一种创新的具有分级损伤控制的钢筋混凝土框架结构抗震加固策略

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：An Innovative Seismic Retrofitting Strategy with Staged-Damage Control for RC frames

　　

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  提出了一种分级损伤加固策略，以增强钢筋混凝土框架的抗震韧性。
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  分级响应旨在有利地利用软弱层机制。
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  所提方案调控层间位移的发展过程。
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  该方法在防倒塌极限状态下表现出优越的可靠性。
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  期望年损失低于支撑加固和阻尼器加固方案。

引言

大量既有钢筋混凝土框架是按过时的抗震规范设计的。地震期间，这些结构常常遭受明显的软弱层破坏机制，构成人员伤亡和经济损失的风险，对城市抗震安全和韧性构成严峻挑战[1]。因此，对这些框架进行加固已成为迫切需求[2]。然而，除了确保重大地震事件中的人员安全外，一个关键但常被忽视的挑战是如何在频繁的中低强度地震中最大限度地减少修复难度和经济损失。

大量研究已建立了各种抗震加固策略，主要集中在增强结构延性、刚度和承载力方面[3]。钢增强灌浆[4]、钢套筒加固[5]、工程水泥基复合材料[6]和纤维增强混凝土[7]等技术已被深入研究，并在提高构件层面承载力方面展示了优势。然而，这些方法通常伴随着复杂的施工过程和对结构的不利干预，如占用净空和可用空间、大面积拆除装饰面层[8]以及过长的停工时间[9]。

作为替代方案，系统层面的解决方案如钢支撑[10]或剪力墙[11]可以显著增强结构的侧向刚度和承载力。在实践中，由于钢支撑自重轻、占地小[12]，往往更受青睐。研究表明，钢支撑可以有效地降低层间位移角需求[13]。对于软弱层结构，已开发出创新性的高强度复合支撑系统来加强关键底层并提高刚度[14]。尽管研究人员已识别出某些缺陷，如连接破坏[15]和延性降低[16]，但这些都可以通过专门的构造细节来减轻。然而，这些"硬加固"策略存在潜在风险：局部的强度显著增加会改变结构的内力分布，可能导致非预期区域过早屈服[17]。此外，增加初始刚度会改变结构的动力特性，可能放大地震力并对基础产生不利影响[18]。尽管存在这些局限性，由于成本低且满足抗震规范要求简便，此类措施在发展中国家仍然很受欢迎。

为了进一步减轻地震需求，耗能器和振动控制装置已成为加固中的关键解决方案。例如，黏滞阻尼器的减震效果已得到验证[19]，而金属阻尼器由于其经济性和易于维护而获得了更广泛的关注[20]。近年来，抗震设计理念已从单纯关注生命安全转向结构韧性和可恢复性[21]。在这一框架下，阻尼器充当结构保险丝，将损伤集中在可更换的部件中以保护主体结构[22]。然而，大多数现有研究集中在新建工程中的单个构件层面。对于既有钢筋混凝土抗弯框架，仅引入可更换阻尼器往往无法满足韧性目标。首先，框架变形不可避免地导致混凝土开裂和钢筋屈服，这本身就难以修复或更换[23]。其次，如软弱层机制等系统性缺陷将导致结构仅通过局部耗能元件加固时效果有限[24]。因此，对既有框架进行加固不仅需要降低地震需求，还需要从根本上重塑结构的传力路径和变形机制。

值得注意的是，大多数加固方法，无论基于强度还是阻尼，都旨在消除薄弱层以实现均匀变形和损伤[25]。尽管对安全有效，但这一理念存在两个主要缺点。首先，实现整体均匀响应需要多层广泛加固，导致工作量巨大且初始成本高[26]。其次，即使是低强度地震造成的轻微损伤也往往具有广泛性[27]。广泛的修复范围使恢复更加复杂并增加经济损失[28]。因此，这一策略无法满足现代全生命周期经济性的要求。在这种背景下，加固必须从"抑制损伤"转向"管理损伤"。这要求认识到损伤是不可避免的，应采用主动设计理念引导损伤以可控且可修复的方式发展。

为应对这一挑战，本研究提出了一种具有分级损伤控制机制的创新抗震加固策略。目标有两个方面：(a) 在频繁的中低强度地震期间，以可控方式将可修复损伤限制在特定楼层内；(b) 在强震作用下向均匀损伤分布过渡以防止整体倒塌。具有两阶段响应特征的双功能系统，即间隙偏心钢支撑（GESB），已在先前的研究中开发并验证[29]，可以引入以实现这种分级损伤控制。需要指出的是，本研究的创新之处不在于提出新装置，而在于利用两阶段力学特性为薄弱钢筋混凝土框架制定分级损伤加固理念。

相应地，本研究的目的是：(1) 建立分级损伤加固策略的概念和设计框架；(2) 使用精细数值分析验证从局部损伤到分布损伤的过渡；(3) 将所提策略与传统基于支撑和阻尼器的加固方案在地震风险和全生命周期经济性能方面进行比较。本工作的意义在于开发一种创新的抗震加固策略，为更加韧性和可持续的基础设施提供了一条切实可行的途径。

章节摘要

基本考虑与工作机理

图1展示了所提出的分级损伤模式。其核心理念在于有益地利用结构的软弱层，而不是像传统加固方法那样消除软弱层。

第一阶段：通过允许既有软弱层屈服，有意引导结构形成损伤集中模式。在此阶段，塑性铰和耗能主要集中在特定楼层内，而其他楼层基本保持弹性

案例建筑评估方法

为了表征所提出分级损伤加固策略的潜力，应对采用不同加固方案的薄弱框架进行对比评估。

抗震静力分析与损伤校准

图12展示了各结构的性能曲线和损伤分布。由于在LS1处观察到可忽略的损伤，仅展示了LS2至LS4的状态。损伤分为三个等级（轻微、中等和严重）：绿色圆圈表示广泛开裂，黄色表示钢筋完全屈服，红色表示混凝土压碎。

结果中一个显著的发现是所有加固方案都增强了结构性能。根据……

结论

本研究提出并概念性地展示了一种面向既有薄弱钢筋混凝土框架的创新分级损伤加固策略。主要研究结论总结如下：

• 1.
  通过精细有限元分析，概念性地评估了两阶段加固装置实现可控分级损伤过渡的能力。非弹性变形最初集中在选定楼层内。随着荷载增加，软弱层刚度增大，变形向……传播

CRediT作者贡献声明

：软件。：数据管理。：写作——审阅与编辑。：写作——审阅与编辑、监督指导。：撰写初稿、基金获取、概念化

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了河南省粮油储藏设施与安全重点实验室开放基金项目（2025KF06）、河南省自然科学基金（252300423385）、河南省科技攻关项目（252102320017）、河南省重大科技专项（242103810071）和河南省自然科学基金（252300421536）的支持。

姜京宇|土田隆|姜钟九