四日本阪神地震震害钢结构建筑物的修复技术与实例.docx

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四日本阪神地震震害钢结构建筑物的修复技术与实例

第4节日本阪神地震震害钢结构建筑物的修复技术和实例

由于我国在震后钢结构建筑物的修复技术方面比较欠缺，本节中介绍一下日本在处理震害钢结构的加固修复技术，以便为我们提供参考和研究价值，本节重点介绍了修复原则；损伤处的补修、补强技术；提高抗震性能的补强措施；钢结构的修复实例。

本节中修复工程的结构形式主要为冷弯方形钢管柱，H型钢梁，节点为带悬臂的加强板形式。

4.1修复原则

修复工程分两类，恢复原结构性能的补修工程和提高原结构性能的补强工程。

4.1.1补修原则

（1）恢复原状

（2）消除裂纹、失稳等损伤痕迹，屈服部不作为补修对象。

但当切除损伤部时应尽量将屈服部一起除去

4.1.2补强原则

（1）在适当地增强刚度、承载力的同时，选择吸收变形能量较好的方案。

（2）应考虑建筑物随年代推移的劣化和补强过程中对建筑物的损伤。

（3）以尽量减轻建筑物的重量为目标。

4.1.3在修复工程中为方便施工，应考虑以下施工条件设计构件、细部和节点

（1）是否容易拆除、吊装、运输，组装。

（2）施工时的防火和安全性。

（3）防止损伤处以外的强度、刚度的下降。

（4）确保良好的质量。

4.2损伤处的补修、补强技术

图4-l表示了钢结构建筑物的地震破坏的主要类型及其符号。

图中的C1，J2，B2等表示柱、柱粱节点、梁的损伤类型。

如Jl、J2分别表示粱上下翼缘焊接处的断裂。

图4-2～图4-6表示对不同损坏情况所采用的补修、补强技术。

图4-2是柱子断裂的补强、补修措施。

首先设置抵抗建筑物垂直荷载和水平荷载的临时

支撑，切除柱子的损伤部分，插入比原板厚的新构件，然后实施焊接。

考虑到上下柱子轴线的错位并方便平焊或横焊，采用了在插人材上下加垫板形式和在内部加顶板形式的两种方法。

图4-3是当上下翼缘断裂时进行修复的顺序。

对上翼缘，先进行刨槽处理然后进行焊接，对下翼缘，先切除断裂处，打坡口，设置垫板后再进行焊接。

也可用三角肋在翼缘的两侧焊接进行补强。

图4-4中的方法是用全新的托座代替损坏严重的托座，新托座的尺寸及孔洞位置完全按

原尺寸进行设计，此时需要对楼板錾凿，对梁设置临时支撑。

图4-5是对翼缘、腹板和梁柱节点的复杂破损进行补修的两种方法。

实例均为对下翼缘

补修，其中一例为梁翼缘和腹板受损，其他为粱端和柱子受损。

施工分以下5个步骤进行，

（1）划切除部分的三维切割线，

（2）在切割线的拐角处打孔作停止记号，（3）用气割法将损伤部切除，（4）用砂轮等将切割口刨平，（5）将有坡口的钢板按①②③的顺序插入，用焊接法连接拼装。

对于形状复杂处采用了小板拼接法。

在整个补修过程中，对梁、柱同时补修的情况不多，主要是对梁的补修。

对梁、柱节点的修补采用了用梯形新钢板代替被切除掉的损伤部分。

增加水平梁腋既达到了补修的目的，同时也起到了补强的作用。

图4-6中表示了对梁翼缘和腹板进行补修、补强的情况。

对翼缘的修复一般采用切除损伤部后用新钢板代替的方法。

对腹板加强层焊加劲肋以防止局部屈曲的发展，同时在翼缘两侧对接焊和腹板同厚的盖板。

焊接采用二氧化碳半自动现场焊。

由于焊接条件恶劣，选用了最优秀的焊工施焊，并对焊接处进行超声波检查。

同时对焊接中可能发生的火灾采取了防火措施。

图4-3梁端断裂焊缝的补修、补强

图4-4梁端托座的补修、补强

图4-5柱、梁节点的补修、补强

图4-6梁腹板剪屈的补修、补强

图4-7复元力特性的变化

4.3提高抗震性能的补强措施

下面主要介绍在建筑物的修复过程中为提高建筑物的抗震性能增加的抗震构件及其设计方法。

4.3.1增设Y型斜撑

Y型斜撑的设计原则：

连接梁和斜撑交点的连接环的屈服应先于斜撑的屈服；连接环应有足够的延性及稳定的滞回特性。

这样易于调节Y斜撑的刚度及承载力，易于设计，并且Y斜撑起到了对反复地震荷截的阻尼作用，大大提高了建筑物的抗震性能。

以下利用图4-7中的水平力（Q）层间位移角（R）的关系，说明用Y形斜撑进行补强设计的基本原理。

（A）为原有单层框架的Q—R关系，当加入斜撑的特性{B）时，（A）曲线变为三折线形的（C）曲线，这就是补强后的建筑物的复元力特性，第一折点为Y形斜撑的连接环材的屈服点，第二折点为原有结构的屈服点。

在修复设计中适当选择Y斜撑的特性，将新结构的第二水准（指部分构件可进人塑性状态但不影响建筑物的正常使用）地震特性值控制在第二折点（C曲线上的▲符号）附近，另外考虑到补强工程中现场焊接中的困难以及对楼板的錾凿工作会削弱（A）的特性，因此用适当降低（C）的刚度、承载力的复元力曲线特性值进行计算，可确保其抗震安全性。

用这种方法补强的建筑如再经历大地震时，连结环将产生很大的塑性变形，吸收大量的地震能量，而原有结构上的主要构件梁、柱等将不会出现很大损伤。

因此在本次补强过程中即使有些构件已经屈服，也不会对抗震性能产生很大影响。

连接环在补强后的构造中十分重要，他不仅可作为判断结构是否受损的尺度，而且由于其节点细部被设计成易于替换的形式，地震后能迅速地恢复结构的抗震性能。

根据以上设计思想确定Y形斜撑形状如图4-8所示。

该建筑具有图4-7中所示的复元力特性，预计连接环的剪屈将在中等以上的地震中出现。

Y形斜撑分为2根斜撑，1个连接环和3块连接板，运输为散件运输，在工地用焊接连接和高强度螺栓连接进行现场组装。

本加固工程规模较大，除安装斜撑以外，还必须在粱和连接环的节点处焊接两块节点板，在梁上增加加劲肋。

4.3.2增设抗震柱

Y形斜撑用于大规模的补强工程，而对刚度、承载力增加要求不高的小型补强工

程，可采用增设抗震柱的方法。

图4-9为增设H型钢柱的施工例。

将分成两段的柱子运入现场后用高强度螺栓组装。

虽然在施工过程中，需要对楼板錾凿，对梁进行补强，但和Y型斜撑相比，其施工容易得多。

设计思想为在地震荷载作用下，抗震柱先期屈服以吸收地震能量。

其他补强设计思想和Y型斜撑相同。

4.4钢结构的修复实例

4.4.1修复例lA楼

建筑物地上7层，建筑面积10300

，檐高28.7m，1981年以后建造。

其结构为纯框架结构。

基础采用一柱一桩的PHC桩，直径600，柱子为方形钢管（SM490A）□—550×550，主梁为焊接H型钢（SM490A）BH—800×300。

损伤集中于南北方向的中间层，钢结构损伤为梁柱节点焊缝的断裂，外装修的损伤为连接PC板的扣件断裂。

损坏类型分以下几种，其中

（1）～（4）类的损坏见图4-10。

（1）梁下翼缘现场施焊焊缝的断裂；

（2）梁柱节点腹板焊接处施焊用缺口的断裂；

（3）梁腋用加劲肋的局部屈曲；

（4）梁柱节点处，加劲板和梁下翼缘的工厂施焊焊缝的断裂；

（5）节点加劲板和柱子焊缝的断裂；

（6）梁腋的加劲肋和下翼缘焊缝的断裂；

（7）梁端部和连接板焊缝的断裂；

（8）梁柱节点处和垫板连接处的裂缝；

（9）梁下翼缘的局部失稳；

（10）梁下翼缘板材断裂；

（11）经UT检查上翼缘施焊处有缺陷；

（12）经UT检查下翼缘施焊处有缺陷。

各层梁柱节点的损坏率见表4-l，5层梁的破坏位置见图4-1l。

表4-1A楼梁样节点损坏率

图4-10具有代表性的损伤类型

本建筑是按照新抗震规范设计，破坏程度为中等，因此修复工程以复原为目标。

对以上12种破坏类型总结了以下7种修复方法（见表4-2）：

①对梁节点处，切除部分腹板和下翼缘，然后进行补修；②对梁柱节点，切除部分腹板和下翼缘，然后进行补修；③对梁柱节点，切除部分腹板和上翼缘，然后进行补修；④在梁腋加劲肋的两侧增加补强用加劲肋；⑤增设两块加劲肋；⑥将焊接损伤处刨平，重新焊接；⑦切除一部分柱子，进行补修。

经过对断裂处粗视组织的检查，对硬度分布，再施焊时焊缝的型式进行分析，认为

对已塑性化的破裂处再度施焊不存在问题。

图4-2A楼修复方法一览表

图4-11A楼5层梁的损伤位置

4.4.2补修例2B楼

建筑物地上7层，地下一层，建筑面积13000

，檐高26.4m，1981年以后建造。

其结构为纯框架结构，基础为一柱一桩形式的现浇砼灌注桩，柱子为方形钢管（SM490A）□—450×450，主梁为轧制H型钢（SM490A）B—700×300。

破坏位置集中于南北向的中间层，钢结构的破损为梁柱节点的施焊处的断裂。

外装修南侧ALC板损伤。

该建筑的破坏状况不同于建筑A，是从梁柱节点的加强板起到冷弯方形钢管柱的拐角处出现断裂（见图4-8）。

本建筑的补修原则同A楼。

对节点内断裂处的补修采用了图4-5所示的方法。

4.4.3补修例3C楼

建筑物地上共3层，一、二层为土木构筑物（H=12.3m），三层为建筑物，1981年以前建造的。

其结构为纯框架结构，柱脚和土木构筑物的连接为铰接，柱子G柱（SM490A）

400，主梁为轧制H型钢（SM490A）H—600×300，断裂从梁施焊用缺口处起延伸到梁下翼缘。

柱子的残余变形最大达1／36，室内装修已破损。

本建筑为新抗震规范问世前的建筑，因此补修原则采取了减轻建筑重量，减轻地震荷载以提高建筑承载力的补强方法。

屋面主梁端部断裂位置见图4-12。

其补修方式为用干式材料取代70％的砼层面板（见图4-13），修复采用图4-4所示方法，用新托座取代原有托座。

对柱脚的扭转，梁端的断裂及梁柱构件的塑性化引起的残余变形尽量修复，修复目标值为1/200。

修正框架构残余变形的方法是利用钢索和千斤顶进行矫正（见图4-14）。

在这一过程中为减少对水平位移的约束，除去屋面板上的螺栓，并将梁上的螺栓减到最少，由于对各榀框架同时进行矫正，千斤顶轴力的控制非常困难，而且矫正以后，用螺栓固定时，螺栓孔的调整花费了很多时间。

图4-12屋面梁损坏位置

图4-13保留砼屋面板范围

图4-14矫正框架的变形