墨西哥7.1级地震 增大结构抗震能力的加固方法有哪些？
当地时间19日13时14分，墨西哥中部莫雷洛斯州发生7.1级地震，震中位于莫雷洛斯州阿克索恰潘市西南12公里处，震源深度57公里。
据悉，墨西哥城也感觉到震动，建筑物发生剧烈摇晃。地震发生后，成千上万的人从建筑物中逃出，聚集在街道上。在墨西哥城，地震造成墙壁悬挂物品脱落，电脑显示器被震翻在地，许多人躲在桌子底下。据美联社最新消息，墨西哥州州长称地震已造成该州至少2人死亡。
巧合的是，事发当天正值1985年墨西哥城大地震32周年纪念日。地震发生前数小时，许多人还参加了全国性的地震演习。据悉，日清晨7时19分，墨西哥西南岸外太平洋底发生8.1级强震，造成7000多人死亡，1.1万人受伤。9月19日被称之为“墨西哥城最悲惨的一天”。
为抵抗地震，增大结构抗震能力的加固方法有哪些？
增大结构的抗震能力,实际就是提高主要抗侧力构件的承载力、延性和结构的整体性,在采取这类抗震加固措施时,必须注重从整体结构出发,进行结构加固,不能“头痛医头,脚痛医脚”,防止加固局部构件导致薄弱部位的转移。该类方法主要有以下几种：
1.针对砌体结构的加固方法
砌体结构抗震性能不好,主要表现在砌体抗震墙抗震能力、变形性能的不足,以及房屋整体性不好。针对砌体结构的加固方法主要也就是解决上述问题。如增大墙体抗震性能的外包钢筋混凝土面层、钢筋网水泥砂浆面层加固法;增大结构整体性的压力灌浆加固法、增设圈梁(构造柱)加固法、拉结钢筋加固法;通过增设抗震墙来降低抗震能力薄弱构件所承受地震作用的增设墙体法等。
2.针对框架结构的加固方法
在钢筋混凝土多层及高层结构型式中,框架结构在地震作用下变形较大,破坏也较为严重。框架结构在地震作用下抗震性能不好,主要表现在框架柱、梁抗震承载力、变形能力不足,针对框架结构的加固方法主要也就是提高框架柱、梁的抗震承载力和变形性能。如提高柱、梁抗震性能的外包钢筋混凝土面层加固法、外包型钢法、粘钢加固法、碳纤维加固法。通过增设抗震墙加固框架结构来降低抗震能力薄弱的框架柱、梁承受地震作用的增设墙体法等。
3.其它结构类型的抗震加固方法
该类方法主要有针对钢结构、木结构和其它钢筋混凝土结构类型的方法,这类结构型式在抗震加固实践中较少,加固方法也较少。
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摘要：房屋建筑地震震害表明，在地震作用下钢筋混凝土框架出现的大多是由于没有实现&强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件&的设计目标，2008年的汶川地震进一步证明了这一问题。为了提高框架结构的抗震能力，国家规范对结构应该满足的抗震能力提出了新的要求。本文针对规范中的&强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件&的设计规定，探讨了相应的设计实现方法，并从建筑结构抗震概念设计的角度提出了相关建议。
&&&&&&&& 近年来，全球地震活动非常频繁，地震是地壳在快速释放能量的过程中造成的振动，在此期间会产生地震波。全球每年发生大约550万次地震，其中可感地震有5000多次，具有破坏性的5级以上的地震有1000来次。地震不仅造成了大量建筑物的破坏和人员伤亡，还引起火灾、水灾、细菌及放射性物质扩散、有毒气体泄漏，同时还伴随海啸、火山喷发、滑坡、泥石流、堰塞湖等。从历年地震震害看来，仍是节点区域遭受到的破坏最为严重，而节点区域是结构的核心区域，它关系到整个结构的安全性和稳定性。我国地处于太平洋地震构造带与地中海-喜马拉雅地震构造带交汇处，属于地震频发国家。2008年，四川汶川发生了里氏8.0级地震，造成了近10万人失去了生命，财产损失达8千多亿。国内的许多专家学者对震区的房屋进行了震害统计[1]，统计结果表明[2-3]：钢筋混凝土框架结构破坏较为严重，震害房屋中约有20%无法进行直接修理，需要立即停止使用或者拆除。钢筋混凝土框架结构没有达到&强柱弱梁&的设计目的，出现了很多柱端先屈服、梁端、柱端同时屈服的柱铰破坏机制，甚至出现了由于柱端先屈服造成结构底层整体坍塌的现象，见图1。由此可见，&强柱弱梁&是钢筋混凝土框架结构抗震设计中的一道重要的防线，是确保结构具有足够延性不至于发生倒塌破坏的最为关键措施。如何才能使结构在实际地震中实现真正意义的&强柱弱梁&的屈服机制?这是我们每个设计及研究人员都值得探讨和深思的问题。
图1汶川地震中的&强梁弱柱&破坏现象
2抗震设防目标
&&&&&&&& 我国1989年以后制订的《建筑抗震设计规范》的设防目标均要求建筑结构必须达到 &小震不坏，中震可修，大震不倒&的三个水准。小震指该地区50年内超过概率约为63%的地震烈度，即众值烈度，又称多遇地震；中震指该地区50年内超过概率约为10%的地震烈度，又称为基本烈度或设防烈度；大震指该地区50年内超越概率约为2%-3%的地震烈度，又称为罕遇地震。通过计算和构造措施，采用两阶段设计方法来实现上述三水准的设防目标要求。第一阶段为弹性阶段的结构设计计算，主要任务是承载能力计算和一系列基本抗震构造措施设计。确定结构方案和结构布置，用小震作用计算结构弹性位移和构件的内力，并用极限状态法设计各构件，同时进行结构的抗震变形验算，按照延性和耗能要求，采用相应的构造措施。这样就基本可以做到保证前面所说的&三水准&中的前两个水准：小震不坏，中震可修。第二阶段为塑性阶段的验算：主要对抗震有特殊要求或者对地震特别敏感、存在大震作用时容易发生灾害的薄弱部位进行弹塑性变形验算，要求其值在避免结构发生倒塌的范围内。如果层间位移超过允许值，认为结构可能发生严重破坏或者倒塌，则需要对薄弱部位采取必要的措施，直到满足要求为止。
&&&&&&&& 我国抗震规范直接根据小震下的地震作用进行抗震设计，相当于对各类结构的地震力折减系数统一取为2.86。虽然通过承载力抗震调整系数场在一定程度上体现了不同结构构件的延性性能差异，但是地震力折减程度与结构的延性需求没有建立直接的关系。对于钢筋混凝土框架结构，地震力折减系数取值相同，但是抗震构造措施却随设防烈度和抗震等级的不同而不同。其后果是随着设防烈度的降低和抗震等级的增加，结构性态控制水准降低。
3 钢筋混凝土框架的抗震设计基本准则
&&&&&&&& 在实际工程设计中，为了满足抗震设防要求，需要对整个工程设计进行全面把控，在框架部分的抗震设计中所要遵循的基本准则是&强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件&。
3.1&强柱弱梁&的相关规定及实现方法
&&&&&&&& &强柱弱梁&设计是一种概念设计。地震作用下框架结构的抗倒塌能力与其破坏机制密切相关。梁端屈服型框架有较大的内力重分布和能量消耗能力，极限层间位移大，抗震性能较好；柱端屈服型框架容易形成倒塌机制。地震中，如果结构尚未倒塌，则逃生的可能性会提高，即使无法逃脱，仍然有机会找到生存空间，但是，结构一旦倒塌，生还的可能性将会大大降低[19]。因此，&强柱弱梁&是我们在结构设计时希望达到的目标，各国规范在强柱弱梁问题上的体现略有不同。
&&&&&&&& 我国的《建筑抗震设计规范》（GB）（以下简称抗规）中讲到，四级框架都有不同的梁柱点，而他们的柱点的值都在0.15之间，框支的梁点和柱的节点相结合，并设计值的公式要求：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& （1）
式中， 为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配； 为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，一级框架节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；&
为框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一、二、三、四级可分别取 1.7、1.5、1.3、1.2；其他结构类型中的框架，一级可取 1.4，二级可取 1.2，三、四级可取 1.1。
一级的框架结构和 9 度的一级框架可不符合上式要求，但应满足公式（2）的要求：
&&&&&&&&&&&&&&&&& （2）
式中， 表示时针和反时针两方向在抗震时产生的弯矩值，而左右两端在配制材料的总面积，利用钢筋受压和楼板钢筋之间的总面积进行确定。
&&&&&&&& 当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。
&&&&&&&& 我国现行抗震设计规范中对于钢筋混凝土框架结构&强柱弱梁&问题的体现主要是增强柱端弯矩承载力，但这种方法是从静力分析的角度体现&强柱弱梁&，而且并没有达到良好的效果，在地震这种复杂的动力问题中，想要从本质上达到抗震设计时希望达到的&强柱弱梁&要求，即结构破坏时梁端先于柱端屈服的要求，需要确定一个新的表征参数，并通过对该参数进行限值来进行控制，从而保证钢筋混凝土框架结构达到&强柱弱梁&的要求。
3.2&强剪弱弯&的相关规定及实现方法
&&&&&&&& 强剪弱弯是指受外界因素的影响使抗弯能力遭受到破坏 &弯曲破坏&是延性破坏，是有预兆的，如开裂或下挠等，而&剪切破坏&是一种脆性破坏，没有预兆的，瞬时发生，没有防范，所以要保证弯曲破坏之前不发生剪切破坏。具体设计过程中，强剪弱弯指的是一、二、三级抗震的框架梁在箍筋加密区，剪力设计值要大于弯矩设计值。也就是说要通过合理的设计和配筋，使梁在箍筋加密区能承受的剪力要大于相应的弯矩。再通俗点就是说，在受弯破坏前不能发生受剪破坏，保证梁的最终破坏是受弯破坏导致钢筋屈服产生塑性铰，而不是直接被剪切坏掉。这也是梁端设箍筋加密区的原因。使得梁端的抗剪承载能力大大加强。规范为了保证强剪弱弯能够实现，规定了抗震设防的框架梁在支座的剪力调整，简单的说就是通过梁端剪力放大系数，把用来作为配筋的梁端剪力设计值放大，从而使得所配抗剪钢筋加大。对于不同抗震等级，对应不同剪力放大系数。对于跨中和非抗震框架梁，则无需考虑剪力调整，直接取最不利组合的剪力作为配筋设计剪力。
《抗规》第6.2.4条规定一、二、三、四级的框架梁和抗震墙的连梁，其梁端截面组合的剪力设计值应按下式调整：
&&&&&&&&& （3）
一级的框架结构和9度的一级框架梁、连梁可不按公式（3）调整，但应符合公式（4）要求：
&&&&&&&&&& （4）
&&&&&&&& 式中： 为梁端截面组合的剪力设计值； 为梁的净跨； 为梁在重力荷载代表值（9度时高层建筑还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值； 分别为梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值，一级框架梁端弯矩均为负弯矩时，绝对值最小的弯矩应取零； 分别为梁左右端反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值，根据实配钢筋面积（计入受压筋和相关楼面钢筋）和材料强度标准值确定； 为梁端剪力增大系数；一级可取1.3，二级可取1.2，三级可取1.1。
《抗规》第6.2.5条规定一、二、三、四级的框架柱和框支柱组合的剪力设计值应按公式（5）调整：
&&&&&&&&&&&&&&&& （5）
一级的框架结构和9度的一级框架可不按上式调整，但应符合公式（6）要求：
&&&&&&&&&&&&&& （6）
&&&&&&&& 式中， 为柱端截面组合的剪力设计值； 为柱的净高； 分别为柱的上下端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值； 分别为偏心受压柱的上下端顺时针或反时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩值，根据实配钢筋面积、材料强度标准值和轴压力等确定； 柱剪力增大系数，对框架结构，一、二、三、四级可分别取1.5、1.3、1.2、1.1，对其它结构类型中的框架，一级可取1.4，二级可取1.2，三、四级可取1.1。
&&&&&&&& 强剪弱弯保证的是框架梁的支座处出现塑性铰，出现延性破坏。跨中不允许出现塑性铰的，由于跨中下部受拉，如果出现塑性铰，梁跨中挠度会快速增长，很快梁就失效了，导致板也会塌下来。所以在设计时可以通过合理配筋，禁止塑性铰在跨中出现。具体办法就是把跨中的配筋适当加大，让其承载能力够大，而在支座处是上部受拉，适当减少支座上部受拉钢筋，同时加密箍筋，这样支座上部由于受到负弯矩作用，很快受拉钢筋就会屈服，形成塑性铰，而由于加密箍筋的作用，在受拉钢筋屈服的同时，不会发生受剪破坏，这样就达到了强剪弱弯的目的，塑性铰出现在支座。塑性铰一旦出现，就会慢慢变形，耗散能量，从而形成类似于多重抗侧力体系的机制。
3.3&强节点弱构件&的相关规定及实现方法
&&&&&&&& 强节点弱构件是指节点的承载力应高于连接构件，因节点失效意味着与之相连的梁与柱都失效。
&&&&&&&& 高层建筑混凝土结构技术规程《JGJ 3-2010》[5]6.2.7规定抗震设计时，一、二、三级框架的节点核心区应进行抗震验算；四级框架节点可不进行抗震验算。各抗震等级的框架节点均应符合构造措施的要求。
具体设计时通过增大节点核心区的组合剪力设计值进行计算。
&&&&&&&& 4设计时如何保证&强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件&
为了保证&强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件&的抗震设计概念，设计中应满足如下要求：
&&&&&&&& （1）实配柱纵筋和箍筋时，应考虑梁翼缘板的作用和梁裂缝宽度验算或超配而增加梁纵筋的影响。
&&&&&&&& （2）对于大跨度的框架结构，框架柱的线刚度须大于框架梁的线刚度的1.1倍。
&&&&&&&& （3）高层建筑结构柱的最小截面不应小于350&400，且须满足梁钢筋的水平锚固的要求。
&&&&&&&& （4）框架柱纵向钢筋的最小配筋率，应比《建筑抗震设计规范》规定的最小配筋率提高0.2%，框架柱纵向钢筋直径宜&16L。
&&&&&&&& （5）对于底层空旷（如架空层、商场、骑楼等），二层以上框架之间有砌体的框架建筑，须考虑二层以上砌体的侧面刚度，底层应布置适量的剪力墙或支撑，控制底层和二层的刚度比，底层竖向构件地震剪力应乘以1.15的放大系数。
&&&&&&&& （6） 剪力墙竖向分布钢筋直径应&10L，剪力墙边缘构件（暗柱）钢筋直径应&14 L。
参考文献：
[1]车轶，尤杰.中欧抗震设计规范关于&强柱弱梁&设计比较[J].大连理工大学学报，）：58-763.
[2]霍林生，李宏男，肖诗云，等.汶川地震钢筋混凝土框架结构震害调查与启示[J].大连理工大学学报，）：718-723.
[3]清华大学、西南交通大学、北京交通大学土木工程结构专家组.汶川地震建筑震害分析[J].建筑结构学报，）：1-9.
[4]中华人民共和国行业标准.《建筑抗震设计规范》（GB）.北京：中国建筑工业出版社，2010.
[5]中华人民共和国行业标准.高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2010）.北京：中国建筑工业出版社，2010.
&表4& 中震作用下的最大层间位移角
&&&&&&&& 中震验算结果表明，其最大层间位移角满足所设定的性能目标要求，标准层除部分连梁出现受弯屈服（受剪不屈服），进入&中度损坏&外，其他大部分连梁以及竖向构件和框架梁均能达到不屈服，满足&轻微损坏&的要求；经复核，墙、柱未出现拉力。故抗震构件能满足表 3 中所设定的性能目标要求。
（4）大震动力弹塑性分析及结构抗震性能评价
&&&&&&&& 采用 PERFORM-3D 软件进行动力弹塑性时程分析，构件性能水准参考美国 FEMA 的相关规定。通过各组地震波下结构主要整体计算指标，可见最大层间位移角为 1/128，小于表 3 中预设的性能目标（1/110）。
由大震作用下动力弹塑性分析结果可知：
&&&&&&&& ①结构的基底剪力和能量耗散表明，结构在大震作用下基本处于中等的非线性状态。
&&&&&&&& ②在滞回耗能中，剪力墙约占 20%，连梁及框架梁约占 80%，柱基本不参与耗能。可见连梁是主要的耗能构件。
&&&&&&&& ③有大量的连梁或者框架梁出现弯曲塑性铰，并达到&中度损坏、部分比较严重损坏&的程度，满足表 3 中预先设定的抗震性能要求。连梁先行屈服形成铰机制有重要意义，其进入塑性状态后，一方面使整体结构刚度退化，有效地降低了整体结构和剪力墙所承受的地震作用，另一方面又通过自身的塑性变形耗散了较大部分的地震能量，实现了其作为第一道设防体系来消能和保护墙肢的目的，是其&保险丝&功能得以实现的体现。
&&&&&&&& ④框架柱出现弹塑性变形：对于轴弯受拉，塔楼范围内的柱均未超过轻微损坏，裙楼范围内的少量柱进入中度损坏；对于轴弯受压，局部柱达到轻度损坏，混凝土没有压碎；对于抗剪，柱没有出现脆性剪切破坏，通过对薄弱部位进行加强配筋，可满足抗剪不屈服的要求；而且中度损坏的柱主要为裙楼顶层的柱，主要原因为其轴力小、弯矩大，受力情况基本类似于梁，实质上也可看作耗能构件。施工图设计时拟对裙楼顶层柱截面及配筋适当加强。因此，框架柱基本可达到表 3 中设定的&轻度损伤&的性能目标。
&&&&&&&& ⑤剪力墙出现弹塑性变形：对于轴弯，墙端受拉最大超过了轻微损坏，但均没超过轻度损坏，墙端受压除底层个别两片墙肢外均没有超过轻度损坏；对于抗剪，剪力墙的剪力均未超过抗剪截面限制条件，通过对剪应力较大部位的相应加强，可使剪力墙在大震作用下满足抗剪不屈服的性能要求。因此剪力墙能达到表 3 中设定的&轻度损伤&的抗震性能目标。
⑥动力弹塑性时程分析显示结构能够满足大震性能目标。
（5）抗震加强措施
&&&&&&&& 抗震的主要加强措施有：1）核心筒剪力墙的抗震等级均按特一级，外框架地下 1 层～地上 20 层为特一级，20 层以上为一级；2）23 层以下采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性；3）地下 2 层 ～地上 5 层采用型钢混凝土剪力墙筒体，加强底部加强区剪力墙的延性；4）加强剪力墙的构造配筋，以保证剪力墙在大震作用下不率先出现剪切破坏，并具有良好的延性。
&&&&&&&& （1）在小震作用下，结构的周期比、侧向刚度、竖向规则性、扭转位移比等指标均符合现行规范［1，2］的相关要求，能达到&小震完好&的性能目标；在中震作用下，结构能满足&重要和一般构件不屈服，仅耗能连梁少量屈服&的抗震性能目标；在大震作用下，结构能满足&不严重破坏&的抗震性能目标，因此可以认为本工程的结构体系在遭遇地震作用时，结构整体能达到性能 C以上的抗震设防目标。
&&&&&&&& （2）因本工程属位于高烈度区的超高层建筑，为提高结构的抗震性能，23层以下采用型钢混凝土柱，以提高框架柱的抗震延性，地下2层～地上 5层采用型钢混凝土剪力墙筒体，加强底部加强区剪力墙的延性。
&&&&&&&& （3）本工程虽然属于高烈度区的超高层建筑，结构高度达到 237.8m，但通过细致的分析及结构布置，达到使用普通的结构形式即满足各项性能目标的效果，有效地节约了工程造价。
参考文献：
［1］ JGJ 3&2010 高层建筑混凝土结构技术规程［S］．北京：中国建筑工业出版社，2011．
建筑抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2010．
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