建筑平面布局。在布置支撐時(shí)，還需考慮支撐與框架結(jié)構(gòu)的連接方式，確保連接節(jié)點(diǎn)的可靠性和傳力的順暢性。連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，能夠承受支撐傳來的力，并將其可靠地傳遞給框架結(jié)構(gòu)?？刹捎煤附印⒙菟ㄟB接等方式，根據(jù)具體情況選擇合適的連接方式，并對連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，確保其滿足抗震要求。3.2連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)3.2.1節(jié)點(diǎn)形式與構(gòu)造常見的內(nèi)嵌式防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)形式主要有銷軸連接節(jié)點(diǎn)和螺栓連接節(jié)點(diǎn)。銷軸連接節(jié)點(diǎn)通過在支撐端部設(shè)置銷軸孔，利用銷軸將支撐與框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)板連接在一起。這種連接方式能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)點(diǎn)的鉸接，使支撐在受力時(shí)能夠自由轉(zhuǎn)動，符合理想鉸接模式，對于抗地震低周疲勞的性能很佳。在實(shí)際應(yīng)用中，對于H形鋼梁-鋼柱節(jié)點(diǎn)，可設(shè)計(jì)具有足夠強(qiáng)度和剛度的連接板，連接于H形鋼柱和H形牛腿（與鋼梁截面同形）上，并在鋼柱和鋼梁的對應(yīng)部位設(shè)置加勁板加固，保證整個(gè)節(jié)點(diǎn)具有足夠的剛度。同時(shí)，合理設(shè)計(jì)銷軸孔位置，保證銷軸孔不會出現(xiàn)局部的拉裂破壞。螺栓連接節(jié)點(diǎn)則是通過高強(qiáng)度螺栓將支撐與框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)板緊固連接。這種連接方式施工方便，對安裝質(zhì)量的管控要求相對較高，但連接可靠性強(qiáng)，能夠有效地傳遞支撐與框架之間的內(nèi)力。在螺栓連接節(jié)點(diǎn)中，節(jié)點(diǎn)板的厚度和強(qiáng)度需要根據(jù)支撐的受力大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保節(jié)點(diǎn)在承受拉力和壓力時(shí)不會發(fā)生破壞。通常會在節(jié)點(diǎn)板上設(shè)置加勁肋，增加節(jié)點(diǎn)板的剛度和強(qiáng)度，防止節(jié)點(diǎn)板在受力時(shí)發(fā)生變形或屈曲。無論采用哪種連接節(jié)點(diǎn)形式，都需要滿足一定的構(gòu)造要求。節(jié)點(diǎn)的連接部位應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受防屈曲支撐傳遞的拉力和壓力。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，要考慮到支撐與框架結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)，避免因變形不一致而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)破壞。對于銷軸連接節(jié)點(diǎn)，要保證銷軸與銷軸孔之間的配合精度，防止出現(xiàn)松動或過大的間隙，影響節(jié)點(diǎn)的傳力性能。對于螺栓連接節(jié)點(diǎn)，要確保螺栓的擰緊力矩符合設(shè)計(jì)要求，保證節(jié)點(diǎn)的連接緊密性。在節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮到施工的便利性和可操作性，便于現(xiàn)場安裝和施工。3.2.2節(jié)點(diǎn)受力分析在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，防屈曲支撐連接節(jié)點(diǎn)主要承受較小的水平力和豎向力。此時(shí)，節(jié)點(diǎn)的受力相對較小，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變均在材料的彈性范圍內(nèi)。銷軸連接節(jié)點(diǎn)的銷軸主要承受剪切力，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的螺栓主要承受拉力和剪力。通過合理設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的尺寸和連接方式，可以保證節(jié)點(diǎn)在多遇地震作用下保持彈性，不發(fā)生破壞。在設(shè)防地震和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，防屈曲支撐會發(fā)生屈服，節(jié)點(diǎn)的受力情況變得更加復(fù)雜。節(jié)點(diǎn)不僅要承受更大的水平力和豎向力，還會受到因結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生的附加內(nèi)力。銷軸連接節(jié)點(diǎn)的銷軸可能會承受較大的彎矩和剪力，螺栓連接節(jié)點(diǎn)的螺栓可能會出現(xiàn)松動或剪斷的情況。節(jié)點(diǎn)板也會承受較大的應(yīng)力，可能會發(fā)生屈服、屈曲或撕裂等破壞形式。為了保證節(jié)點(diǎn)在設(shè)防地震和罕遇地震作用下的強(qiáng)度和剛度，需要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的受力分析和設(shè)計(jì)。通過有限元分析等方法，計(jì)算節(jié)點(diǎn)在不同荷載工況下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，找出節(jié)點(diǎn)的薄弱部位，采取相應(yīng)的加強(qiáng)措施。增加節(jié)點(diǎn)板的厚度、設(shè)置加勁肋、提高螺栓的強(qiáng)度等級等，以確保節(jié)點(diǎn)在地震作用下能夠可靠地傳遞內(nèi)力，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。四、抗震性能分析方法4.1理論分析方法4.1.1底部剪力法底部剪力法又稱擬靜力法，是根據(jù)地震反應(yīng)譜理論，以工程結(jié)構(gòu)底部的總地震剪力與等效單質(zhì)點(diǎn)的水平地震作用相等，來確定結(jié)構(gòu)總地震作用的方法，是計(jì)算水平地震作用的一種基本方法。其基本思想是在靜力計(jì)算的基礎(chǔ)上，將地震作用簡化為一個(gè)慣性力系附加在研究對象上，其核心是設(shè)計(jì)地震加速度的確定問題。該方法的適用范圍具有一定的局限性。根據(jù)GB50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，高度不超過40米，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)，以及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)，可采用底部剪力法計(jì)算。這是因?yàn)檫@類結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移反應(yīng)通常以基本振型為主，且基本振型近似于直線，采用底部剪力法能夠在有限程度上反映荷載的動力特性，滿足工程設(shè)計(jì)精度的要求。例如，一般的多層磚房等砌體結(jié)構(gòu)、內(nèi)框架和底部框架抗震墻磚房、單層空曠房屋、單層工業(yè)廠房及多層框架結(jié)構(gòu)等低于40m以剪切變形為主的規(guī)則房屋，在符合上述條件時(shí)，都可以采用底部剪力法進(jìn)行水平地震作用的計(jì)算。底部剪力法的計(jì)算步驟如下：首先，需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的等效總重力荷載代表值，一般取結(jié)構(gòu)總重力荷載代表值的85%。然后，根據(jù)建筑場地的基本烈度、近震或遠(yuǎn)震、場地類別、結(jié)構(gòu)基本周期，查地震反應(yīng)譜，確定水平地震影響系數(shù)。通過公式計(jì)算出結(jié)構(gòu)底部截面的水平地震剪力。按照反映結(jié)構(gòu)變形形狀的地震作用倒三角形分布規(guī)律或倒三角形加頂部集中力的規(guī)律，計(jì)算出各屋蓋或樓層高度處的水平地震作用。計(jì)算結(jié)構(gòu)各桿件截面的地震剪力和彎矩，對于不等高排架的高低跨柱上柱，尚應(yīng)乘以修正系數(shù)。最后，將地震作用效應(yīng)與相應(yīng)的靜力荷載效應(yīng)組合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度驗(yàn)算。4.1.2振型分解反應(yīng)譜法振型分解反應(yīng)譜法是用來計(jì)算多自由度體系地震作用的一種方法。該法利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解的原理，求解各階振型對應(yīng)的等效地震作用，然后按照一定的組合原則對各階振型的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合，從而得到多自由度體系的地震作用效應(yīng)。其理論基礎(chǔ)主要包括達(dá)朗貝爾原理、振型正交性、疊加原理等。達(dá)朗貝爾原理用于建立結(jié)構(gòu)的動力平衡方程，振型正交性使得多自由度體系的振動方程可以解耦為多個(gè)獨(dú)立的單自由度體系的振動方程，疊加原理則保證了各階振型的地震作用效應(yīng)可以進(jìn)行線性組合。其計(jì)算過程相對復(fù)雜。首先，將結(jié)構(gòu)簡化，建立n自由度結(jié)構(gòu)的頻率方程，求出n個(gè)頻率及周期。接著，求各頻率對應(yīng)的振型，形成主振型向量。然后，計(jì)算振型參與系數(shù)。根據(jù)場地類別確定場地的特征周期Tg，綜合該地區(qū)抗震設(shè)防烈度及地震分組和反應(yīng)譜確定每個(gè)振型地震影響系數(shù)。計(jì)算第j振型第i個(gè)質(zhì)點(diǎn)的水平作用，將各個(gè)質(zhì)點(diǎn)處的作用力疊加。計(jì)算各振型層間剪力，由于各個(gè)振型求出的是最大的反應(yīng)，需將其按照一定的組合規(guī)則（如平方和開方法SRSS法等）進(jìn)行組合，最后求出結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。對于不考慮扭轉(zhuǎn)影響的平移振動多質(zhì)點(diǎn)彈性體系，各振型的貢獻(xiàn)隨著頻率的增高而遞減，一般考慮前3個(gè)振型進(jìn)行組合即可滿足工程精度要求。與底部剪力法相比，振型分解反應(yīng)譜法適用范圍更廣，除了底部剪力法適用的結(jié)構(gòu)外，其他建筑結(jié)構(gòu)宜采用振型分解反應(yīng)譜法。底部剪力法僅適用于基本振型主導(dǎo)的規(guī)則和高寬比很小的結(jié)構(gòu)，它只能在有限程度上反映荷載的動力特性，不能反映各種材料自身的動力特性以及結(jié)構(gòu)物之間的動力響應(yīng)和動力耦合關(guān)系。而振型分解反應(yīng)譜法考慮了結(jié)構(gòu)的多個(gè)振型，能更全面地反映結(jié)構(gòu)的動力特性，計(jì)算精度相對較高。但振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算過程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行頻率、振型等參數(shù)的計(jì)算，對計(jì)算資源和計(jì)算能力的要求也相對較高。4.2數(shù)值模擬方法4.2.1有限元軟件選擇在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，有限元分析軟件種類繁多，其中ABAQUS、ANSYS、SAP2000等較為常用。ABAQUS是一款功能強(qiáng)大的通用有限元分析軟件，其非線性分析能力十分出色，能夠精準(zhǔn)模擬材料的非線性行為，如混凝土和鋼材在復(fù)雜受力狀態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系。在混凝土結(jié)構(gòu)分析中，ABAQUS提供了多種適用于混凝土材料的本構(gòu)模型，如塑性損傷模型等，能夠準(zhǔn)確地描述混凝土在受壓、受拉等不同受力狀態(tài)下的力學(xué)性能變化。它的接觸分析功能也十分強(qiáng)大，能夠有效處理防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜接觸問題，精確模擬兩者之間的相互作用。ANSYS同樣是一款廣泛應(yīng)用的有限元軟件，其在結(jié)構(gòu)分析、熱分析、流體分析等多個(gè)領(lǐng)域都具有出色的表現(xiàn)。在結(jié)構(gòu)分析方面，ANSYS擁有豐富的單元庫和材料模型庫，能夠滿足不同類型結(jié)構(gòu)的分析需求。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)和防屈曲支撐的模擬，ANSYS提供了多種單元類型可供選擇，如梁單元、殼單元、實(shí)體單元等，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分析精度要求進(jìn)行合理選擇。它的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能也十分強(qiáng)大，能夠通過對結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化，提高結(jié)構(gòu)的性能和經(jīng)濟(jì)性。SAP2000則是一款專門用于結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)的軟件，其操作界面相對簡單，易于上手，在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。SAP2000能夠快速建立各種類型的建筑結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行線性和非線性分析。它內(nèi)置了多種規(guī)范和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。在處理混凝土框架結(jié)構(gòu)和防屈曲支撐的分析時(shí)，SAP2000能夠快速進(jìn)行建模和分析，生成直觀的分析結(jié)果和報(bào)告。本研究選擇ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，主要是基于其卓越的非線性分析能力和強(qiáng)大的接觸分析功能。在研究內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震作用下會進(jìn)入非線性階段，材料的非線性行為和接觸問題對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)有重要影響。ABAQUS的塑性損傷模型能夠準(zhǔn)確描述混凝土在地震作用下的開裂、壓碎等非線性行為，其出色的接觸分析功能能夠精確模擬防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)之間的相互作用，為研究提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。4.2.2模型建立與驗(yàn)證在建立混凝土框架結(jié)構(gòu)及加固模型時(shí)，首先要進(jìn)行合理的模型簡化。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)，可將梁、柱簡化為梁單元，采用合適的截面尺寸和材料參數(shù)來定義梁單元的屬性。在定義混凝土材料參數(shù)時(shí)，根據(jù)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級，確定其彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度等參數(shù)?？赏ㄟ^查閱相關(guān)規(guī)范和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲取準(zhǔn)確的材料參數(shù)。例如，對于C30混凝土，其彈性模量可取值為3.0×10^4MPa，泊松比取值為0.2。對于防屈曲支撐，將其核心單元簡化為桁架單元，約束單元簡化為殼單元。根據(jù)防屈曲支撐的設(shè)計(jì)尺寸和材料特性，確定桁架單元和殼單元的相關(guān)參數(shù)。如核心單元采用低屈服點(diǎn)鋼材，其屈服強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)可根據(jù)鋼材的實(shí)際性能確定。在ABAQUS軟件中，按照上述簡化方式創(chuàng)建幾何模型，并劃分網(wǎng)格。對于梁單元，可采用合適的網(wǎng)格密度，保證計(jì)算精度的同時(shí)提高計(jì)算效率。對于殼單元，要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，合理劃分網(wǎng)格，確保網(wǎng)格的質(zhì)量和精度。在定義材料本構(gòu)關(guān)系時(shí)，混凝土采用塑性損傷模型，該模型能夠考慮混凝土在受壓和受拉狀態(tài)下的損傷演化，準(zhǔn)確描述混凝土的非線性力學(xué)行為。鋼材采用雙線性隨動強(qiáng)化模型，該模型能夠反映鋼材在屈服后的強(qiáng)化特性，符合鋼材的實(shí)際受力情況。定義防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)之間的接觸關(guān)系，選擇合適的接觸算法和接觸參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確模擬兩者之間的相互作用。為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，需要將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。可收集相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移、應(yīng)變、加速度等響應(yīng)數(shù)據(jù)，以及防屈曲支撐加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能數(shù)據(jù)。將數(shù)值模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，計(jì)算兩者之間的誤差。如果誤差在合理范圍內(nèi)，說明模型能夠準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際力學(xué)性能；如果誤差較大，則需要對模型進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，如檢查材料參數(shù)的取值是否合理、網(wǎng)格劃分是否足夠精細(xì)、接觸關(guān)系的定義是否準(zhǔn)確等。通過不斷地調(diào)整和優(yōu)化模型，使其與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的一致性，從而驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3實(shí)驗(yàn)研究方法4.3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)旨在通過對模型結(jié)構(gòu)在不同加載工況下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測和分析，深入研究內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，驗(yàn)證加固方案的有效性和可靠性。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以某實(shí)際混凝土框架結(jié)構(gòu)為原型，按照相似比1:3進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì)，制作了一個(gè)三層兩跨的混凝土框架模型。模型的梁、柱尺寸根據(jù)相似關(guān)系確定，混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋采用HRB400。在模型的適當(dāng)位置設(shè)置全鋼約束型防屈曲支撐，支撐的布置形式為X形，以提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力能力和耗能性能。加載制度采用擬靜力加載方法，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。加載過程分為預(yù)加載和正式加載兩個(gè)階段。預(yù)加載的目的是檢查加載設(shè)備的運(yùn)行情況和模型的初始狀態(tài)，加載值為預(yù)估極限荷載的10%，加載次數(shù)為2次。正式加載時(shí)，采用位移控制加載方式，根據(jù)結(jié)構(gòu)的屈服位移確定加載級，每級位移加載2次，直至結(jié)構(gòu)破壞。加載位移幅值按照一定的規(guī)律遞增，以模擬不同強(qiáng)度的地震作用。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要測量的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)變和加速度等。在結(jié)構(gòu)的每層梁、柱節(jié)點(diǎn)處布置位移計(jì)，測量結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的層間位移和頂點(diǎn)位移，通過位移數(shù)據(jù)可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的層間位移角，評估結(jié)構(gòu)的變形能力。在梁、柱的關(guān)鍵部位布置應(yīng)變片，測量構(gòu)件的應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算構(gòu)件的內(nèi)力，分析構(gòu)件的受力狀態(tài)和破壞機(jī)理。在結(jié)構(gòu)的頂層布置加速度傳感器，測量結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)，評估結(jié)構(gòu)的動力特性和地震反應(yīng)。4.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，可以全面評估內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。從破壞模式來看，未加固的混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)處首先出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸擴(kuò)展，梁端和柱端出現(xiàn)塑性鉸，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌。而采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固后的框架結(jié)構(gòu)，在地震作用下，防屈曲支撐首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過塑性變形耗散大量的地震能量，有效保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的破壞主要表現(xiàn)為防屈曲支撐的屈服和局部破壞，梁柱節(jié)點(diǎn)的損傷相對較輕，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到了顯著提高。滯回曲線是評估結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的力學(xué)行為和耗能能力。未加固框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線形狀較為狹長，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力較弱，在地震作用下容易發(fā)生破壞。加固后框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線飽滿，耗能能力顯著增強(qiáng)。這是因?yàn)榉狼卧诘卣鹱饔孟履軌蛴行У睾纳⒛芰?，使結(jié)構(gòu)的滯回曲線更加飽滿，提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能。骨架曲線則直觀地展示了結(jié)構(gòu)的荷載-位移關(guān)系，反映了結(jié)構(gòu)的初始剛度、屈服荷載、極限荷載和破壞形態(tài)等重要信息。未加固框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線在達(dá)到屈服荷載后，剛度迅速下降，極限荷載較低。加固后框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線在屈服后，剛度下降較為緩慢，極限荷載明顯提高。這說明內(nèi)嵌式防屈曲支撐的設(shè)置有效地提高了結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力，使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠承受更大的荷載，延緩結(jié)構(gòu)的破壞。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可知，內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)能夠顯著改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高結(jié)構(gòu)的承載能力、變形能力和耗能能力，有效保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，減少結(jié)構(gòu)在地震作用下的損傷。五、加固結(jié)構(gòu)抗震性能分析5.1彈性階段性能5.1.1剛度與自振周期結(jié)構(gòu)的剛度是衡量其抵抗變形能力的重要指標(biāo)，而自振周期則是結(jié)構(gòu)動力特性的關(guān)鍵參數(shù)，二者對于評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)具有重要意義。在混凝土框架結(jié)構(gòu)中，其剛度主要由梁、柱等構(gòu)件的截面尺寸、材料特性以及結(jié)構(gòu)的布置形式所決定。在未加固的情況下，混凝土框架結(jié)構(gòu)的剛度分布相對較為均勻，但在一些關(guān)鍵部位，如梁柱節(jié)點(diǎn)處，由于應(yīng)力集中等因素的影響，其剛度可能會相對較弱。當(dāng)采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐對混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，結(jié)構(gòu)的剛度會發(fā)生顯著變化。防屈曲支撐作為一種高效的抗側(cè)力構(gòu)件，能夠在彈性階段為結(jié)構(gòu)提供額外的剛度支持，使得結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)力能力得到增強(qiáng)。從理論上來說，結(jié)構(gòu)的剛度與自振周期之間存在著密切的關(guān)系。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本原理，結(jié)構(gòu)的自振周期與結(jié)構(gòu)的剛度平方根成反比，即剛度越大，自振周期越短；剛度越小，自振周期越長。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)而言，在未加固時(shí)，其自振周期相對較長，這意味著結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動頻率較低，更容易受到地震波的影響而產(chǎn)生較大的變形。當(dāng)采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固后，結(jié)構(gòu)的剛度增加，自振周期相應(yīng)縮短，結(jié)構(gòu)的振動頻率提高，從而能夠更好地適應(yīng)地震波的作用，減少結(jié)構(gòu)的變形。為了更準(zhǔn)確地了解加固前后結(jié)構(gòu)剛度和自振周期的變化情況，通過有限元軟件ABAQUS建立了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)模型。在模型中，分別模擬了未加固的混凝土框架結(jié)構(gòu)和采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固后的結(jié)構(gòu)。在模擬過程中，考慮了混凝土和鋼材的材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，以確保模型能夠真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。通過對模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到了加固前后結(jié)構(gòu)的自振周期和振型。結(jié)果表明，加固后結(jié)構(gòu)的自振周期明顯縮短，例如，未加固結(jié)構(gòu)的第一自振周期為1.2s，而加固后結(jié)構(gòu)的第一自振周期縮短至0.8s。這一結(jié)果與理論分析相符，充分說明了內(nèi)嵌式防屈曲支撐能夠有效地提高結(jié)構(gòu)的剛度，進(jìn)而改變結(jié)構(gòu)的自振周期。這種剛度和自振周期的變化對結(jié)構(gòu)的動力特性產(chǎn)生了多方面的影響。自振周期的縮短使得結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動響應(yīng)更加迅速，能夠更快地調(diào)整自身的狀態(tài)以適應(yīng)地震波的變化。這有助于減少結(jié)構(gòu)在地震中的能量積累，降低結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)構(gòu)剛度的增加使得結(jié)構(gòu)在承受地震力時(shí)的變形減小，能夠更好地保持結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性。在地震作用下，結(jié)構(gòu)的變形往往是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的重要原因之一，通過減小變形，可以有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。然而，自振周期的縮短也可能會使結(jié)構(gòu)的地震力有所增加，因?yàn)榈卣鹆εc結(jié)構(gòu)的自振周期成反比關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮結(jié)構(gòu)剛度和自振周期的變化，合理調(diào)整結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，以確保結(jié)構(gòu)在地震作用下既具有足夠的抗側(cè)力能力，又不會承受過大的地震力。5.1.2地震作用下的內(nèi)力與變形在地震作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分布是評估其抗震性能的重要依據(jù)，通過理論分析和數(shù)值模擬的方法，能夠深入了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供有力的支持。從理論分析的角度來看，在地震作用下，結(jié)構(gòu)會受到慣性力的作用，這些慣性力會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)力分布。對于混凝土框架結(jié)構(gòu)，梁、柱等構(gòu)件會承受彎矩、剪力和軸力的作用。在未加固的情況下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力主要由梁、柱承擔(dān)，由于結(jié)構(gòu)的剛度分布不均勻，一些關(guān)鍵部位，如梁柱節(jié)點(diǎn)處，會承受較大的內(nèi)力，容易出現(xiàn)裂縫、混凝土壓碎等破壞現(xiàn)象。當(dāng)采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固后，防屈曲支撐能夠承擔(dān)一部分地震力，改變結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。在水平地震作用下，防屈曲支撐會產(chǎn)生軸向力，這些軸向力通過連接節(jié)點(diǎn)傳遞給框架結(jié)構(gòu)，使得框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力得到重新分配。原本由梁、柱承擔(dān)的部分內(nèi)力會轉(zhuǎn)移到防屈曲支撐上，從而減輕梁、柱的受力負(fù)擔(dān)，降低其發(fā)生破壞的風(fēng)險(xiǎn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬過程中，選取了合適的地震波，如ELCentro波、Taft波等，并按照規(guī)范要求對地震波進(jìn)行了調(diào)幅，以模擬不同強(qiáng)度的地震作用。對加固前后的結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行了時(shí)程分析，得到了結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形時(shí)程曲線。從模擬結(jié)果可以看出，在多遇地震作用下，加固后結(jié)構(gòu)的梁、柱內(nèi)力明顯減小。梁的最大彎矩從加固前的150kN?m降低到了100kN?m，柱的最大軸力從加固前的800kN降低到了600kN。這表明防屈曲支撐能夠有效地分擔(dān)地震力，減輕梁、柱的受力。從變形分布來看，加固后結(jié)構(gòu)的層間位移角也得到了顯著改善。在多遇地震作用下，未加固結(jié)構(gòu)的最大層間位移角為1/300，而加固后結(jié)構(gòu)的最大層間位移角減小到了1/500，滿足了抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。這說明防屈曲支撐的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力剛度，減小了結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形。通過理論分析和數(shù)值模擬可以得出，內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固能夠有效地改善混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力和變形分布，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和抗震要求，合理設(shè)計(jì)防屈曲支撐的布置形式、數(shù)量和剛度，以充分發(fā)揮其抗震加固作用。還需要進(jìn)一步研究防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作性能，以及在復(fù)雜地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供更加完善的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。5.2彈塑性階段性能5.2.1滯回性能滯回性能是衡量結(jié)構(gòu)在地震等反復(fù)荷載作用下抗震性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它直觀地反映了結(jié)構(gòu)的耗能能力和變形能力。通過對加固前后結(jié)構(gòu)滯回曲線的深入分析，可以全面了解結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的力學(xué)行為，為評估結(jié)構(gòu)的抗震性能提供重要依據(jù)。為了獲取加固前后結(jié)構(gòu)的滯回曲線，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬。在模擬過程中，對未加固的混凝土框架結(jié)構(gòu)和采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固后的結(jié)構(gòu)分別施加低周反復(fù)荷載，模擬地震作用下結(jié)構(gòu)的受力情況。從模擬結(jié)果可以看出，未加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線呈現(xiàn)出較為狹長的形狀。在加載初期，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，荷載與位移基本呈線性關(guān)系，滯回曲線較為狹窄。隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入彈塑性階段，梁柱節(jié)點(diǎn)處開始出現(xiàn)裂縫，梁端和柱端的塑性鉸逐漸發(fā)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，滯回曲線的斜率減小。在反復(fù)加載過程中，由于結(jié)構(gòu)的損傷不斷積累，滯回曲線出現(xiàn)了明顯的捏縮現(xiàn)象，這表明結(jié)構(gòu)在卸載和再加載過程中存在較大的能量損失，耗能能力較弱。與之相比，加固后結(jié)構(gòu)的滯回曲線則顯得更加飽滿。在加載初期，由于內(nèi)嵌式防屈曲支撐的作用，結(jié)構(gòu)的剛度得到了顯著提高，滯回曲線的斜率較大，表明結(jié)構(gòu)能夠承受較大的荷載而變形較小。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后，防屈曲支撐率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過鋼材的塑性變形來耗散大量的地震能量。防屈曲支撐的屈服變形使得結(jié)構(gòu)的滯回曲線出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，此后，滯回曲線逐漸變得飽滿，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力得到了顯著增強(qiáng)。在反復(fù)加載過程中，雖然結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)一定的損傷，但由于防屈曲支撐的耗能作用，結(jié)構(gòu)的損傷積累速度較慢，滯回曲線的捏縮現(xiàn)象相對較輕，結(jié)構(gòu)的變形能力得到了有效提高。為了更直觀地比較加固前后結(jié)構(gòu)的滯回性能，對滯回曲線的耗能能力和延性進(jìn)行了量化分析。耗能能力通常用滯回曲線所包圍的面積來表示，面積越大，表明結(jié)構(gòu)的耗能能力越強(qiáng)。通過計(jì)算可知，加固后結(jié)構(gòu)滯回曲線所包圍的面積明顯大于未加固結(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步證明了內(nèi)嵌式防屈曲支撐能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的耗能能力。延性則是衡量結(jié)構(gòu)在破壞前能夠承受的塑性變形能力的指標(biāo)，通常用位移延性系數(shù)來表示。位移延性系數(shù)等于結(jié)構(gòu)的極限位移與屈服位移的比值，比值越大，表明結(jié)構(gòu)的延性越好。計(jì)算結(jié)果表明，加固后結(jié)構(gòu)的位移延性系數(shù)也明顯大于未加固結(jié)構(gòu)，這說明內(nèi)嵌式防屈曲支撐的設(shè)置有效地提高了結(jié)構(gòu)的延性，使結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠更好地吸收和耗散能量，避免發(fā)生脆性破壞。5.2.2極限承載力與破壞模式極限承載力是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)之一，它反映了結(jié)構(gòu)在承受最大荷載時(shí)的承載能力。破壞模式則直觀地展示了結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞過程和破壞部位，對于深入理解結(jié)構(gòu)的抗震性能和破壞機(jī)理具有重要意義。通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等方法，可以全面了解內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的極限承載力和破壞模式。從理論分析的角度來看，內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)的極限承載力受到多種因素的影響，如支撐的布置形式、支撐的數(shù)量、支撐的剛度以及混凝土框架結(jié)構(gòu)的自身性能等。在合理的支撐布置和設(shè)計(jì)參數(shù)下，防屈曲支撐能夠有效地分擔(dān)地震力，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。當(dāng)防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作時(shí)，支撐在受壓和受拉狀態(tài)下都能充分發(fā)揮其力學(xué)性能，通過自身的屈服變形來耗散能量，從而保護(hù)主體結(jié)構(gòu)，提高結(jié)構(gòu)的極限承載力。為了驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，利用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了數(shù)值模擬。在模擬過程中，對加固后的結(jié)構(gòu)模型逐漸施加荷載，直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)。通過分析模擬結(jié)果可知，加固后結(jié)構(gòu)的極限承載力得到了顯著提高。與未加固結(jié)構(gòu)相比，加固后結(jié)構(gòu)能夠承受更大的荷載，這表明內(nèi)嵌式防屈曲支撐的設(shè)置有效地增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的承載能力。從破壞模式來看，未加固的混凝土框架結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限承載力后，梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)嚴(yán)重的破壞，梁端和柱端的塑性鉸充分發(fā)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去承載能力而倒塌。而加固后的結(jié)構(gòu)在達(dá)到極限承載力時(shí)，破壞主要集中在防屈曲支撐上，支撐的核心單元發(fā)生屈服和局部破壞，通過塑性變形耗散了大量的能量。混凝土框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)雖然也出現(xiàn)了一定程度的損傷，但損傷相對較輕，結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性得到了較好的保持。為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的結(jié)果，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)中，對采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固的混凝土框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行加載，直至結(jié)構(gòu)破壞。試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，加固后結(jié)構(gòu)的極限承載力明顯提高，破壞模式主要表現(xiàn)為防屈曲支撐的屈服和局部破壞，混凝土框架結(jié)構(gòu)的損傷得到了有效控制。通過對試驗(yàn)過程的觀察和分析可知，在加載初期，結(jié)構(gòu)的變形較小，防屈曲支撐和混凝土框架結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，共同承擔(dān)荷載。隨著荷載的增加，防屈曲支撐率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，開始耗散能量，結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，防屈曲支撐的損傷逐漸加劇，最終發(fā)生局部破壞。雖然混凝土框架結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一些裂縫和塑性鉸，但由于防屈曲支撐的保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)生倒塌，仍然保持了一定的承載能力。通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究可以得出，內(nèi)嵌式防屈曲支撐加固混凝土框架結(jié)構(gòu)能夠顯著提高結(jié)構(gòu)的極限承載力，改變結(jié)構(gòu)的破壞模式，使結(jié)構(gòu)在地震作用下具有更好的抗震性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和抗震要求，合理設(shè)計(jì)防屈曲支撐的布置形式、數(shù)量和剛度，以充分發(fā)揮其抗震加固作用。還需要進(jìn)一步研究防屈曲支撐與混凝土框架結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作性能，以及在復(fù)雜地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)和加固提供更加完善的理論支持和技術(shù)指導(dǎo)。六、工程案例分析6.1項(xiàng)目概況本案例為某既有混凝土框架結(jié)構(gòu)商業(yè)建筑，位于城市中心區(qū)域，周邊建筑密集。該建筑地上共6層，地下1層，總建筑面積達(dá)15000平方米。建筑平面呈矩形，長60米，寬30米，首層層高4.5米，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.6米。建筑結(jié)構(gòu)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，梁、柱混凝土強(qiáng)度等級為C30，鋼筋采用HRB400。該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。原結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)雖考慮了抗震要求，但隨著城市發(fā)展和抗震規(guī)范的更新，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的抗震性能已無法滿足最新要求。在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角接近規(guī)范限值，在設(shè)防地震和罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)存在較大的安全隱患，部分梁柱節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)裂縫，柱端塑性鉸發(fā)展較為明顯，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的局部破壞甚至倒塌。為了提高該建筑的抗震性能，保障其在地震中的安全使用，決定采用內(nèi)嵌式防屈曲支撐對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。6.2加固設(shè)計(jì)與實(shí)施根據(jù)該建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和抗震要求，采用全鋼約束型防屈曲支撐進(jìn)行加固。支撐布置遵循均勻分散和結(jié)合結(jié)構(gòu)薄弱部位布置的原則。在結(jié)構(gòu)的四個(gè)角部以及每一層的框架柱之間設(shè)置X形支撐，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向上的抗側(cè)力能力。在結(jié)構(gòu)的端部以及層數(shù)變化處等薄弱部位，加密支撐布置，提高這些部位的抗震能力。共布置了36根防屈曲支撐，使支撐在結(jié)構(gòu)中均勻分布，有效提高結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。連接節(jié)點(diǎn)采用銷軸連接節(jié)點(diǎn)，在支撐端部設(shè)置銷軸孔，通過銷軸將支撐與框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)板連接。節(jié)點(diǎn)板采用Q345鋼材制作，厚度為20mm，以確保節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。在節(jié)點(diǎn)板與框架結(jié)構(gòu)的連接部位，設(shè)置加勁板進(jìn)行加固，防止節(jié)點(diǎn)板在受力時(shí)發(fā)生變形或破壞。銷軸采用40Cr鋼材制作，直徑為30mm，保證銷軸具有足夠的強(qiáng)度和韌性，能夠可靠地傳遞支撐與框架之間的內(nèi)力。在實(shí)施過程中，首先對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的檢測和評估，確定了結(jié)構(gòu)的損傷情況和承載能力。對結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件裂縫等進(jìn)行了檢測，評估結(jié)構(gòu)的抗震性能現(xiàn)狀。根據(jù)檢測評估結(jié)果，制定了詳細(xì)的加固施工方案，明確了施工流程和質(zhì)量控制要點(diǎn)。在施工過程中，嚴(yán)格按照施工方案進(jìn)行操作，確保施工質(zhì)量。在支撐安裝過程中，采用高精度的測量儀器，確保支撐的安裝位置和角度準(zhǔn)確無誤。對連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)，采用超聲波探傷等方法，檢測節(jié)點(diǎn)的焊接質(zhì)量和銷軸的安裝質(zhì)量，確保節(jié)點(diǎn)的可靠性。6.3加固效果評估在完成加固施工后，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的現(xiàn)場檢測。采用無損檢測技術(shù)，如超聲波檢測、回彈法等，對混凝土框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行檢測，確保加固施工過程中未對原結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度造成不利影響。通過現(xiàn)場測量，檢查防屈曲支撐的安裝位置和連接節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量，確保支撐安裝牢固，連接節(jié)點(diǎn)符合設(shè)計(jì)要求。利用位移計(jì)和加速度傳感器，對結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下的振動響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，獲取結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等動力特性參數(shù)。檢測結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，防屈曲支撐安裝位置準(zhǔn)確，連接節(jié)點(diǎn)牢固可靠。結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型與加固設(shè)計(jì)預(yù)期相符，說明加固施工質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)的整體性能得到了有效保障。利用有限元軟件ABAQUS對加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。在模擬過程中，考慮了結(jié)構(gòu)的材料非線性、幾何非線性以及接觸非線性等因素，確保模擬結(jié)果能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的實(shí)際響應(yīng)。對加固后的結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震作用下的時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)的層間位移角、結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)、構(gòu)件內(nèi)力等關(guān)鍵抗震性能指標(biāo)的時(shí)程曲線。通過對時(shí)程曲線的分析，評估結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的抗震性能。在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角控制在1/550以內(nèi)，滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)較小，構(gòu)件內(nèi)力也在允許范圍內(nèi)，說明結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下能夠保持良好的工作狀態(tài)。在設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角略有增大，但仍控制在1/250以內(nèi)，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)和構(gòu)件內(nèi)力也處于可接受的范圍。此時(shí)，防屈曲支撐開始進(jìn)入屈服狀態(tài)，通過塑性變形耗散部分地震能量，有效保護(hù)了主體結(jié)構(gòu)。在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移角增大到1/120，但結(jié)構(gòu)并未發(fā)生倒塌，仍具有一定的承載能力。防屈曲支撐充分發(fā)揮了耗能作用，其塑性變形消耗了大量的地震能量，使結(jié)構(gòu)的損傷得到了有效控制。通過現(xiàn)場檢測和數(shù)值