某綜合樓的加層改造和抗震性能分析研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

某綜合樓的加層改造和抗震性能分析研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

以某綜合樓項目為研究背景，在已建的八層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，新加三層鋼框架—屈曲支撐結(jié)構(gòu)，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性兩方面確定了較為合理的加層方案,同時運用兩種軟件對該工程實例進行抗震分析，驗證了結(jié)構(gòu)的安全性，在結(jié)構(gòu)安全的前提下，進一步對結(jié)構(gòu)作了罕遇地震下的結(jié)構(gòu)分析，為類似工程提供參考。

框架剪力墻結(jié)構(gòu),加層改造,抗震分析,軟件

在全球經(jīng)濟迅速發(fā)展的背景下，我國城鎮(zhèn)化程度不斷加快，對建筑的需求也越來越大，但是土地資源稀缺，無法占用大量農(nóng)田新建建筑，此時對舊建筑進行加層改造就成了較為適合的方法。對既有房屋進行加層改造的優(yōu)勢很明顯，世界發(fā)達國家已經(jīng)進行了大量的研究，并且出臺了相關(guān)的規(guī)范政策[1-3]；我國學(xué)者對加層改造的研究起步較晚，但同樣也取得了不小的進展，如高劍平[4]初次嘗試了磚混房屋整體式加層振動臺試驗；呂志濤院士等進行了鋼結(jié)構(gòu)—框架模型靜力試驗[5]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的工程實例，對框架剪力墻結(jié)構(gòu)的加層改造設(shè)計及相關(guān)問題進行了探討，運用PKPM和MIDAS兩種軟件對加層后的混合結(jié)構(gòu)進行了靜力分析、模態(tài)分析、振型分解反應(yīng)譜分析和時程分析，并且對兩種軟件的結(jié)果進行對比，同時進行了該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的結(jié)構(gòu)分析。

1 工程概況

加層工程對象為山西某綜合樓，建于2001年，主體結(jié)構(gòu)為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，共8層，地下1層，地上7層，層高為3.6 m；采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，基地標高為-6.6 m，素混凝土墊層強度為C10，基礎(chǔ)C35，地下1層框架梁板柱、剪力墻混凝土強度為C35，地上7層框架梁板柱、剪力墻強度為C30，其原結(jié)構(gòu)平面圖見圖1。由于該工程處于黃金地段，現(xiàn)有的使用面積已不能適應(yīng)社會快速發(fā)展的需要，根據(jù)甲方的意愿，擬對該工程進行規(guī)模擴大，若將原結(jié)構(gòu)進行全部拆除，不僅浪費人力物力且會影響該樓的正常使用，綜合考慮采用在原框架—剪力墻結(jié)構(gòu)上增加鋼框架—屈曲支撐結(jié)構(gòu)的加層方法，使用功能與原結(jié)構(gòu)相同。

2 加層改造設(shè)計

2.1 材料選用

加層結(jié)構(gòu)材料的鋼材選用Q345-B，該鋼種強度高，綜合力學(xué)性能較好，塑性和焊接性良好，用鋼量較省，其中框架柱與支撐采用寬翼緣H型鋼，框架梁采用窄翼緣H型鋼，焊條采用E50系列。

2.2 加層方案

由于加層建筑的使用功能和平面位置與原建筑相同,而且加層層數(shù)沒有超過3層，所以采用直接加層的方法，但是該工程加層難度較大，若在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，則混凝土的自重較大，對下部結(jié)構(gòu)的影響較大，加固量較大，所以加層結(jié)構(gòu)體系采用“鋼框架+屈曲支撐體系”，外墻采用空心砌塊，可以減輕自重。采用PKPM-STS軟件，結(jié)合甲方所提供的原設(shè)計圖紙等相關(guān)資料，對綜合樓不同的加層方案從結(jié)構(gòu)承載力、周期、位移、位移角、軸壓比超限、用鋼量和經(jīng)濟效益方面進行分析對比，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范及相關(guān)文獻，選用“H型鋼柱+H型鋼梁+H型鋼支撐”方案最為合理。其中，H型鋼柱截面尺寸為500 mm×500 mm×18 mm×20 mm，H型鋼梁截面為550 mm×200 mm×12 mm×16 mm，H型鋼支撐截面尺寸為250 mm×250 mm×9 mm×16 mm。

2.3 加固設(shè)計

根據(jù)設(shè)計文件使用SATWE軟件對原結(jié)構(gòu)和加層后的結(jié)構(gòu)進行模擬分析，通過對前后數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)內(nèi)力、周期、層間位移、剛度、構(gòu)件配筋等方面的對比分析，確定具體需要加固處理的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。1)框架柱：對于加層后軸壓比超限的框架柱采用增大截面法加固抗震承載力不足的混凝土框架柱，見圖2。本工程中大多數(shù)柱連著剪力墻，構(gòu)造上很復(fù)雜，對于連著剪力墻的一側(cè)，本工程中采用扁鋼代替角鋼，并用對拉螺桿穿透剪力墻與角鋼焊接。在原混凝土柱四個角各設(shè)置一個等邊角鋼，尺寸為75 mm×6 mm，用另一等邊角鋼與柱加固角鋼焊接在一起，加固前將原柱的棱角打磨成半徑為10 mm的圓角，待型鋼鋼架焊接完成后用M16普通螺栓結(jié)構(gòu)膠植入原柱，與原混凝土粘結(jié)，注意結(jié)構(gòu)膠表面要抹平填實。采用增大截面法時，新增混凝土應(yīng)比原混凝土高一個標號，當新增受力鋼筋與原受力鋼筋采用短筋連接時，短筋直徑不應(yīng)小于20 mm。2)框架梁：對于加層后承載力不足的框架梁用粘貼鋼板加固，見圖3。粘貼鋼板加固梁時，應(yīng)將原結(jié)構(gòu)截面的棱角打磨成半徑不小于7 mm的圓角，在框架梁上下兩面分別粘貼鋼板，梁底用結(jié)構(gòu)膠在框架中柱之間滿粘一塊鋼板，梁頂沿梁中心對稱粘貼兩塊鋼板。在所粘鋼板上面再粘貼一個12 mm厚的L形鋼板，寬度與梁同寬，L形鋼板用M14螺栓結(jié)構(gòu)膠粘貼在墻上，植入深度為120 mm，中間用扁鋼U形箍同L形鋼板焊接，尺寸為10 mm×50 mm。

3 抗震性能分析

3.1 技術(shù)參數(shù)

1)該建筑安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為丙類；

2)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本加速度值為0.20g；

3)阻尼比：SATWE中取0.035，MIDAS中鋼結(jié)構(gòu)部分取0.02，混凝土部分取0.05；

4)設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s；

5)抗震等級：混凝土框架結(jié)構(gòu)為二級，剪力墻為一級，鋼框架為三級。

3.2 結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

通過對加固之后的混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和新增上部鋼框架—屈曲支撐結(jié)構(gòu)整體建模，進行結(jié)構(gòu)受力分析，PKPM，MIDAS兩種軟件結(jié)構(gòu)整體信息對比見表1。

表1 PKPM與MIDAS分析結(jié)果對比

運用PKPM和MIDAS兩種軟件對該復(fù)雜混合結(jié)構(gòu)進行靜力分

析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時程分析，從表1可以得到，該混合結(jié)構(gòu)在兩種軟件作用下的最大層間位移角及結(jié)構(gòu)整體信息均滿足現(xiàn)行國家規(guī)范要求，且兩者分析結(jié)果相差不大。其中差別的原因可能是由于PKPM在混合結(jié)構(gòu)設(shè)計中只能設(shè)置單一的阻尼比，而MIDAS是基于應(yīng)變能因子計算得到各個振型下混合結(jié)構(gòu)的阻尼比。

3.3 罕遇地震下的結(jié)構(gòu)分析

本文在結(jié)構(gòu)安全的前提下，進一步對結(jié)構(gòu)作了罕遇地震下的結(jié)構(gòu)分析，即抗震設(shè)防烈度為8度(0.3g)和9度(0.4g)下的抗震分析。

兩個不同的抗震設(shè)防烈度下周期比在規(guī)范限值0.9之內(nèi)，隨著抗震設(shè)防烈度的提高，地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)層間位移逐漸增大，當結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度提高到8度(0.3g)和9度(0.4g)時，混凝土結(jié)構(gòu)部分的X方向與Y方向地震作用下的最大層間位移角均超過規(guī)范規(guī)定的1/800，鋼結(jié)構(gòu)部分仍滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文通過對山西某綜合樓項目的加層改造設(shè)計和抗震性能分析，得到以下結(jié)論：

1)針對本工程的特殊性及復(fù)雜性，采用直接加層法對建筑進行加層，提出了三種不同的鋼框架加層改造方案，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟合理性兩方面確定了較為合理的加層方案為H型鋼柱+H型鋼梁+H型鋼支撐。

2)運用PKPM和MIDAS兩種軟件對該復(fù)雜混合結(jié)構(gòu)進行靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析和時程分析，該混合結(jié)構(gòu)在兩種軟件作用下的最大層間位移角及結(jié)構(gòu)整體信息均滿足國家規(guī)范要求，且兩者分析結(jié)果相差不大。

3)運用有限元軟件分析結(jié)構(gòu)在不同罕遇地震作用下的內(nèi)力、位移等的反應(yīng)，隨著地震作用的增大，內(nèi)力及變形逐漸增大，當?shù)卣疬_到8度(0.3g)和9度(0.4g)時，部分樓層最大層間位移角不滿足規(guī)范要求，在罕遇地震下加層結(jié)構(gòu)是不安全的。

[1] S.Kahraman, A.Saatci, S.Misir. Effects of adding illegal storeys to structural systems[J].Sadhana,2006,31(5):515-526.

[2] M.I.Enrique Cruz Gomez, Analytical and experimental study of real masonry buildings[J].12th WCEE,Aucklang,0026.

[3] Tatsuya Azuhata,Taiki Saito. Seismic performance estimation of asymmetric building based on the capacity spectrum method[J].12th WCEE,Aucklang,2322.

[4] 高劍平.磚混房屋整體式外套結(jié)構(gòu)加層研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2003：12.

[5] 陳 健,宋 健,呂志濤.外套框架結(jié)構(gòu)加層試驗研究[A].建筑物鑒定與加固論文集[C].1998:920-927.

The research on stories adding design and seismic

performance analysis of a complex building frame shear wall structure

Zhang Jin

(NewEnergyNuclearNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

Taking a complex building project for the study of the background, has been built in the eight-story frame-shear wall structure, based on the new eight-story steel frame plus-buckling support structure made of three different layers plus programs, and technical feasibility and economic rationality identified two more reasonable in floor plan. While the use of two kinds of software for seismic analysis of the engineering example, to verify the safety of the structure, in the structural safety of the premise of the structure were further structural analysis under rare earthquake, provide a reference for similar projects.

frame shear wall structure, story-adding transformation, seismic analysis, software

1009-6825(2015)02-0039-02

2014-11-04

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

TU746.3

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