基于分灾模式的混凝土梁抗弯加固设计与实验分析

陈剑波，仝亮 (南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188)

0 前言

在传统的建筑加固设计中，很多抗震加固方法都已经非常成熟了，它们的设计理念都是基于对单个构件进行适当的加固来实现抗震耗能的，比如增加构件截面法、粘贴纤维复合材料法或者外包钢加固法等。而基于分灾模式的混凝土梁抗弯加固设计是从单个构件的抗震加固发展到对整体加入分灾元件的体系加固新理念。当建筑结构受到地震作用时，设计师的思路一般是从改变建筑结构本身的性能，来达到减少地震作用的效果。比如说改变建筑结构的周期，如增大周期，这样就会使得建筑结构的刚度有所减小，地震作用也将随着刚度的减小而变小；也可以通过增加建筑结构的阻尼，建筑结构阻尼的加大同样会减少地震的作用影响。另一方面，设计师是通过增加整个建筑结构的单个构件的承载力来增加整体结构的抗震能力，即前面所提到的外包钢加固法等。而一种新的设计概念则是基于分灾模式情况下，建筑结构有效地实现整体防灾的设计。也就是指，当建筑结构在地震作用下，分灾结构首先直接发挥其分灾作用，通过其自身的特有性能以及自身的消耗来分担地震对于建筑主体结构所产生的破坏，从而达到保护原建筑主体结构的目的，有效地保证了原建筑的正常使用。

1 分灾模式下的混凝土梁抗弯承载力计算

考虑采用分灾模式的设计理念，即在原有的建筑结构中加入分灾元件来提高原有结构的整体性、延性和耗能能力。在待建建筑中加入分灾元件，在遇到小于设防烈度的地震时，分灾元件可以提高原结构的整体承载力；而在遇到大于设防烈度的地震时，分灾元件通过自身的能量消耗，成为抵抗地震的第一道防线，从而达到减少地震破坏作用，达到保护原建筑结构，实现“大震不倒”的设防目标。分灾构件的设计目的在于分担整体主体结构的部分地震作用，所以在设计分灾构件时，主要考虑几个方面：首先是分灾构件本身性能特征的设计，如从分灾构件的自身承载力、构件的延性和耗能能力方面进行考虑，全面增加该构件的分灾能力；其次要考虑分灾构件的位置设计，作为能首当其冲的为原主体结构分担地震作用的关键辅助构件，应成为原建筑结构抵抗地震的第一道关键防线，所以应根据原主体结构的整体受力特点、传力路径来精心设计；另外，在设计分灾构件时，也应从如何让分灾构件更有效地吸收更多的地震作用来进行设计考虑。

1.1 分灾模式下的混凝土梁截面系数计算

假设分灾模式设计下仍符合平截面设定[1]，可求得截面受压区高度公式：

考虑分灾元件的分担作用，可引入分灾系数，αE表示分灾系数。

可计算出混凝土梁抗弯加固设计后的梁底初始拉应变：

1.2 分灾模式设计后梁的正截面抗弯承载力

依据《混凝土结构规范》计算原则，可得出梁正截面极限抗弯承载力为[2]：

以上公式中：fy表示钢筋屈服强度、ffu分灾强度、表示受压钢筋应力，Af表示抗弯加固强度，以此计算梁正截面极限抗弯承载力。

2 基于分灾模式的结构设计模型

采用分灾模式的结构设计模型，即通过在原有的建筑结构周围引入分灾元件（如分灾钢筋混凝土柱和分灾钢筋混凝土梁），为了模拟整体结构的抗震情况，图1表示的是在主体结构中设计了分灾构件，分灾构件就是原主体结构抗震的第一道防线，当原主体结构在承受地震作用时，通过分灾构件吸收地震能量来达到消耗能量的目的，从而保证原主体结构的安全正常使用。图2中的实线表示的是原主体结构的主要构件，而虚线表示的是能够消耗一部分地震作用的分灾元件。因此在设计时，分灾元件应该设计为能够吸收足够多的地震能量，否则将达不到原有设计目的。一般可以考虑增加分灾构件的承载力、调整分灾构件与原主体结构的刚度比，让结构出现塑性铰时首先出现在分灾构件，从而能够让分灾构件吸收到够多的地震能量；同时可以把分灾构件延性、抗侧刚度进行设计性的提升，这样同样可以增加分灾构件的耗能能力。设计模型原理如图1和图2所示。

图1 基于分灾模式的抗弯加固设计理念图

图2 基于分灾模式的结构设计模型

从图1和图2中可以看出，整个抗震加固体系包括了原主体结构和分灾子构件[3]。原主体结构能够满足原有的设计使用功能，而分灾元件在受到破坏时不会对原有建筑结构产生太大的影响，在地震来临时，分灾元件成为了原建筑结构的第一道分灾防线，通过分灾元件的自身耗能，改变了整体结构的动力特性，减少了地震荷载的作用，较好地保护了原结构体系。

3 分灾模式的混凝土梁抗弯加固实验分析评估

用于实验的基于抗灾模式钢筋混凝土梁的数据采用：强度等级为C25，龄期28天，根数3根。把其中不引入分灾元件的梁作为样本对照梁，用L1表示。其他的两根梁加入分灾元件，用L2和L3表示。加入的分灾元件数据[4]如表1～表2所示。

分灾元件柱的信息数据 表1

分灾元件梁的信息数据 表2

通过实验数据分析可知，加入分灾元件后2根混凝土梁底部剪力与位移变化，对比样本对照梁的数据，如图3和图4所示。

图3 分灾模式下梁L2与对照梁L1对比图

图4 分灾模式下梁L3与对照梁L1对比图

从图3可以看出，加入了分灾元件的梁L2的底部剪力明显高于不含分灾元件的样本对照梁L1，这说明了分灾元件能有效提高结构体系的抗震性能[5]。

同样从图4可以看出，采用分灾元件的梁L3底部剪力明显高于样本对照梁L1，说明加入分灾元件的混凝土梁可有效提高抗弯加固性能。

4 结语

通过文中分灾模式受弯梁承载力的公式建立以及实验分析数据可知，基于分灾模式的结构抗震加固方法在实际工程中是具备可行性的。在已有的结构抗震加固设计上，引入结构分灾元件的思想，该方法不仅能够提高原建筑结构的整体承载力，还能够增强结构体系的整体延性和耗能性能，可较好地利用分灾元件消减地震作用，提高了原有结构的可靠度，更好地保护了原有建筑结构的整体安全。