CN101074995A - 建筑物抗震能力的评估方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评估建筑物抗震能力的方法，它是基于建筑工程抗震性态设计通则、现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范及抗震设防标准，借鉴结构强度与延性的抗震能力评估理念，建立一套强度与延性抗震评估流程与规范相结合的钢筋混凝土结构抗震评估体系，开发一种混凝土结构抗震能力量化评估软件，将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法整合在同一软件平台上。本发明的方法将抗震能力定量评估这样一项极为复杂的工作用人机交互程序来实现，使具有一般土建知识的工作人员通过使用该程序，即可实现对钢筋混凝土结构抗震能力的量化评估，为钢筋混凝土结构抗震评估和加固方法的推广应用，为建筑工程抗震性能设计提供了广阔前景。

Description

建筑物抗震能力的评估方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种评估建筑物抗震能力的方法，更具体地说是一种基于强度与延性的钢筋混凝土建筑物抗震能力的评估方法及其应用。

背景技术

我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，因此对新建和既有建筑是否具有足够的抗震能力十分重视。钢筋混凝土结构是目前我国工业和民用建筑结构的主要型式，其抗震能力是保障人民生命财产安全的重要指标。大量既有钢筋混凝土结构原设计的依据标准过低，加之耐久性及结构已有损伤等因素的影响，如何评估建筑结构的抗震能力成了非常重要的课题，迫切需要发展一套方法来定量评估抗震能力，使得抗震能力不足的建筑结构能及早加固或拆除。

目前国外对钢筋混凝土房屋抗震能力评估的方法介绍如下：

(1)Pushover方法

Pushover方法(也称推覆分析法)是一种静力非线性分析法，美国应用技术委员会1996年编制的《混凝土建筑抗震评估和修复》(ATC-40)和美国联邦紧急管理厅1997年出版的《房屋抗震加固指南》(FEMA273/274)中都提出这种基于位移的已建结构抗震性能评估方法，其基本思路为：根据房屋结构的具体情况在房屋上施加某种分布的水平力，逐渐增加水平力使结构各构件依次进入塑性。因为某些构件进入塑性后，整个结构的特性会发生改变，因此又可以反过来调整水平力的大小和分布。这样交替进行下去，直到结构达到预定的破坏。

(2)能力谱法(ATC-40)

美国的ATC-40规范采用能力谱法作为建筑抗震评估的标准程序。它包含了几个步骤：

①对建筑物进行推覆分析(Pushover)而建立基底剪力(Base Shear)和顶层位移(RoofDisplacement)的关系图。②将基底剪力与顶层位移的关系曲线转成以谱加速度及谱位移表示的能力谱(Capacity Spectrum)。③利用以谱加速度与周期表示的弹性反应谱，转成以谱加速度与谱位移表示的弹性需求谱。④将能力谱与弹性需求谱绘于同一张图上，并且利用等效阻尼折减弹性需求谱，而折减后的需求谱(Demand Spectrum)与容量反应谱经过迭代会产生交点，即为建筑物在地震下的表现(Performance)，可提供对位移需求(Displacement Demand)的估计。⑤将位移需求转成顶层位移，和各个楼层的层间位移，并找出此时所对应的各项变形需求，然后与预设的性能目标进行比较。

(3)简化非线性分析方法

美国联邦紧急救援署(FEMA)在1996年美国应用技术委员会提出能力谱方法的基础上，1997年出版《房屋抗震加固指南》(FEMA273/274)提出的一种简化非线性分析方法：该方法是对能力谱方法的修正，实际上是通过一种迭代计算出结构顶点位移值，这将大量增加计算工作量。

(4)日本的抗震能力评估研究

在日本，早在1919年就颁布了都市建筑法，规定了六个主要都市的建筑技术规则，1923年关东地震之后又引入了设计地震作用系数，1950年又颁布了建筑标准法应用于全日本，此法规以工作应力法为取向。日本建设省在1996年成立了一个专门的技术委员会负责健全和推广基于性能的抗震设计方法并于2000年6月提出了基于性能抗震设计的构架，其所采用的也是推覆分析，用能力谱法检验建筑物的性能表现。性能设计决定性能目标，性能目标由地震水平和性能水平决定。

(5)我国在建筑抗震能力评估的研究

针对既有混凝土结构而言，目前进行抗震评估的方法主要是采用现行抗震鉴定标准给出的两级鉴定方法。除此之外，主要为借鉴抗震设计规范给出的各种新建建筑抗震设计分析的方法(反应谱分析方法、动力时程分析方法和静力非线性分析方法等)。钱稼茹、杨溥、叶献国等较多学者从不同的方面出发，对静力非线性分析方法提出了不同的改进方案并通过与弹塑性动力时程分析结果的对比，验证了其方法的可行性。李宏男等对基于现行抗震规范建立结构弹塑性反应谱以评价既有框架结构的抗震性能方面进行了探讨，并建立了特征周期为二区的四类场地在7度、8度和9度罕遇地震情况下的需求谱。现有各种评估方法的长处及不足列出如下：

①经验评估法

经验评估法简便、快捷，不需作复杂的现场抗震试验，花费少，评估结果具有一定的准确性。其缺点是对评估人员要求高，不同人员评估结果之间会有差异，评估过程和结果较难定量化处理。对实际结构而言，该方法更多的是对构造情况的评估，末能反映结构延性性能这一关键性的结构抗震性能指标。应用数据库技术并建立专家评估系统是这一方法的发展趋势。

②振动测量评估法

振动测量评估法具有实用性和明显的经济效益，但目前仍存在着技术上的难题，如对建筑结构的动力特性与抗震能力之间的相互关系仍缺乏全面准确的了解等。

③规范校核法

规范校核法较易为工程技术人员掌握和应用，但由于受规范认识局限性和破坏准则的限制，仅能隐含地反映钢筋混凝土结构延性抗震要求。因缺少统计数据，材料的真实强度往往以名义强度代替，从而带来误差。总体上看，规范校核法属于半经验半分析的评估方法。

④能量法

能量评估法适用于形状较规则的多层多跨预应力混凝土框架结构，该方法可以比较简便地对初步设计的或有待于抗震加固的预应力混凝土框架结构抗震能力的进行评估，其结果具有相对的可比性与准确性。

地震能量是描述地震动的可选物理量之一，能量方法在动力学教程中司空见惯，但是如何与结构地震反应和地震破坏挂钩，是迄今未能很好解决的问题。因此，应用能量法评估建筑结构的抗震能力至今还只是一种理论方法。

⑤简化的弹塑性分析评估方法

简化的弹塑性分析评估方法作为一种较简便的实用方法，它可以揭示出建筑结构进入弹塑性阶段后的薄弱环节以及罕遇地震下的最大位移与相应的底部剪力，它能在满足工程要求的程度上近似了解结构在强震作用下的弹塑性反应性能，对建筑结构的抗震能力作出比较合理的评估。因此，这一方法具有广泛的应用前景。然而在简化的弹塑性分析评估方法中，侧向力分布方式常用的有均匀、倒三角形和抛物线等，加载模式的不同将影响侧移分析的结果，比较理想的方法应是随着结构破坏的发展，不断调整侧向力分布，即所谓适应性的侧向力加载分析，但这样计算将比较复杂，影响作为简化分析方法的实用价值。目前还没有一种加载方式能完全模拟地震的作用方式，因而也还没有一种加载方式可求得满意的底部剪力一顶点位移曲线。实用中可采取均匀、倒三角形两种侧向力分布方式，来估计结构反应的上、下限。目前Pushover分析方法主要用于二维结构模型分析，对于三维结构模型分析的难度更大。

⑥以地震影响系数为指标的反应谱法

以地震影响系数为指标的反应谱法把地震影响系数作为衡量建筑结构抗震能力的指标，来评估建筑结构的抗震能力，属于集经验评估法和规范验证法之大成的方法。该方法比较便于应用，具有实用性，将随着抗震规范的推进而进一步完善。

⑦我国目前现行建筑抗震鉴定标准

我国现行抗震能力评估标准即《建筑抗震鉴定标准》(GB500233-95)的修订是与《89抗震设计规范》相匹配的，限于当时的经济水平和结构抗震设计分析的理论水平，其修订时的指导思想与当时的抗震防灾指导思想一致。随着经济水平及抗震设计分析理论水平的提高，我国的抗震防灾的指导思想进行了相应调整。按照现行抗震能力评估标准的指导思想，可能导致大量抗震性能存在较多隐患的既有建筑仍然能够通过抗震能力评估审查，对于这些建筑而言，其遭受到破坏性地震作用的后果是难以预料的。

经过检索，我们也查到一些近年来公开文献报道的建筑物地震安全性评估方法，例如：中国专利申请(专利)号：200610074251.X，申请日：2006.04.04，名称：一种基于GIS技术的地震灾害损失快速评估方法  申请(专利权)人：张路平  地址：浙江省嘉兴市青龙街61弄5幢103室  摘要：提供一种地震灾害损失快速评估的GIS方法。其特征在于涉及到一个GIS平台、数据库、远程数据交换的应用软件。系统能对数据进行查询、显示输出、维护、数字-图形相互转换。系统能对地震灾害损失进行自动评估，依据建筑物破坏抽样调查资料进行评估区内建筑物和室内财产损失的统计等计算。并能提供各种统计图的制作，以文档形式输出评估报告。2、中国专利申请(专利)号：200510027951.9，名称：计算机执行确定特大型工程地震安全性预测的方法，申请(专利权)人：上海交通大学，地址：上海市闵行区东川路800号，摘要：一种计算机技术领域的计算机执行确定特大型工程地震安全性预测的方法，用有限元前处理软件建立有限元模型，并输入地震动时程所需参数；参数传递到超级计算机，用人造地震动时程并行模拟的混合任务分配方法得到地震激励动时程；地震激励动时程返回到有限元前处理软件进行约束加载，得到有限元分析软件的任务文件，并提交给有限元分析软件，得到数学模型，数学模型和时间步长传递至超级计算机，用瞬态响应分析和模态分析的并行处理方法或模态分析的并行处理方法并行计算；将数据返回有限元分析软件进行后续计算；有限元后处理软件读入计算结果，进行可视化处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种弥补现有建筑物抗震能力评估方法不足之处的钢筋混凝土结构抗震能力评估方法，采用将建模理论、有限元数值及计算程序结合起来，结合我国最新的建筑工程抗震性态设计通则和建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范以及抗震设防标准，围绕基于强度与延性的钢筋混凝土结构抗震能力评估方法、薄弱环节分析和抗震加固分析方法、简化的能力谱方法以及构建人机结合的评估软件平台等方面，对建筑结构抗震性能及加固情况给出量化结果。

本发明是这样实现的：

1、根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则、现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范及抗震设防标准，借鉴结构强度与延性的抗震评估理念，建立了一套基于强度与延性抗震评估理念与中国规范相结合的钢筋混凝土结构抗震评估体系。评估结果的表示参照美国ATC3-06的抗震能力比的表示方式，以崩塌地面运动加速度Ac表示结构的抗震能力，其物理意义较现行抗震能力评估标准中的楼层综合抗震能力指数明确。在此基础上，开发了混凝土结构抗震能力量化评估软件。

本发明基于强度与延性的钢筋混凝土结构抗震能力评估的方法，适用的具体结构形式包括框架结构和含剪力墙的框架结构，评估流程是首先利用ETABS软件计算结构的弹性地震内力，然后根据建筑结构实际构件的尺寸和配筋计算钢筋混凝土单元的强度与延性，评估钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构的抗震能力。在计算出建筑结构各楼层上、下半层的抗震能力即破坏时承受的地面运动加速度Ac后，将其与目标地震加速度相比较，判断建筑结构各楼层的抗震能力是否满足要求。在计算建筑物的抗震能力时，考虑了竖向荷载(重力荷载代表值)作用、梁对柱抗震能力的影响，同时考虑了延性对建筑物抗震能力的增强作用。对于结构单元，除考虑其抗剪能力外，还考虑了抗弯能力对单元破坏的影响。

本发明借鉴强度与延性评估理念，结合我国具体规范，计算结构楼层的抗震能力如下。

A_c＝ag*a_y*F_u                                               (1)

式中，a_g为小震对应的地震加速度，F_u为结构地震作用折减系数，a_y为各楼层的屈服地面运动加速度。

$F_u=\left\{\begin{array}{cc}{R}_a;& T\≥T_g\\ \sqrt{2R_a-1}+(R_a-\sqrt{{2R}_a-1})\left(\frac{(T-\frac{T_g-0.1}{2}}{\frac{T_g-0.1}{2}}\right);& 0.1+\frac{(\mathrm{Tg}-0.1)}{2}\≤T\≤T_g\\ \sqrt{2R_a-1};& 0.1\≤T\≤0.1+\frac{(\mathrm{Tg}-0.1)}{2}\\ \sqrt{2R_a-1}+(\sqrt{2R_a-1}-1)\left(\frac{T-0.1}{0.08}\right);& 0.02\≤T\≤0.1\\ 1.0;& T\≤0.02\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，T_g—场地特征周期(单位s)

      T—建筑结构的周期(单位s)

      R_a—楼层容许延性容量

当R_a＝1.0时，上式算得的F_u均为1.0。

对于框架结构，

抗震能力计算如下：

$a_y=\frac{\mathrm{\Σ}(V_f-V_{\mathrm{DL}})}{\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{CE}}}---\left(3\right)$

式中，V_CE--小震作用下相应楼层柱的剪力

      V_f--相应楼层柱破坏时承担的剪力

      V_DL--重力荷载代表值作用下，相应楼层柱的剪力。

对于剪力墙结构，

$a_y=\frac{\mathrm{\Σ}(V_f-V_{\mathrm{DL}})+\mathrm{\Σ}(V_{\mathrm{sf}}-V_{\mathrm{SDL}})}{\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{CE}}+\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{SE}}}---\left(4\right)$

式中，V_SE--小震作用下相应楼层剪力墙的剪力

      V_sf--相应楼层剪力墙破坏时承担的剪力

      V_SDL--重力荷载代表值作用下，相应楼层剪力墙的剪力。

本发明在计算目标地震加速度即结构应该能抵抗的地震加速度时，根据我国最新的建筑工程抗震性态设计通则，考虑了建筑结构的剩余使用寿命、地震危险性特征分区以及不同设防水准的超越概率等因素，使评估建筑结构是否满足抗设防需要的地面运动地震加速度标准更趋合理。在进行建筑物抗震能力评估的时候，还考虑了结构缺陷的影响。

因为上述探讨的评估方法是根据原建筑设计结构图来计算其抗震能力，如结构体已因使用很久而有缺陷，则上述计算所得的抗震能力还要乘以反映结构体系的缺陷系数，在此我们将结构体系的缺陷考虑：变形程度与裂缝、锈蚀、渗水等程度。结构若有基础的不均匀沉降，若构件强度不足，也会产生较大的变形，因此也可作为缺陷加以考虑，或者在结构建模时加以考虑。

本发明的评估流程是首先利用软件计算结构的弹性地震内力，然后根据建筑结构实际构件的尺寸和配筋计算钢筋混凝土单元的强度与延性，评估钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构的抗震能力，在计算出建筑结构各楼层上、下半层的抗震能力即破坏时承受的地面运动加速度Ac后，将其与目标地震加速度相比较，判断建筑结构各楼层的抗震能力是否满足要求，在计算建筑物的抗震能力时，考虑了竖向荷载作用、梁对柱抗震能力的影响，同时考虑了延性对建筑物抗震能力的增强作用，对于结构单元，除考虑其抗剪能力外，还考虑抗弯能力对单元破坏的影响。

2、建立对薄弱楼层、薄弱单元的基于强度与延性的抗震加固评估分析体系，给出薄弱楼层和薄弱单元的判断标准，并确定结构单元加固的合理目标及加固顺序，对加固后的结构进行评估，本发明对结构加固补强分析的流程是：首先选择加固楼层，确定加固单元，计算沿评估方向需增强的楼层抗剪承载力，计算结构单元补强，重新建模，采用强度、延性法评估钢筋混凝土结构抗震能力，看看是否还会出现薄弱楼层，如果是，则重新按照上述流程选择加固楼层以及后续步骤，如果否，则可以结束。

在目标地震作用下破坏的单元肯定是薄弱单元。根据上述的计算结果，有些单元在目标地震下虽然不会破坏，但单元已经进入塑性状态，接近破坏。由于地震动是个随机过程，本发明计算所取的地震动参数是根据底部剪力法或反应谱方法，并不能反映一个地震过程中峰值加速度脉冲的具体作用。因此，实际地震中这些进入塑性、接近破坏的单元也有可能破坏。本方法规定，若目标地震作用下进入塑性的单元的抗震能力虽然大于目标地震加速度，但不大于目标地震加速度的10％，则认为该单元也属于薄弱单元。

本发明对结构薄弱环节的分析，是在钢筋混凝土结构抗震能力评估之后进行的，根据计算出的钢筋混凝土单元的承载力，评估单元弹性和塑性极限，并结合单元在目标地震作用下的受力，评估单元在目标地震作用下的受力状态，在此基础上判断单元是否为薄弱单元。单元屈服破坏时能抵抗的地震加速度采用下式计算。

A_cy＝A_y*a₀*F_ue

A_y为单元达到破坏时对应的地震加速度放大倍数，a₀为小震对应的地震加速度，F_ue为结构单元的塑性系数。根据等超越概率原则计算结构单元的目标地震加速度A₀，若A_cy＜1.1*A₀，则单元即可认为是薄弱单元。

本发明对钢筋混凝土结构的加固补强分析也是在结构抗震评估结果的基础上，结构抗震能力的增强最终是通过对单元的加固补强实现的。建筑结构抵抗地震荷载主要靠剪力，因此本发明对楼层、结构单元的加固补强也是以抗剪承载力为主要标准。

(1)薄弱楼层抗震能力的补强

对于框架结构，沿评估方向需增强的楼层抗剪承载力为：

$\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{AfC}}=a_{\mathrm{yb}}*\mathrm{\Σ}{V}_{\mathrm{EC}}---\left(5\right)$

$a_{\mathrm{yb}}=\frac{1.1*A_m-A_{\mathrm{cb}}}{\mathrm{ag}*F_u*D}---\left(6\right)$

式中，ΔV_AfC为需补强的楼层抗剪承载力，V_EC为弹性地震作用下柱单元剪力。A_cb为薄弱楼层能抵抗的地震加速度，A_m为目标地震加速度，F_u为结构地震作用折减系数，D为结构缺陷系数。

对于含剪力墙结构，沿评估方向需增强的楼层抗剪承载力为：

ΔV_AfC+ΔV_Asf＝a_yb*(∑V_EC+∑V_SE)                                    (7)

式中，ΔV_Asf为剪力墙部分需补强的楼层抗剪承载力，V_SE为弹性地震作用下剪力墙单元剪力。

(2)薄弱单元抗震能力的补强

薄弱框架节点或薄弱剪力墙节点处沿评估方向需要增强的抗剪承载力分别为：

ΔV_fj＝(1.1*a_ym-a_yj)*V_EC                                            (8)

ΔV_sfj＝(1.1*a_ym-a_syj)*V_SE                                          (9)

式中，a_yj、a_syj分别为框架节点和剪力墙节点破坏时对应的地震加速度放大倍数，a_ym为目标地震加速度对应的楼层加速度放大倍数。

薄弱单元需要的剪力和弯矩补强分别为：

ΔV＝β₁*a_ym*V_E+V_DL-V_n                                              (10)

ΔM＝β₂*a_ym*M_E+M_DL-M_n                                              (11)

式中，V_E和M_E为弹性地震作用下单元的剪力和弯矩，V_DL和M_DL为重力荷载代表值作用下单元的剪力和弯矩，V_n和M_n为单元的抗剪和抗弯承载力，β₁、β₂为加固的安全系数，对梁单元β₁取1.1，β₂取1.0，对柱和剪力墙单元β₁、β₂取1.2。若ΔV＜0，取ΔV＝0；若ΔM＜0，取ΔM＝0。

用上述的加固方法对薄弱楼层的薄弱单元进行加固，直到∑ΔV_fj＞ΔV_AfC(框架结构)或∑ΔV_fj+∑ΔV_sfj＞ΔV_AfC+ΔV_Asf(含剪力墙结构)时，即完成对薄弱楼层的加固。

抗震能力小的薄弱单元一般应先破坏，不仅影响楼层的抗震能力，还会加速其它单元的破坏，对这类薄弱单元的加固是很必要的。本发明是按照薄弱单元的抗震能力强弱顺序，先对抗震能力较小的单元进行加固，直到薄弱楼层的抗震能力满足抗震要求。对于剪力墙结构，由于剪力墙的破坏对整个结构的抗震能力影响很大，因此，如果出现薄弱剪力墙单元，则首先对薄弱剪力墙单元进行加固，然后再加固框架单元，加固的顺序仍然是从抗震能力最小的单元开始。

本发明判断建筑物的抗震能力是否满足抗震要求是以建筑物能抵抗的地震加速度是否大于目标地震加速度为标准，建筑物能抵抗的地震加速度取所有楼层能抵抗的地震加速度的最小值。因此，如果某建筑物能抵抗的地震加速度不大于目标地震加速度的10％，则该建筑物出现薄弱层，需要对该建筑物的薄弱层进行加固。否则，该建筑物没有薄弱层，不需要对建筑物进行加固。

3、利用基于性态的能力谱抗震能力评估理念，给出适合对既有钢筋混凝土结构进行抗震评估的简化能力谱方法，利用VC++语言编制计算软件程序，给评估提供方便的实际应用条件。

本发明根据能力谱方法的特点，在既有研究成果的基础上，研究并实现了适合对既有钢筋混凝土结构进行抗震评估的简化能力谱方法。本方法不是根据需求谱与能力谱有无交点(性能点)为评估依据，而是以能力谱为根据求出既有建筑物相应的抗震能力，同时考虑了既有结构的使用时间、损伤、老化等影响，并与地震需求相比较，判断既有建筑物的抗震能力是否达到要求。相对于一般的能力谱法，本方法是评估钢筋混凝土结构抗震能力的简化能力谱方法。其评估方法步骤如下：

(1)进行静力弹塑性分析(Pushover分析)获得建筑结构的基底剪力(Vb)与顶点位移(Un)曲线，并求出等效单自由度体系弹性阶段的自振周期Tn。

(2)将Vb-Un曲线转换为能力谱曲线，并将建筑设计抗震规范中的反应谱转换成谱加速度和谱位移(Sae-Sde)格式。

(3)求某一性能点处建筑物抗震能力。假设需求谱与能力谱交于性能点(Sai、Sdi)，因为结构性能点是能力谱曲线与需求谱曲线的交点，因此该点需同时满足二曲线的特性。据此可将性能点处的Sai、Sdi转换为弹性能力谱上的相应Saei、Sdei。

(4)将Sdei代入(2)中的Sae-Sde曲线，就可求出建筑物应能抵抗的弹性需求谱上对应的地震加速度Sat(没考虑结构材料老化及损伤)，将Sat乘以谱折减系数，就可得到既有建筑物在性能点(Sai、Sdi)对应的状态应能抵抗的地震加速度Sni，即：

S_ni＝S_at·MSR_A    T≤T_g                                         (12)

S_ni＝S_at·MSR_V    T＞T_g                                        (13)

式中，MSR_A和MSR_V为考虑结构使用时间、损伤、老化等因素的谱折减系数。

(5)比较Saei和Sni，若Saei≥Sni就说明在性能点(Sai、Sdi)对应的状态，既有建筑物能抵抗相应的地震动；反之，则抗震能力达不到要求。

(6)重复3～5步，可求出不同性能点(Sai、Sdi)对应的状态下建筑物的抗震能力，及是否能抵抗地震动，从而达到对既有建筑物进行抗震能力评估的目的。

对建筑物进行Pushover分析过程中，能得到每一荷载步在结构能力曲线上对应的点，可称之为与相应荷载步对应的性能点。实际评估分析中，可以建筑物进入塑性状态后各荷载步对应的性能点为基础，按照上述(3)～(6)步，求出建筑物进入塑性状态后建筑物在各加载情况下的抗震能力。

4、利用计算机语言，例如VC++语言编制分析计算软件程序，将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法整合在同一软件平台上，开发出钢筋混凝土结构抗震能力评估软件EAC-RC，该软件界面友好，操作简便，可以在windows操作系统系列环境下运行，为抗震评估和加固方法的推广应用提供了良好前景。

本发明钢筋混凝土结构抗震能力评估程序EAC-RC主要用于既有建筑物的抗震能力评估，是根据强度与延性抗震能力评估方法的基本原理、简化的能力谱方法基本原理、薄弱性分析及抗震加固评估原理，结合软件工作理论，应用VC++6.0语言编程开发的。

EAC-RC程序在设计程序时采用界面输入数据与文件输入数据相结合的方法。对于大量的单元内力、单元截面信息、节点信息等资料，则将其以文本文件的形式存放，在程序运行时，只需在交互环境下直接点选文本文件即可，和在Windows环境下打开文件的界面完全一样简单；对于控制性的数据，如数据较少，则采用在交互环境下直接输入的方法。

EAC-RC程序既能实现基于强度与延性的理论对混凝土结构进行抗震能力评估，又能用简化能力谱法进行评估。强度与延性法评估分两步：一是将ETABS软件输出的内力进行处理，使得处理过的数据文件能够为后续的分析所用；二是根据前处理得到的数据文件和单元、节点信息进行抗震能力评估。而简化能力谱法是手动将ETABS的PUSHOVER分析结果提取出来，作为数据文件输入，不需要进行前处理。

EAC-RC程序能以强度及延性法的评估结果为基础，对结果的薄弱环节进行分析与加固。程序能分析大、中、小震下结构单元的受力状态，并给出大、中、小震下的薄弱单元。对于薄弱楼层和薄弱单元，程序给出了薄弱节点(框架节点或剪力墙节点)、薄弱单元单元的加固顺序和需要增强的承载力(单元补强)，并对补强加固后的结构进行评估，检验加固补强是否满足要求及其合理性。

该程序对每个功能作为一个模块单独设计，如前处理部分有两个模块：框架内力前处理、剪力墙内力前处理。该程序对抗震能力评估分为三个模块：框架结构抗震能力评估、框架剪力墙结构抗震能力评估和简化能力谱法评估。

EAC-RC程序在评估过程中能生成若干评估结果文本文件，只需要给它们指定相应的文本文件就可以了，每个结果文件包含了大量的评估结果信息。按结果可分为梁的破坏信息、柱的破坏信息、剪力墙破坏信息、节点破坏信息、抗震能力评估报告等，这些结果分别存在不同的文本文件中，打开这些文件就可以看到详细的评估结果信息。

EAC-RC抗震评估程序是以VC++6.0为平台开发的，在windows操作系统系列(windows9x/NT/Me/2000/XP)环境下都可以运行。

EAC-RC程序的主体功能是对既有钢筋混凝土框架结构和钢筋混凝土剪力墙结构进行抗震能力评估。对应于强度与延性法评估，程序有两大功能模块：对既有钢筋混凝土框架结构进行抗震能力评估模块和对既有钢筋混凝土框架剪力墙结构进行抗震能力评估模块，这两个模块相对独立、单独运行。对应于简化能力谱法评估模块，既可以评估钢筋混凝土框架结构，也可以评估钢筋混凝剪力墙结构。在强度延性法评估的基础上，程序对结构的薄弱环节进行了分析，并提供了结构单元需要增强的承载力，为结构的加固提供参考。

由于该评估程序是与ETABS软件相结合，首先要用ETABS软件建立实体模型，并计算出在小震下，结构的单元内力。EAC-RC程序的强度延性法评估，就是根据ETABS输出的单元内力和单元截面资料信息进行抗震能力评估的。而ETABS输出的内力并不能直接为程序所用，必须经过处理，这就是EAC-RC程序前处理模块的功能。EAC-RC程序包括两个前处理模块：框架内力前处理模块和剪力墙内力前处理模块，分别读取处理ETABS输出的框架内力和剪力墙内力。EAC-RC程序的强度延性法评估以ETABS软件的Pushover分析为基础，根据分析结果，编制相应的输入文件，然后运行EAC-RC程序进行评估。

应用本发明建筑物的抗震能力评估方法的程序的特点：

(1)软件的功能：EAC-RC主要用于既有建筑物的抗震能力评估，既能实现对混凝土结构进行抗震能力评估，又能对结构薄弱楼层及其薄弱单元进行加固分析，并检验加固是否满足要求及其合理性。该软件能给出详细的结构抗震评估信息，评估者能更全面地了解结构的抗震性能，有针对性地制定结构加固方案。

(2)友好的操作界面：该软件将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固整合在同一软件平台上，操作流程简单明了，一般工程技术人员很容易掌握。EAC-RC程序在设计程序时采用界面输入数据与文件输入数据相结合的方法。对于大量的单元内力、单元截面信息、节点信息等资料，则将其以文本文件的形式存放，数据文件的编写有固定的模式，而且数据非常简单，不易出错；对于控制性的数据，则采用在交互环境下直接输入的方法。

(3)软件的先进性：该软件的理论研究先进，突破了现有抗震鉴定的局限，考虑了影响既有钢筋混凝土建筑结构抗震性能的诸多因素。软件功能齐全，既能实现对结构的抗震能力评估，又能实现对结构的薄弱部位进行加固分析。

(4)软件的稳定性：测试小组通过具体的工程实例对该软件进行测试，结果表明该系统的性能稳定。

(5)软件的实用性：既有混凝土结构抗震能力评估是目前土木工程领域重要的课题。

综上所述，该软件具有较为先进的抗震评估理论、较为完备的功能、友好的操作平台、良好的稳定性，有很强的实用价值和广阔的应用前景。

本发明方法可以应用于民用建筑，也可以应用于工业建筑上。

本发明的优点：

钢筋混凝土结构是我国工业和民用建筑广泛应用的主要结构型式，其抗震能力是保障人民生命财产安全的重要指标，本发明建立的抗震能力评估方法具有创新性和工程应用价值。应用本钢筋混凝土结构抗震能力评估方法的软件，可将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法整合在同一软件平台上，即：将抗震能力定量评估这样一项极为复杂的工作用人机交互程序来实现，使具有一般土建知识的工作人员通过使用该程序，即可实现对钢筋混凝土结构抗震能力的量化评估，为钢筋混凝土结构抗震评估和加固方法的推广应用，为建筑工程抗震性能设计提供了广阔前景。

1.本发明结合我国最新的建筑工程抗震性态设计通则和现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范以及抗震设防标准，提出基于强度与延性的钢筋混凝土结构抗震能力评估方法、薄弱环节分析和抗震加固评估方法、简化的能力谱方法。

2.建立了既有钢筋混凝土结构抗震评估体系。考虑了影响钢筋混凝土结构抗震性能的诸多因素，突破了现行抗震鉴定标准过于简化的局限，使对既有混凝土结构的抗震评估更符合结构实际，丰富的评估结果信息使评估者能更全面地了解结构的抗震性能。实现了对结构薄弱楼层、薄弱单元的量化加固分析，使得既有混凝土结构加固方案的制定更有针对性、科学性、实用性。改变了目前凭经验进行加固的不合理性。开发了“钢筋混凝土结构抗震能力评估软件(EAC-RC)”，该软件是钢筋混凝土结构抗震评估及加固分析理论的计算机实现。

3.开发了“钢筋混凝土结构抗震能力评估软件(EAC-RC)”。软件运行平稳、速度快、效率高，软件界面友好，操作简便，为抗震评估和加固方法的推广应用提供了良好前景。

4.该发明理论基础先进，开发的先进的评估软件是建筑结构评估、加固领域的重大突破。因此，该发明具有广阔的应用前景。

总之，本发明公开了一种钢筋混凝土结构建筑的抗震能力评估方法，是将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法整合在同一软件平台上，将抗震能力定量评估这样一项极为复杂的工作用人机交互程序来实现，使具有一般土建知识的工作人员通过使用该程序，即可实现对钢筋混凝土结构抗震能力的量化评估，为钢筋混凝土结构抗震评估和加固方法的推广应用，为建筑工程抗震性能设计提供了广阔前景。

附图说明

图1是本发明的钢筋混凝土结构建筑的抗震能力评估方法基本流程图。

图2是本发明结构加固补强流程图。

图3是需求谱与能力谱交于性能点(S_ai、S_di)示意图。

图4是本发明结构抗震评估与加固分析流程图(EAC-RC程序对框架结构抗震能力的评估流程)。

图5是本发明应用软件EAC-RC程序对含剪力墙结构抗震能力评估流程图。

图6是本发明结构加固评估程序的功能层次框图。

图7是简化能力谱法计算软件分析流程

具体实施方式

以下结合具体附图和实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示：对待评估的建筑结构，首先用ETABS软件进行弹性地震分析，求得结构的梁、柱及剪力墙内力，进行梁的极限承载力、破坏模式及延性比。以及柱的极限承载力、破坏模式及延性比，剪力墙的极限承载力、破坏模式及延性比，然后对框架节点强度比较及对柱的承载力、延性比的修正，计算各半层屈服地面运动加速度，计算结构系统地震作用塑性系数，考虑待评估建筑结构现有缺陷修正系数，计算各半层抗震能力Ac

如图2所示，强度与延性法评估钢筋混凝土结构抗震能力是首先选择加固楼层，然后选择加固单元，计算沿评估方向需增强的楼层抗剪承载力，再计算结构单元补强，重新建模，评估钢筋混凝土结构抗震能力后在此基础上判断单元是否为薄弱单元，如果是，则重新按照上述流程选择加固楼层以及后续步骤，如果否，则可以结束。

如图3所示，求某一性能点处建筑物抗震能力。假设需求谱与能力谱交于性能点(Sai、Sdi)，因为结构性能点是能力谱曲线与需求谱曲线的交点，因此该点需同时满足二曲线的特性。据此可将性能点处的Sai、Sdi转换为弹性能力谱上的相应Saei、Sdei。

如图4所示，EAC-RC程序对框架结构抗震能力的评估流程是打开前处理基本信息文件，打开ETABS输出文件及处理结果文件，进行框架内力前处理，框架内力前处理，场地上基本信息，建筑基本评估信息，打开框架信息文件，打开存放结果文件，进行抗震能力评估，框架结构抗震能力评估，得到评估结果。

如图5所示，对含剪力墙结构抗震能力的评估流程是：打开前处理基本信息文件，打开ETABS输出文件及处理结果文件，进行剪力墙内力前处理，剪力墙内力前处理，打开剪力墙信息文件，含剪力墙结构，抗震能力评估。

如图6所示，结构薄弱环节分析与加固的步骤是先打开分析结果文件，分析大、中、小震下结构单元的加固受力状态，分析大、中、小震下的薄弱单元。对于薄弱楼层和薄弱单元，给出薄弱节点(框架节点或剪力墙节点)、薄弱单元单元的加固顺序和需要增强的承载力(单元补强)，并对补强加固后的结构进行评估，检验加固补强是否满足要求及其合理性。

如图6所示，对结构进行pushover分析，采用简化能力谱法，进行抗震能力评估，打开输入、输出文件，进行简化能力谱法分析。

以下是本发明的实施例：

实施例一：广西壮族自治区南宁市广播电视技术大楼工程

在本实施例中，利用基于强度与延性的抗震评估方法，主要对含剪力墙框架结构工程进行了抗震能力评估及分析，验证本发明钢筋混凝土含剪力墙框架结构抗震评估方案和评估软件合理性和实用性。

1 工程概况

广西南宁市广播电视技术大楼采用钢筋混凝土框架—剪力墙结构，地下一层(建模时，将地下室作为第一层)，地上二十二层，二至三层间有一夹层，顶部还有两层附属层，结构总高度94m。结构利用中部电梯井、楼梯间及设备通道集中布置钢筋混凝土墙，形成一个刚度较大的钢筋混凝土筒体，从地下室直至屋顶；四周7.05*7.5m的柱网形成框架结构，由钢筋混凝土墙作为主要抗侧力结构。整个框架—剪力墙结构刚度均匀，受力明确合理。楼面、屋顶均采用现浇梁板，屋顶板厚150mm，其余各楼层楼板厚100mm。除18、19层录音室和直播室内隔墙及各层外墙采用240mm砖墙外，其余内隔墙均采用GRC轻质墙板。

该建筑物1996年竣工，已使用十年。因要对部分房间和会议室进行改造，故需要对其进行抗震能力评估。本章也通过这个工程实例详细研究框架—剪力墙结构的抗震性能。

改造方案如下：由于对演播室等的改扩建的需要，将16、17层的楼面活荷载由5.8KN/m2增加到8.0KN/m2；由于仓库容量增加，15层的仓库活荷载由5.8KN/m2增加到8.0KN/m2；21层由于装修的需要，增加1.5KN/m2的恒荷载。同时打掉、增加部分墙体。

2 抗震设防要求及评估参数

该建筑物按规定7度设防，框架、剪力墙的抗震等级为二级。根据抗震设计规范，该建筑物抗震设防类别为乙类，场地土类别为II类(2组)，由此，小震对应的地震影响系数为0.16。根据《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》，在全国地震危险性分区中，南宁市处于III区。

该建筑物竣工于1996年，按50年设计基准期设计，故其剩余使用寿命为40年，在剩余使用年限内，地面运动加速度超赿概率取10％，与设计基准期内的超越概率相同，符合等超越概率原则。

根据该建筑物的抗震设防类别(乙类)，其建筑物的重要性系数为1.25。该建筑物使用时间不是很久，且没经过大的地震(大于6度)，建筑物没出现明显的损伤(混凝土老化、开裂、地基不均匀沉降等)，该建筑物的损伤系数可取为1.0。

本发明通过ETABS软件分析，该建筑物X向(纵向)、Y向(横向)的自振周期分别为：1.7143s、2.4362s。考虑填充墙对结构刚度的影响，取周期折减系数0.7；因此评估时取T_xb＝1.20s，T_yb＝1.70s。改造后，由于结构质量的增加，结构的周期会有相应的变大。经ETABS计算，考虑周期折减系数，改造后结构的自振周期为：T＝1.21s，T_ya＝1.72s。

该建筑物的高度(地上部分)88.5m，长度(X向)是28.8m，宽度(Y向)也是28.8m，由计算建筑物自振周期的经验公式(其中H为建筑物高度，B为所考虑方向建筑物的宽度)，计算出改造前建筑物X向(纵向)、Y向(横向)的自振周期：T_x＝T_y＝10.3253s。评估所用周期取较小值，故T_xb＝1.20s，T_yb＝1.70s；同理，改造后T_xa＝1.21s，T_ya＝1.72s。

3 对建筑结构评估模型的设置

该建筑模型的第一层为地下室，故应对第一层顶面的节点施加x、y方向的约束，以模拟地下层。由于开门窗洞口的需要，该建筑物的剪力墙大都是开洞墙体。门窗洞口面积相对整片墙体很小(远小于15％)的墙体，不考虑门窗洞口的影响，按一片墙体计算。对门窗洞口较大，而墙肢又相对较小的墙体，将按双肢或多肢剪力墙计算。但是由于所有连梁的跨、高比均远小于2.5，刚度相对很大，故评估时不考虑连梁的破坏对剪力墙破坏的影响，将连梁当作刚体考虑。

该建筑物的上部有几根构造柱，这些构造柱直接坐落在梁的交点，且下部没有柱，全靠梁来支撑。这几个构造柱的抗震能力是很弱的，它们很容易破坏，而且促使下部梁破坏，故不考虑这几个构造柱对结构抗震能力的增强作用。

由于该建筑物属于高层建筑，计算其弹性地震作用时，采用反应谱分析方法。

4 数据文件的编写

该建筑物的主要材料如下：

(1)钢筋：I级fy＝210N/mm2

II级fy＝340N/mm2

(2)混凝土强度等级：剪力墙、柱1～7层(含地下层)C40

                             8～14层         C35

                             15～26层        C25

                   楼面梁、板                C20

对该建筑物进行抗震能力评估时，需要编写以下数据文件：框架内力信息文件(ETABS_FRAME.txt)，剪力墙内力信息文件(ETABS_SW.txt)，X方向(纵向)框架信息文件(NNGBDSDL_EVX.txt)，Y方向(横向)框架信息文件(NNGBDSDL_EVY.txt)，X方向剪力墙信息文件(NNGBDSDLSW_EVX.txt)，Y方向剪力墙信息文件(NNGBDSDLSW_EVY.txt)。由于篇幅有限，这里不列出具体单元类型的截面特性。

5 各楼层及结构单元的评估结果及其分析

(1)各楼层抗震能力评估结果及分析

使用本框架—剪力墙结构抗震能力评估程序对该建筑物进行抗震能力评估，下表1和表2分别列出了部分楼层改造前后的抗震能力。

表1：X方向建筑的抗震能力评估

楼层	上半层(下半层)	改建前X方向各半层的抗震能	改建后X方向各半层的抗震能力
				26	下半层	3.97792	3.97668
25	上半层	3.97792	3.97668
				下半层	1.97512	1.97248
	24	上半层	2.32603				2.32436
下半层				1.74465	1.74531*
		23	上半层			1.83607	1.83791*
下半层	1.33725			1.33865*
			22		上半层	1.39757	1.39921*
下半层	0.978131	0.977797
				21	上半层	1.03651	1.03561
下半层	0.859217	0.851931

20	上半层	0.894793	0.887436
				下半层	0.774851	0.768573
	19	上半层	0.821161				0.814501
下半层				0.782763	0.776678
		18	上半层			0.745017	0.738695
下半层	0.680778			0.675666
			15		上半层	0.630233	0.623598*
下半层	0.586206	0.579809
				9	上半层	0.47928	0.474417
下半层	0.442728	0.438575
			8		上半层	0.455641	0.451437
下半层	0.423185	0.419452
				3	上半层	0.40297	0.400167
下半层	0.441757	0.438184
			2		上半层	0.40337	0.400684
下半层	0.457098	0.453459
				1	上半层	0.557402	0.552533
下半层	0.499902	0.49546
			0		上半层	0.445777	0.441769
小震(常遇地震，超越概率63％)下的目标地震加速度：0.0963732(g)中震(偶遇地震，超越概率10％)下的目标地震加速度：0.146282(g)大震(罕遇地震，超越概率5％)下的目标地震加速度：0.165576(g)结论：该建筑物X方向抗震能力满足抗震要求小震(常遇地震，超越概率63％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求中震(偶遇地震，超越概率10％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求大震(罕遇地震，超越概率5％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求

表2：Y方向建筑的抗震能力评估

楼层	上半层(下半层)	改建前Y方向各半层的抗震能力Ac(g)	改建后Y方向各半层的抗震能力Ac(g)
				26	下半层	0.220409	0.219423
25	上半层	0.402374	0.400654
				下半层	1.13131	1.12413
	24	上半层	1.30161				1.29834
下半层				1.52601	1.51678
		23	上半层			0.940421	0.93781
下半层	1.18706			1.18817
			22		上半层	0.877044	0.873398
下半层	0.83999	0.840615
				21	上半层	0.730724	0.727619
下半层	0.741395	0.735187
			20		上半层	0.65161	0.645873
下半层	0.624612	0.62045
				19	上半层	0.623866	0.619343

	下半层	0.569083	0.563007
				18	上半层	0.652242	0.648668
下半层	0.631582	0.627086
			15		上半层	0.53804	0.531196
下半层	0.534281	0.530689
				13	上半层	0.527922	0.521316
下半层	0.517179	0.512652
			9		上半层	0.487617	0.484262
下半层	0.416797	0.413062
				8	上半层	0.480474	0.477764
下半层	0.38824	0.384898
			3		上半层	0.390169	0.387984
下半层	0.350332	0.366462
				2	上半层	0.395975	0.393821
下半层	0.393827	0.391619
			1		上半层	0.448302	0.446327
下半层	0.354762	0.352325
				0	上半层	0.322215	0.319959
小震(常遇地震，超越概率63％)下的目标地震加速度：0.0963732(g)中震(偶遇地震，超越概率10％)下的目标地震加速度：0.146282(g)大震(罕遇地震，超越概率5％)下的目标地震加速度：0.165576(g)结论：该建筑物Y方向抗震能力满足抗震要求小震(常遇地震，超越概率63％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求中震(偶遇地震，超越概率10％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求大震(罕遇地震，超越概率5％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求

从X方向各半层的抗震能力结果，可以看出改造后，由于荷载的增加，除了部分楼层外(带*号)，大部分楼层的抗震能力均有不同程度的降低。改造前后，X方向抗震能力最弱楼层的抗震能力分别为：0.40297g(第3层上半层)、0.400167g(第3层上半层)；Y方向抗震能力最弱楼层的抗震能力分别为：0.220409g(顶)、0.219423g(顶层)。从表1或表2可知，大震下的目标地震加速度为0.165576g，所以加改造后结构的抗震能力仍满足抗震要。

从评估结果还可以看出，X方向结构抗震能力最小的层并不是出现在结构的底部，而是在第3层的上半层，这是由于对该结构是采用反应谱方法，而不是底部剪力法。若采用底部剪力法对结构进行地震内里分析，则地震作用是按第一振型分布，沿结构高度从上到下逐渐增加。采用反应谱法，由于高振型的影响，结构的受力、变形更加复杂，最大地震作用就不一定作用在结构底部，因此才也不一定底部结构最先破坏。Y方向抗震能力最弱的楼层出现在建筑物顶部，而不是在建筑物最底部，是由于该楼层处Y方向的剪力墙面积急剧减小造成的。

实施例二：广西壮族自治区南宁市新屋小学教学楼工程

在本实施例中，分别应用利用基于强度与延性的抗震评估方法和简化的能力谱方法进行抗震能力评估，并将两种评估结果进行比较分析。同时，根据基于强度的加固理论，对该工程薄弱楼层及薄弱单元进行加固分析，并对加固后的建筑结构进行抗震能力评估，检验结构抗震加固的合理性。

1 工程概况

本工程实例南宁市新屋小学教学楼。该建筑物为框架结构，结构5层。结构总高度19.5m，层高3.9m。1991年竣工，由于建筑质量问题，部分梁和墙体开裂，需对结构抗震能力进行评估。

2 抗震设防要求及相关参数

该建筑物竣工于1991年，按50年设计基准期设计，故其剩余使用寿命为35年，在剩余使用年限内，地面运动加速度超赿概率取10％，与设计基准期内的超越概率相同，符合等超越概率原则。该建筑物设防烈度为七度，场地土类别为II类(2组)，建筑类别及设防标准为乙类，抗震等级为三类。根据《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》，在全国地震危险性分区中，南宁市处于III区。

根据该建筑物的抗震设防类别(乙类)，其建筑物的重要性系数为1.25。该建筑物使用了一定时间(15年)，虽没经过大的地震(大于6度)，但建筑物的梁出现了裂缝，且填充墙出现了可见的开裂，该建筑物的损伤系数可取为0.95。

经过ETABS的静力和动力分析并考虑填充墙的作用后，结构X(长向)，Y(短向)方向的自振周期分别为：T_x＝1.29s，T_y＝1.31s。

由自振周期的经验公式 $T_1=0.22+0.35\frac{H}{\sqrt[3]{B}},$ 其中H为建筑物高度，B为所考虑方向建筑物的宽度，计算得建筑物的地震周期，X向(长向)T_x＝4.93s，Y向(短向)T_y＝5.42s。

评估所用周期取两者最小值，故T_x＝1.29s，T_y＝1.31s。

3 基于强度与延性方法评估结果分析

(1)X方向和Y方向的评估结果

根据本发明基于强度与延性的抗震评估理论，对该既有建筑结构进行抗震能力评估，结果如表3、表4所示。从评估结果可以看出，该建筑物X方向不能抵抗中震和大震，但能抵抗小震，Y方向能抵抗小震和中震，但在大震作用下会倒塌破坏。

表3 X方向建筑的抗震能力评估

楼层	上半层(下半层)	X方向各半层的抗震能力(g)	是否能抵抗中震	是否能抵抗大震
					5	下半层	0.441717	能	能
4	上半层	0.398951	能	能
					下半层	0.387309	能	能
	3	上半层	0.274379	能					能
下半层					0.274427	能	能
		2	上半层	0.210684				能	能
下半层	0.208215				能	能
			1	上半层			0.141592	不能	不能
下半层	0.142836	不能			不能
				0		上半层	0.403444	能	能
小震(常遇地震，超越概率63％)下的目标地震加速度：0.0938742(g)中震(偶遇地震，超越概率10％)下的目标地震加速度：0.142888(g)

大震(罕遇地震，超越概率5％)下的目标地震加速度：0.161868(g)结论：该建筑物X方向抗震能力不足小震(常遇地震，超越概率63％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求中震(偶遇地震，超越概率10％)下该建筑物抗震能力不足大震(罕遇地震，超越概率5％)下该建筑物抗震能力不足

表4 Y方向建筑的抗震能力评估

楼层	上半层(下半层)	Y方向各半层的抗震能力(g)	是否能抵抗中震	是否能抵抗大震
					5	下半层	0.438826	满足	满足
4	上半层	0.402764	满足	满足
					下半层	0.381750	满足	满足
	3	上半层	0.269122	满足					满足
下半层					0.276557	满足	满足
		2	上半层	0.230054				满足	满足
下半层	0.225953				满足	满足
			1	上半层			0.173204	满足	满足
下半层	0.161353	满足			不满足
				0		上半层	0.405403	满足	满足
小震(常遇地震，超越概率63％)下的目标地震加速度：0.0938742(g)中震(偶遇地震，超越概率10％)下的目标地震加速度：0.142888(g)大震(罕遇地震，超越概率5％)下的目标地震加速度：0.161868(g)结论：该建筑物Y方向抗震能力不足小震(常遇地震，超越概率63％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求中震(偶遇地震，超越概率10％)下该建筑物抗震能力满足抗震要求大震(罕遇地震，超越概率5％)下该建筑物抗震能力不足

(2)楼层屈服破坏时单元的破坏信息

表5列出了各楼层框架节点处梁单元界面的破坏信息统计结果。从评估结果可以看出，除个别梁外，大多数梁界面都是在弯矩屈服破坏，延性较好。本评估软件还给出了梁的配筋情况，从评估结果可知，各楼层柱端梁的配筋均为适筋梁。

表6列出了各楼层不同破坏类型的柱单元数，从该表可以看出，结构上部的柱子都是发生延性较好的弯曲破坏。结构底部的柱子有一部分发生脆性破坏。在结构底部，由于剪力很大，柱子的抗震能力主要由剪力决定，首先发生剪力破坏。从柱单元的配筋可以看出，柱单元的箍筋配置较高，抗剪承载力较高，而柱单元的纵筋配置较低，抗弯承载力不足，因此在以剪力破坏为主的结构底部，尽管侧向地震作用力较大，但抗震能力较强。

(3)节点破坏信息

表7列出了各楼层不同类型框架节点数，从该表可以看出，除顶层外其余楼层的框架节点大部分是强柱弱梁破坏，满足抗震要求。

表5 框架节点处不同破坏类型梁截面数(X方向)

楼层	剪力破坏	弯矩屈服后的剪力破坏	弯矩屈服破坏	超筋梁	适筋梁	少筋梁
							5	0	2	42	0	44	0
4	0	2	42	0	44	0
							3	0	2	42	0	44	0
2	0	2	42	0	44	0
							1	0	2	42	0	44	0

表6 各楼层不同破坏类型柱单元数(X方向)

楼层	剪力破坏	弯矩屈服后的剪力破坏	弯矩屈服破坏	大偏心	小偏心
						5(下半层)	0	0	26	26	0
4(下半层)	0	0	26	22	4
						3(上半层)	0	0	26	22	4
2(下半层)	0	8	18	22	4
						1(上半层)	2	11	13	20	6
1(下半层)	0	0	26	22	4
						0(上半层)	26	0	0	0	26

表7 各楼层不同类型的框架节点数(X方向)

楼层	强柱弱梁	强梁弱柱
			5	4	22
4	24	2
			3	24	2
2	26	0
			1	26	0

4 结构薄弱单元分析与抗震加固评估

该建筑结构X方向的第1层上、下半层均为薄弱层，以下就根据基于强度的加固理论，对薄弱楼层及薄弱单元进行加固，并对加固后的建筑结构进行评估，检验结构加固的合理性。以下主要分析X方向的加固，Y方向的分析相同。

(1)单元薄弱性分析

表8列出了框架节点处各楼层梁单元截面在中震、大震下不同受力状态的数量统计，表9列出了各楼层柱单元在中震、大震下不同受力状态单元的数量。从分析结果可以看出，在中震、大震作用下，结构底部的梁单元大都处于塑性状态。而由表9所示，由于框架柱的配筋在第二层处突然增大，因此第2层以下的柱在中震、大震作用下，反而大都处于弹性状态。但是，由于梁的配筋较小，过早进入接近破坏的塑性状态，加速了框架节点的破坏，根据对强柱弱梁框架节点处柱承载力的调整，柱的承载力得不到充分发挥，因此，在地震作用较大的第一层出现了薄弱层。而在基础底面(第0层上半层)，由于没有梁，不考虑梁对柱承载力的减弱作用，尽管地震作用更大，但结构的抗震能力仍满足抗震要求。

表8 中震、大震下，不同受力状态梁单元截面的数量

楼层	弹性(大震)	塑性(大震)	破坏(大震)	弹性(中震)	塑性(中震)	破坏(中震)
							5	44	0	0	44	0	0
4	6	38	0	10	34	0
							3	2	42	0	2	42	0
2	2	42	0	2	42	0
							1	0	44	0	0	44	0

表9 中震、大震下，不同受力状态柱单元的数量

楼层	弹性(大震)	塑性(大震)	破坏(大震)	弹性(中震)	塑性(中震)	破坏(中震)
							5(下)	26	0	0	26	0	0
4(上)	26	0	0	26	0	0
							4(下)	26	0	0	26	0	0
3(上)	16	10	0	24	2	0
							3(下)	16	10	0	24	2	0
2(上)	6	20	0	9	17	0
							2(下)	25	1	0	26	0	0
1(上)	25	1	0	26	0	0
							1(下)	0	26	0	3	23	0

(2)对薄弱楼层、薄弱单元进行加固分析

薄弱楼层薄弱单元的加固补强情况及加固前后楼层的抗震能力对比如表10、表11所示。根据本发明的加固理论，选择抗震能力最弱的框架节点进行加固，只需加固较少的框架节点，就可以使结构的抗震能力满足抗震要求，而且能使对结构的加固在合理范围内。

表10 楼层加固单元及需要的补强量(KN-m)。

楼层	节点	梁单元弯矩补强(左)	梁单元剪力补强(左)	梁单元弯矩补强(右)	柱单元剪力补强(右)	柱单元弯矩补强	柱单元剪力补强
								1(上)	26	2	42	0	176.922	0	176.922
23	2	42	0	44	0	176.159
							1(下)		26	2	42	0	44	0	44
23	2	42	0	44	0	44

表11 框架节点加固强度及楼层加固前后抗震能力对比

楼层	需补强的抗剪承载力	实际补强的抗剪承载力	加固前楼层抗震能力	加固后楼层抗震能力	是否满足抗震要求
						1(上)	301.533	400.564	0.141592	0.21056	满足
1(下)	242.593	389.265	0.142836	0.19789	满足

5 简化能力谱法的评估结果

以下用能力谱法对新屋小学教学楼进行抗震能力评估。在此主要分析了X方向的评估结果，Y方向也可以得到类似的分析结果。

(1)进行Pushover分析

本发明采用ETABS软件对建筑结构进行Pushover分析，分析中采用ETABS软件默认的塑性铰，对柱单元指定预设Default-PMM塑铰性质，对梁单元指定预设Default-M3塑铰性质。在对加固后的结构进行Pushover分析时，通过增加薄弱单元的配筋来考虑对薄弱单元的加固。钢筋的增加量根据薄弱单元抗震加固补强值(如表10所示)。

在基于强度与延性评估方法中，对该建筑结构进行弹性地震分析采用的是底部剪力法，因此在进行PushOver分析时，按第一振型施加侧向荷载，定义荷载工况如下：

1)重力荷载代表值：NSTA；

2)重力荷载代表值+振型1(纵向)：PUSHMOD01；

3)重力荷载代表值+振型2(横向)：PUSHMOD02；

(2)基底剪力(Vb)和顶点位移(Un)关系曲线(Vn-Un)

根据Pushover分析结果，得到的Vn-Un曲线作为X方向抗震能力评估的依据。

各荷载步Vn-Un的关系如下表：

表12 荷载工况(X方向)

荷载步	位移(加固前)	基底剪力(加固前)	位移(加固后)	基底剪力(加固后)
					0123456	-0.00430.02800.07350.09950.26740.38780.3020	0.0000789.2108988.09111548.51861987.48832897.82312345.3623	-0.00430.02210.06450.08420.20540.34880.2458	0.0000785.5789984.55651550.77891991.46782895.84552335.5477

(3)将Vn-Un曲线转化为能力谱曲线

每一荷载步在能力谱曲线上对应位移和加速度如下(X方向)：

表13 能力谱曲线上荷载步对应的位移和加速度(X方向)

荷载步

谱加速度(加固前)

谱位移(加固前)

谱加速度(加固后)

谱位移(加固后)

0123456

00.0.354880.456890.8578991.0588990.456878

-0.02185750.105680.305460.348680.567880.774880.54665

00.146540.4656650.5458810.887550.945680.454658

-0.02185750.1423280.3488980.3564850.813580.971240.50152

(4)评估建筑物在不同延性比下的抗震能力

用简化的能力谱方法评估建筑物X方向在不同延性比下的抗震能力。

表14 不同延性比对应的结构抗震能力(X方向)

延性系数	能抵抗地震加速度(g)(加固前)	能抵抗地震加速度(g)(加固后)	应能抵抗地震加速度(g)	加固结果
					1.353743.63815.27619	0.4856880.3456680.206002	0.5055650.3665650.315488	0.2596650.2248350.141761	满足满足满足

从上表可以看出，结构在地震作用下进入塑性状态后，随着地震作用的增大，非线性变形增加，延性系数也相应增加。而结构在延性增加的情况下，抗震能力(能抵抗的地震加速度)也相应降低。当延性增加时，结构的刚度降低，周期变大，地震对结构的破坏作用(应能抵抗地震加速度)也相应减小。

当建筑物延性达到最大值时，结构能抵抗的地震加速度降至最低，但结构的抗震能力仍满足要求。这是由于进行Pushover分析时，对强柱弱梁框架节点，不考虑对框架柱的承载力的折减，这样配筋较高的底层柱的承载力不受到配筋较低的框架梁的影响，柱的承载力得到较充分的发挥，因此采用能力谱法评估得到的结构的抗震能力是满足抗震要求的。而且，简化能力谱方法主要反映的是等效单自由度的抗震能力，其建立的基础是结构的基底剪力和顶端位移。根据强度与延性法，单根据结构底部(第0层上半层)的抗震能力(0.403444g)是满足抗震要求的，对应的延性比为1；根据能力谱法评估结果，延性系数为1.35374时结构的抗震能力为0.485688g，二者差别不是很大。表14还列出了加固后结构的抗震能力评估结果，加固后结构的抗震能力有一定的提高，且提高的幅度和强度与延性法的评估是比较一致的(相差0.05g左右)。

Claims (6)

1、一种建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)基于建筑工程抗震性态设计通则、现行建筑抗震设计规范、混凝土结构设计规范及抗震设防标准，借鉴结构强度与延性的抗震能力比，建立一套强度与延性抗震评估流程与规范相结合的钢筋混凝土结构抗震评估体系，开发一种混凝土结构抗震能力量化评估软件。

(2)建立对薄弱楼层、薄弱单元的基于强度与延性的抗震加固评估分析体系，给出薄弱楼层和薄弱单元的判断标准，并确定结构单元加固补强的合理目标及加固顺序，对加固后的结构进行评估。

(3)利用基于性态的能力谱抗震能力评估理念，给出适合对既有钢筋混凝土结构进行抗震评估的简化能力谱方法，利用计算机语言编制计算软件程序，给评估提供方便的实际应用条件。

(4)利用计算机语言编制分析计算软件程序，将抗震能力评估、薄弱楼层及薄弱单元分析与加固、简化能力谱方法整合在同一软件平台上，开发出钢筋混凝土结构抗震能力评估软件。

2、根据权利要求1所述的建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：借鉴结构强度与延性的抗震能力比，是以崩塌地面运动加速度Ac表示结构的抗震能力，适用的具体结构形式包括框架结构和含剪力墙的框架结构。

3、根据权利要求1所述的建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：评估流程是首先计算结构的弹性地震内力，然后根据建筑结构实际构件的尺寸和配筋计算钢筋混凝土单元的强度与延性，评估钢筋混凝土框架结构和含剪力墙框架结构的抗震能力，在计算出建筑结构各楼层上、下半层的抗震能力即破坏时承受的地面运动加速度Ac后，将其与目标地震加速度相比较，判断建筑结构各楼层的抗震能力是否满足要求，在计算建筑物的抗震能力时，考虑了竖向荷载作用、梁对柱抗震能力的影响，同时考虑了延性对建筑物抗震能力的增强作用，对于结构单元，除考虑其抗剪能力外，还考虑抗弯能力对单元破坏的影响。

4、根据权利要求1所述的建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：对结构薄弱环节的分析，是在钢筋混凝土结构抗震能力评估之后进行的，根据计算出的钢筋混凝土单元的承载力，评估单元弹性和塑性极限，并结合单元在目标地震作用下的受力，评估单元在目标地震作用下的受力状态，在此基础上判断单元是否为薄弱单元，如果是，则重新按照上述流程选择加固楼层以及后续步骤，如果否，则可以结束。

5、根据权利要求1所述的建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：混凝土结构抗震能力量化评估软件EAC-RC，用于既有建筑物的抗震能力评估，是根据强度与延性抗震能力评估方法的基本原理、简化的能力谱方法基本原理、薄弱性分析及抗震加固评估原理，结合软件工作理论，应用VC++6.0语言编程开发，在windows操作系统或其它操作系统的境下运行。

6、一种如权利要求1所述的建筑物抗震能力的评估方法，其特征在于：该方法在民用建筑或工业建筑上的应用。

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