建筑框架結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計的探討

1、    建筑框架結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計的探討    周慧潔東莞市建青建筑設(shè)計有限公司 廣東東莞 523000摘要：本文主要針對建筑框架結(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計展開了探討，通過結(jié)合具體的工程實(shí)例，對結(jié)構(gòu)加層和加固的設(shè)計作了詳細(xì)的闡述，并系統(tǒng)科學(xué)的分析了靜力彈塑性，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。關(guān)鍵詞：框架結(jié)構(gòu)；抗震加固；設(shè)計我國是地震高發(fā)國家，地震造成的人員傷亡，居世界首位。同時，我國地震區(qū)也分布較廣。隨著近年來，我國地震災(zāi)害的頻發(fā)，人員的傷亡和建筑的破壞越來越多，這也使得建筑單位更加重視建筑框架的抗震加固設(shè)計工作?；诖耍疚木徒ㄖ蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震加固設(shè)計進(jìn)

2、行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定幫助。1 工程概況該工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓板為現(xiàn)澆混凝土樓板。教學(xué)主樓分為ab兩段，a段為地上7層，b段為4層，位置緊鄰在b段12軸左側(cè)；b段左方緊鄰辦公樓，變形縫分隔開了3個單體，如圖1。需將教學(xué)樓b段加層至與a段一樣高，增加大小會議室和樹立完整的建筑立面，改造后教學(xué)樓主入口設(shè)在a段。b段樓首層層高為4.5m，24層層高為3.6m，總建筑面積為12000m2；采用天然地基柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基底標(biāo)高為-3.00m?，F(xiàn)場檢測結(jié)果顯示構(gòu)件配筋和截面尺寸與原設(shè)計圖紙相符，框架梁主要截面尺寸為：250mm×650mm；中柱主要截面尺寸為：550mm&#

3、215;400mm，邊柱主要截面尺寸為：500mm×400mm；實(shí)測柱混凝土強(qiáng)度值為30.843.8mpa，梁為31.039.8mpa。教學(xué)樓無地基不均勻沉降和使用超載現(xiàn)象，無影響結(jié)構(gòu)安全的嚴(yán)重變形與損傷。圖1 建筑平面圖2 結(jié)構(gòu)加層和加固設(shè)計2.1 加層和加固設(shè)計b段結(jié)構(gòu)平面如圖2所示。建筑設(shè)計中b段增加3層做大小型會議室，平面柱網(wǎng)與原有結(jié)構(gòu)一致，在立面上與a段保持高度平齊，新加樓層高度也需要與a段一致，以保證改造后教學(xué)樓建筑功能。其中新增的第5層為小型會議室，5層以上為大空間的大型會議室，由于大空間的需要，6層只在12和13軸處保留中柱和局部樓板。常用的結(jié)構(gòu)加層方案有外套式結(jié)構(gòu)加

4、層和直接加層兩種，兩者較大的區(qū)別包括是否需要新加基礎(chǔ)和新舊結(jié)構(gòu)連接上。由于本工程受地形和建筑外立面條件限制，不宜增加結(jié)構(gòu)圍套；另外增加層數(shù)不多，基礎(chǔ)加固量較小，因此采用結(jié)構(gòu)直接加層的方案。為減少新增加的重力荷載，增層采用鋼框架和組合樓板結(jié)構(gòu)形式，采用方鋼管柱250mm×350mm×18mm，工字形鋼主梁600mm×800mm×8mm×12mm，5層和局部6層采用壓型鋼板-混凝土組合樓板，7層為保溫棉加壓型鋼板的不上人屋面。阻尼取值是加層設(shè)計計算中的難點(diǎn)?？拐鹨?guī)范中對不超過12層鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的阻尼比可采用0.035，鋼筋混凝土框架為0.05

5、；但對于不同材料組成的混合結(jié)構(gòu)?？紤]此次加層樓層層數(shù)不多，結(jié)構(gòu)主體仍為混凝土結(jié)構(gòu)；另外增加屈曲約束支撐的消能構(gòu)件后，結(jié)構(gòu)的總阻尼比應(yīng)為結(jié)構(gòu)阻尼比和消能部件附加給結(jié)構(gòu)的有效阻尼比的總和，因此混合結(jié)阻尼仍取為0.05。設(shè)計試算中發(fā)現(xiàn)鉸接柱腳對樓層位移和層間位移角有較大影響，鉸接比剛接形式柱腳的樓層位移大出約20%，5層層間位移角明顯增大，不利于結(jié)構(gòu)抗震，因此設(shè)計中增層鋼柱與原結(jié)構(gòu)按剛性節(jié)點(diǎn)連接。加層后框架抗震等級為3級；抗震設(shè)防烈度7度（0.10g），設(shè)計地震分組為第1組，建筑場地類別為ii類。采用pkpm軟件計算，結(jié)果顯示鋼結(jié)構(gòu)樓層層質(zhì)量較混凝土樓層明顯較小，如表1新增3層的恒載和活載共增加83

6、3.3噸，使原有樓層地震剪力增大，混凝土框架整體內(nèi)力增大。satwe計算結(jié)果顯示四層頂梁抗彎和抗剪配筋不足，部分原有基礎(chǔ)截面不足，底層柱受彎配筋不足。因此對4層頂梁采用粘鋼板和貼碳纖維布方式加固；對教學(xué)樓結(jié)構(gòu)的外圍基礎(chǔ)進(jìn)行加大截面處理；對框架柱采用外包角鋼法加固?；A(chǔ)加大截面和包鋼加固如圖2所示。新增基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度為c30，采用三級鋼hrb400，加大基礎(chǔ)截面之前將柱包鋼施工完畢，角鋼延伸至基礎(chǔ)頂面；清洗基礎(chǔ)混凝土表面，在基礎(chǔ)上表面四周做植筋；再架立和綁扎鋼筋籠，澆筑c30新混凝土。通過施工措施保證新舊基礎(chǔ)混凝土良好的結(jié)合和加固角鋼在基礎(chǔ)頂?shù)腻^固。新增鋼結(jié)構(gòu)樓層后，混合結(jié)構(gòu)整體柔度增大，自震周

7、期值變大，第1周期從0.928s增加到1.173s；除首層和2層的y向?qū)娱g位移角值，7層結(jié)構(gòu)的每一樓層位移角比原有對應(yīng)四層結(jié)構(gòu)均偏大，如表2。由于6層只在局部有樓板，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)心偏移，加層后地震作用下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，表2中7層結(jié)構(gòu)的第2周期扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.97；且第3周期及以后加層鋼結(jié)構(gòu)部分呈現(xiàn)不規(guī)則的局部震型。為調(diào)整結(jié)構(gòu)抗扭和抗側(cè)剛度，同時為增加結(jié)構(gòu)冗余度，建立具有多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系，如圖2在1到6層的12和18軸框架邊跨上，設(shè)計增加屈曲約束支撐，詳細(xì)信息如表3。由表2可見，加支撐后的7層結(jié)構(gòu)剛度明顯增大，自震周期值（1.078s）介于到4層結(jié)構(gòu)（0.928s）和7層結(jié)構(gòu)（1.173s）

8、之間；由于支撐的設(shè)置使剛度強(qiáng)軸方向轉(zhuǎn)變?yōu)閥軸，原有加層結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象消除，4、5層層間位移角差異減小，結(jié)構(gòu)的局部震型消失。圖4 柱包鋼和基礎(chǔ)加大截面表1 結(jié)構(gòu)信息對比表2 結(jié)構(gòu)周期對比表3 屈曲約束支撐參數(shù)2.2 新增鋼柱腳連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計在確定新加鋼柱腳為剛性節(jié)點(diǎn)后，如何通過配筋構(gòu)造實(shí)現(xiàn)鋼柱與原有混凝土柱頭的有效傳力，避免混凝土向鋼柱過渡時剛度的突變，保證新增框架水平高度與原有樓層嚴(yán)格一致，便捷的安裝屈曲約束支撐，這些是施工圖設(shè)計中的難點(diǎn)。根據(jù)本工程實(shí)際條件進(jìn)行設(shè)計節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖3所示。該節(jié)點(diǎn)工藝可實(shí)施性較強(qiáng)，同時滿足設(shè)計要求。改造中先鑿除原屋面細(xì)石混凝土層之上的柔性防水層。在鋼柱腳底設(shè)置混凝土柱頭

9、，在屋面周邊和新加柱腳節(jié)點(diǎn)之間，設(shè)置大于600mm高臥梁，通過柱頭和臥梁來增加鋼框架底部整體性。新增混凝土柱頭植筋前，為保證框架柱加固角鋼在柱端部的有效錨固，在角鋼端部焊接直徑較小的鋼筋穿過梯形梁牛腿，延伸出屋面后用鋼板條在水平方向焊接連接。之后在柱頭區(qū)域內(nèi)植入6根直徑25三級鋼筋，在柱體內(nèi)有足夠錨固長度，同時延伸高出臥梁頂大于100mm長，給植筋端頭在臥梁頂留出與鋼柱底板焊接的空間，通過調(diào)節(jié)鋼筋長度可使柱底板處在合適的水平高度上，使新增鋼框架樓層與a段原有樓層保持高度一致。鋼柱腳底板上設(shè)有四個m16錨栓孔，但由于柱端鋼筋密集，植筋鋼筋很難對應(yīng)錨栓孔位置，在設(shè)定好柱腳底板水平高度后，將底板與植

10、筋鋼筋端部焊接；同時埋入一定長度錨栓鋼筋，在底板上將螺帽栓緊。為預(yù)防鋼柱腳直接連接混凝土樓層的引起柱體的剛度突變，采用在鋼管柱底部的外包混凝土柱，外包柱高出臥梁頂部1m。鋼管外部設(shè)直徑16mm的剪力栓釘，間距200mm，以保證鋼管與混凝土有效粘結(jié)和協(xié)同工作；為防止鋼管壁屈曲，在鋼管內(nèi)部設(shè)置十字加勁肋。屈曲約束支撐的安裝采用在臥梁端部設(shè)置由鋼筋端頭加錨栓連接兩塊20mm厚鋼板的預(yù)埋連接件，鋼板之前的高度可隨梁高而調(diào)節(jié)，待混凝土梁結(jié)硬完畢，支撐端板一側(cè)焊接在預(yù)埋鋼板上，另一側(cè)焊在鋼管柱壁；避免了在混凝土梁柱上植筋和做連接鋼底板的常規(guī)做法。施工時混凝土分二次澆筑，先澆筑出與臥梁和混凝土柱頭，確定鋼柱

11、底板高度后，對外包鋼筋混凝土柱進(jìn)行二次澆筑。圖3 新增鋼柱腳節(jié)點(diǎn)3 靜力彈塑性分析pkpm軟件中支撐被定義為彈性桿件，在結(jié)構(gòu)剛度變大和地震周期變短后，每層地震力有不同幅度的增加，并不能顯示支撐耗能和對結(jié)構(gòu)整體破壞機(jī)制的影響。采用etabs軟件對有無設(shè)置屈曲約束支撐加固的七層混合結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力彈塑性分析。模型中將梁、柱和支撐的失效破壞通過塑性鉸定義，采用程序的m鉸模擬梁的塑性性能，采用p-m-m鉸模擬柱的塑性性能，梁和柱的塑性絞均設(shè)在構(gòu)件兩個端部。采用p軸力鉸模擬屈曲約束支撐的塑性性能，根據(jù)表3中的產(chǎn)品信息，指定了支撐p絞的軸向正、負(fù)屈服承載力以及屈服位移參數(shù)，p鉸設(shè)在支撐桿長中心位置。模型經(jīng)過靜

12、力彈塑性計算后，結(jié)構(gòu)基底剪力和推覆監(jiān)測點(diǎn)處位移關(guān)系如圖4所示。極限狀態(tài)下結(jié)構(gòu)塑性絞分布如圖5。在有支撐情況下，結(jié)構(gòu)基底剪力明顯增大，屈曲約束支撐對于結(jié)構(gòu)有明顯的地震防線作用，在監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到一定位移值（86.3mm）時，基底剪力到達(dá)峰值點(diǎn)，此時支撐斜桿先于框架梁、柱屈服，多處支撐的p絞達(dá)到塑性失效水平，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定卸載，但結(jié)構(gòu)并未倒塌失效；之后基底剪力重新增長，在多處出現(xiàn)梁絞的情況下，結(jié)構(gòu)被推覆至破壞。如圖5（a）所示為監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到最大位移值時加支撐的7層混合結(jié)構(gòu)塑性絞分布，由圖可見加層鋼結(jié)構(gòu)部分除了支撐桿件，其他部位未出現(xiàn)塑性鉸。圖5（b）的未加支撐的7層混合結(jié)構(gòu)，推覆位移發(fā)展較快，在達(dá)到一定值時（163.3mm），1層柱底普遍出現(xiàn)塑性鉸，結(jié)構(gòu)被推覆至破壞。由此可見，在有支撐加固情況下，屈曲約束支撐充當(dāng)起結(jié)構(gòu)的第一道抗震防線，推覆過程中塑性絞集中出現(xiàn)于框架梁端，結(jié)構(gòu)在出現(xiàn)大量梁絞破壞而達(dá)到極限承載力，從而實(shí)現(xiàn)加層后結(jié)構(gòu)的“強(qiáng)柱弱梁”抗震破壞機(jī)制。圖4 y向結(jié)構(gòu)基底剪力-監(jiān)測點(diǎn)位移圖5 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制4 結(jié)語建筑框架結(jié)構(gòu)抗震加固工作對于我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的穩(wěn)定具有重要意義。隨著近年來我國地震災(zāi)