引言

地震对建筑物产生的灾害后果十分严重，随着城市化进程的不断加快，具有抗震加固需求的建筑越来越多。对于既有建筑抗震加固，传统的加固方法是通过增加结构构件的强度或刚度来减轻地震作用下结构的破坏程度从而提高结构抵御地震的能力。消能减震加固是目前比较先进的加固技术，其通过调整结构的受力方式，减小地震作用对结构的破坏，从而使得房屋结构构件本身不加固或少加固就能达到预期的效果。同时《建设工程抗震管理条例》自2021年9月1日起正式实施后，极大推动了消能减震加固技术在工程中的应用。《条例》第21条中强调两区八类建筑经过充分论证后采取隔震减震技术，保证其抗震性能符合抗震设防强制性标准。本文以4层框架结构建筑抗震加固工程为背景，运用SAUSG-JG软件对其在多遇地震作用和罕遇地震作用下动力响应进行模拟分析。通过层间位移角、耗能能力及结构损伤等指标，分析防屈曲支撑（BRB）对既有框架结构建筑抗震加固的效果。

1、工程概况

本工程竣工于1988年，原结构为四层钢筋混凝土框架，结构尺寸为42mX18m，高度为16.43m，主要构件截面为框架柱：400 mm x450mm，框架梁：300 mm x700mm~300 mm x800mm，板厚：2~4层厚100mm、屋面层厚80mm，混凝土等级为C25。原结构使用功能为仓库，现改造为养老院，其中改造内容见图1。改造后建筑使用年限30年，对应《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）（简称鉴定标准）中的A类建筑，经第三方检测公司提供检测报告显示原结构不满足鉴定标准中第一级鉴定要求，需要进行以抗震验算为主结合构造影响的第二级鉴定。本工程按照鉴定标准的要求进行加固设计，加固前后设计参数对比见表1。（本工程得到了华东建筑设计研究院赵杨赵工的技术支持）

图1 原结构改造内容示意

表1 设计参数对比

2、加固方案

2.1加固方案选取

通过对未加固结构多遇地震下分析结果可知结构X向最大层间位移角达1/367，Y向为1/382，不满足多遇地震下层间位移角限值1/550，可知结构的层间刚度不满足规范要求，因此需要采取相应的加固措施。

通过对原结构分析结果可知，除了结构层间位移角不满足要求外，大部分框架柱轴压比超限以及部分梁的抗震承载能力不足，因此这些构件都需要进行加固处理，工程量相对较大，工期较长，不利于施工。而采用消能减震加固方案时，在满足结构层间刚度的同时，还需实现以下设计目标：

1) 多遇地震作用下，阻尼器主要给主体结构提供抗侧刚度，使结构层间变形满足规范要求；

2) 罕遇地震作用下，阻尼器先于结构进入屈服状态，为主体结构提供附加阻尼，减少输入结构的地震能量，从而提高结构抗震能力；

3) 充分考虑建筑结构的可利用空间，不改变结构受力体系，不影响建筑使用功能。

经过多方面的比选，本工程最终选用了消能减震加固方案，采用防屈曲支撑（BRB）作为提供刚度和耗能的减震装置，同时仅子结构柱采用外包钢板加固，需要注意的是由于BRB及子结构柱外包钢板增加了结构的刚度，会使结构地震作用增大，尤其是增加子结构的受力，因此需要对消能子结构进行承载能力验算。

2.2阻尼器布置及参数

阻尼器按照对称、均匀、周边、分散的大原则，根据结构的特点及建筑格局的布置要求，在尽量不影响现有结构设计的前提下，充分利用适于布置的位置。经过优化设计后，在结构一层、二层布置消能器，如下图2所示，产品参数如下表2所示。

图2 二层阻尼器布置（一层相同位置）

表2 防屈曲支撑（BRB）相关参数

3、多遇地震计算分析

3.1多遇地震计算参数

基于上述确定的阻尼器布置方案，在PKPM里面进行反应谱分析，同时依据上海市《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013选取2条人工波，5条天然波作为多遇地震下的时程补充计算。在时程分析计算之前首先验证SAUSG模型与PKPM模型的一致性，对比两模型的基本参数，见下表3。由下表可知两个模型整体质量及前三周期误差在5%以内，说明两个模型相差不大可以用于数值模拟计算。

表3 模型参数对比

3.2多遇地震计算结果

图3 多遇地震作用下结构层间位移角

图4 阻尼器滞回曲线及BRB最大轴力

在设计软件中对加固后的模型进行反应谱分析，得到结构最大弹性层间位移角X向1/691，Y向1/702，满足规范要求的多遇地震作用下框架结构层间位移角限值1/550。上图3为多遇地震作用下结构层间位移角对比图，由图可知七条地震波作用下层间位移角平均值与反应谱计算的到的层间位移角比较接近，同时满足规范要求限值。图4为防屈曲支撑（BRB）的滞回曲线及最大轴力统计表，所有BRB的滞回曲线均为直线没有形成滞回环，同时从右侧BRB最大轴力情况可以看出，多遇地震作用下所有BRB轴力均小于其屈服承载力，因此可知多遇地震作用下BRB处于弹性阶段，满足多遇地震作用下的设计目标。

4 、罕遇地震弹塑性分析

4.1 结构模型信息

PKPM鉴定加固模块可以直接接力SAUSG-JG软件进行大震弹塑性分析，PKPM鉴定加固模块自动识别施工图导入结构实际配筋并且布置好相应的消能器进行反应谱分析，而SAUSG-JG软件可以导入PKPM鉴定加固模块结果中的实际配筋和计算配筋，工程师可以根根需求采取相应的配筋方式。两款软件的计算模型如下图5（设计模型顶层新加电梯顶盖，此部分属于附属结构，相应的荷载已经施加到SAUSG-JG模型中）。前文表3已经对比了两款软件模型的基本动力特性，两个模型一致性较好可以接力SAUSG-JG进行大震弹塑性分析。

图5 计算模型

4.2 地震动信息

该结构大震弹塑性分析采用两条天然波SHW10波、SHW11波和一条人工波SHW9波。本算例采用双向地震动输入（X向：Y向=1:0.85）。下表4为时程波的基本信息，下图6为选取主方向地震动谱与规范谱的对比，符合上海市《建筑抗震设计规程》DGJ08-9-2013选波规定。

表4 时程波详细信息

图6 地震动谱

4.3 动力分析结果

4.3.1 结构层间位移角

表5 最大楼层位移角

图7 罕遇地震下结构楼层位移角

上图表为结构罕遇地震作用下结构最大层间位移角，三条地震波下结构X向最大层间位移角为1/81，Y向最大层间位移角为1/86，满足罕遇地震作用下层间位移角限值1/80的要求（设计院按照甲方要求满足上海市《建筑消能减震及隔震技术标准》DG/TJ08-2326-2020即可）。

4.3.2 能量图及阻尼器滞回曲线

图8 阻尼器耗能曲线图

图9 阻尼器滞回曲线图

图8为阻尼器能量曲线图及阻尼器提供的附加阻尼比，由图可知人工波SHW9与天然波SHW11作用下，阻尼器提供的附加阻尼比相差较小，都在2.1%左右，而天然波SHW10作用下阻尼器提供的附加阻尼比稍小，在1.5%及以下。图9为阻尼器在罕遇地震作用下的滞回曲线，由图可知SHW10地震波作用下结构一层两个方向布置的消能器滞回曲线相对不饱满，其它滞回曲线均饱满，此情况与能量曲线图相对应，因此可知SHW10地震作用下阻尼器相对耗能较小。

4.3.3子结构损伤及承载力验算

图10为结构整体受压损伤系数分布图，子结构的受压损伤系数基本在0.3以下，处于中度损伤及以下。图11为子结构构件的PMM曲线图，由图可知罕遇地震作用下构件时程内力基本在极限承载能力范围内，满足性能要求。

5、小结

本文针对一个利用防屈曲支撑进行加固改造的框架结构，基于SAUSG-JG软件对其进行多遇和罕遇地震作用下的响应分析及性能评价，主要结论如下：

1. 加固后结构满足多遇地震作用下层间变形要求，并且满足加固方案阶段预定的设计目标，即BRB支撑在多遇地震作用下只向主体结构提供刚度以减小层间变形；

2. 加固后结构满足罕遇地震作用下层间变形要求，BRB支撑滞回曲线比较饱满耗能充分，减少了结构的损伤，其提供的附加阻尼满足加固结构设计需求，子结构在罕遇地震作用下基本满足构件极限承载能力要求；

3. 采用BRB支撑消能减震加固方案相对于传统的加固方案，其具有减小加固量，方便施工，缩短施工工期等诸多优点。