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摘要：钢筋混凝土框架结构在服役期内不可避免地要进行维护，同时还可能由于设计、施工或使用功能的改变等原因进行工程的改造加固。本章将研究基于几种不同型号的外包钢加固方法提高构件承载力，研究整体结构在不同设防水准地震(多遇和罕遇地震)作用下结构抗震性能的影响，从中得到对实际工程有意义的结论。
关键词：混凝土柱 角钢加固
一、工程实例
1、工程概况
某五层的框架结构综合教学楼，采用独立基础。柱网为6.6m×7.5m，结构平面见图4.1。各层结构层高均取为3.870m，总高度为19.50m，。楼面内外墙为加气混凝土砌块，内墙砌块厚度为200mm，重度为7kN/m3 ，外墙砌体厚度为300mm，重度为12kN/m3。楼面活荷载为2.0kN/m2，二次装修面荷载标准值为2.0kN/m2，屋面恒载为4.0 kN/m2，雪荷载为0.5kN/m2。结构所处地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，场地类别为III类。
2、加固方案
拟采取以下措施对柱进行加固，分别采用几种加固方案进行比较。
①方案一：对底层框架柱，采用4L75×5角钢加固。
②方案二：对底层框架柱，采用4L80×6角钢加固。
③方案三：对底层框架柱，采用4L90×8角钢加固。
角钢安放在柱子的四个角上扣好，四个角钢用缀板水平连接，缀板均采用-50mm ×6 mm，间距均为200 mm。分布在柱子四个立面。
二、侧向水平加载模式与分析工况
本文采用有限元分析软件SAP2000进行结构分析，工程实例结构比较规则，结构的第一周期为Y方向的平动，结构的反应受到高阶振型的影响不大，故可以采用常用的两种侧向水平加载模式：①Y方向的均匀分布水平加载模式ACCEL-Y；②Y方向倒三角水平加载模式MODEL-1Y。
本文采用的分析工况为：
工况1：非线性重力荷载+Y方向均匀分布水平加载模式；
工况2：非线性重力荷载+倒三角水平加载模式。
本文取初始控制位移为450mm。
三、外包钢加固框架柱的抗震性能分析评估
1、基底剪力-顶点位移分析
在两种侧向加载模式下，加载初期，结构处于线弹性工作阶段。随着侧向荷载进一步增加，结构整体刚度逐渐降低，相同位移时采用角钢加固框架柱结构的刚度、基底剪力均大于加固前结构。在均布加载模式ACCEL-Y下，加固前结构的基底剪力为10213.85kN，采用方案一、方案二、方案三加固后结构较加固前分别增大2.91%、3.83%、5.82%。在MODEL-1Y下，加固前结构的基底剪力为7956.80kN，加固后结构较加固前分别增大2.68%、4.35%、5.68%。由上面的分析可知，随着角钢型号的增大，加固后结构的刚度逐渐增大，承载力也不断增大。
2、性能点的分析
结构加固前后在八度罕遇地震作用下的性能点和程序自动转换的基底剪力-顶点位移。可以得出加固前结构在ACCEL-Y加载模式下达到性能点时的顶点位移为158.957mm，采用方案一、二、三加固后较加固前分别减小了1.17% 、1.35% 、1.53%。在加载模式MODEL-1Y下加固前结构达到性能点时的顶点位移为182.309mm，加固后较加固前分别减小了1.74% 、1.91% 、2.06 %。从以上分析可知，结构加固后在两种侧向水平加载模式下性能点的基底剪力均增大，顶点位移减小，结构在罕遇地震下的变形能力有所改善，抗震能力提高。结构的位移反应能力大于结构的位移，说明结构的抗震性能满足八度罕遇地震作用下的弹塑性变形要求。
3、层间位移及层间位移角
八度罕遇地震作用下，在两种侧向加载模式下对结构底层采用外包钢加固后，结构层间位移角状况发生重大改变，底层层间位移角大大降低的同时，第二层层间变形位移角变化也很大，但结构加固前后的第二层的层间位移角仍最大。此外，底层柱的加强程度不同，对加固结构影响的差别主要表现在底层和二层的层间位移上，对上层的影响甚微。
三、小结
（1）外包角钢加固钢筋混凝土框架结构，在提高构件的承载力同时也改变了结构的动力特性，使结构的周期减小，频率增大，属于刚性加固，结构在采用外包角钢加固前后的第一主振型的形状未发生变化，在其结构刚度较弱的方向易发生破坏，侧向位移也较大。
（2）外包角钢加固结构初始刚度增加不多。随着侧向荷载进一步增加，结构整体刚度逐渐降低，采用角钢加固框架柱后结构的刚度明显增加，结构的承载力有所提高。在侧向荷载作用下，采用角钢加固底层结构柱基底剪力提高2.91～5.82%；采用角钢加固底层和二层结构柱基底剪力提高3.15～5.99%。
（3）结构加固后在多遇地震作用下达到性能点时的基底剪力、顶点位移发生了少量的变化，但加固的角钢类型影响不很明显。在罕遇地震作用下，结构采用角钢加固底层柱后达到性能点时的顶点位移较加固前增大2.0%左右，加固一、二层柱后达到性能点时的顶点位移较加固前增大3.5%左右。由此可见，加固柱对结构的楼层整体位移影响不是很大。
（4）在罕遇地震作用下，加固底层结构柱底层位移增加38.7～42.8%，一、二层层间位移角大大降低，结构加固前后的最大层间位移角所在楼层没有发生变化，对上层层位移和层间位移角的影响甚微。加固一、二层结构柱，底层位移增加37.8～39.7%，二层位移增加26.6～28.9%，三层位移增加9.6～12.4%，一、二层层间位移角大大降低，结构的最大层间位移角位置向上层转移，结构更趋于安全。
参考文献：
[1]柳柄康，吴盛兴，周安．工程结构鉴定与加固[M].北京:中国建筑工业出版社，2000：1-6
[2]建筑物鉴定与加固论文集(第四届)[C].1998.11
[3]张华，卢亦焱.钢筋混凝土柱加固方法及设计分析[J].特种结构，2005年3月，第22卷第1期：86-88
关键词：混凝土柱 角钢加固
一、工程实例
1、工程概况
某五层的框架结构综合教学楼，采用独立基础。柱网为6.6m×7.5m，结构平面见图4.1。各层结构层高均取为3.870m，总高度为19.50m，。楼面内外墙为加气混凝土砌块，内墙砌块厚度为200mm，重度为7kN/m3 ，外墙砌体厚度为300mm，重度为12kN/m3。楼面活荷载为2.0kN/m2，二次装修面荷载标准值为2.0kN/m2，屋面恒载为4.0 kN/m2，雪荷载为0.5kN/m2。结构所处地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，场地类别为III类。
2、加固方案
拟采取以下措施对柱进行加固，分别采用几种加固方案进行比较。
①方案一：对底层框架柱，采用4L75×5角钢加固。
②方案二：对底层框架柱，采用4L80×6角钢加固。
③方案三：对底层框架柱，采用4L90×8角钢加固。
角钢安放在柱子的四个角上扣好，四个角钢用缀板水平连接，缀板均采用-50mm ×6 mm，间距均为200 mm。分布在柱子四个立面。
二、侧向水平加载模式与分析工况
本文采用有限元分析软件SAP2000进行结构分析，工程实例结构比较规则，结构的第一周期为Y方向的平动，结构的反应受到高阶振型的影响不大，故可以采用常用的两种侧向水平加载模式：①Y方向的均匀分布水平加载模式ACCEL-Y；②Y方向倒三角水平加载模式MODEL-1Y。
本文采用的分析工况为：
工况1：非线性重力荷载+Y方向均匀分布水平加载模式；
工况2：非线性重力荷载+倒三角水平加载模式。
本文取初始控制位移为450mm。
三、外包钢加固框架柱的抗震性能分析评估
1、基底剪力-顶点位移分析
在两种侧向加载模式下，加载初期，结构处于线弹性工作阶段。随着侧向荷载进一步增加，结构整体刚度逐渐降低，相同位移时采用角钢加固框架柱结构的刚度、基底剪力均大于加固前结构。在均布加载模式ACCEL-Y下，加固前结构的基底剪力为10213.85kN，采用方案一、方案二、方案三加固后结构较加固前分别增大2.91%、3.83%、5.82%。在MODEL-1Y下，加固前结构的基底剪力为7956.80kN，加固后结构较加固前分别增大2.68%、4.35%、5.68%。由上面的分析可知，随着角钢型号的增大，加固后结构的刚度逐渐增大，承载力也不断增大。
2、性能点的分析
结构加固前后在八度罕遇地震作用下的性能点和程序自动转换的基底剪力-顶点位移。可以得出加固前结构在ACCEL-Y加载模式下达到性能点时的顶点位移为158.957mm，采用方案一、二、三加固后较加固前分别减小了1.17% 、1.35% 、1.53%。在加载模式MODEL-1Y下加固前结构达到性能点时的顶点位移为182.309mm，加固后较加固前分别减小了1.74% 、1.91% 、2.06 %。从以上分析可知，结构加固后在两种侧向水平加载模式下性能点的基底剪力均增大，顶点位移减小，结构在罕遇地震下的变形能力有所改善，抗震能力提高。结构的位移反应能力大于结构的位移，说明结构的抗震性能满足八度罕遇地震作用下的弹塑性变形要求。
3、层间位移及层间位移角
八度罕遇地震作用下，在两种侧向加载模式下对结构底层采用外包钢加固后，结构层间位移角状况发生重大改变，底层层间位移角大大降低的同时，第二层层间变形位移角变化也很大，但结构加固前后的第二层的层间位移角仍最大。此外，底层柱的加强程度不同，对加固结构影响的差别主要表现在底层和二层的层间位移上，对上层的影响甚微。
三、小结
（1）外包角钢加固钢筋混凝土框架结构，在提高构件的承载力同时也改变了结构的动力特性，使结构的周期减小，频率增大，属于刚性加固，结构在采用外包角钢加固前后的第一主振型的形状未发生变化，在其结构刚度较弱的方向易发生破坏，侧向位移也较大。
（2）外包角钢加固结构初始刚度增加不多。随着侧向荷载进一步增加，结构整体刚度逐渐降低，采用角钢加固框架柱后结构的刚度明显增加，结构的承载力有所提高。在侧向荷载作用下，采用角钢加固底层结构柱基底剪力提高2.91～5.82%；采用角钢加固底层和二层结构柱基底剪力提高3.15～5.99%。
（3）结构加固后在多遇地震作用下达到性能点时的基底剪力、顶点位移发生了少量的变化，但加固的角钢类型影响不很明显。在罕遇地震作用下，结构采用角钢加固底层柱后达到性能点时的顶点位移较加固前增大2.0%左右，加固一、二层柱后达到性能点时的顶点位移较加固前增大3.5%左右。由此可见，加固柱对结构的楼层整体位移影响不是很大。
（4）在罕遇地震作用下，加固底层结构柱底层位移增加38.7～42.8%，一、二层层间位移角大大降低，结构加固前后的最大层间位移角所在楼层没有发生变化，对上层层位移和层间位移角的影响甚微。加固一、二层结构柱，底层位移增加37.8～39.7%，二层位移增加26.6～28.9%，三层位移增加9.6～12.4%，一、二层层间位移角大大降低，结构的最大层间位移角位置向上层转移，结构更趋于安全。
参考文献：
[1]柳柄康，吴盛兴，周安．工程结构鉴定与加固[M].北京:中国建筑工业出版社，2000：1-6
[2]建筑物鉴定与加固论文集(第四届)[C].1998.11
[3]张华，卢亦焱.钢筋混凝土柱加固方法及设计分析[J].特种结构，2005年3月，第22卷第1期：86-88