薄鋼板剪力墻加固結(jié)構(gòu)抗震分析

劉楊，劉英利，郭洪曄，牛清

(華北理工大學(xué) 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

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薄鋼板剪力墻加固結(jié)構(gòu)抗震分析

劉楊，劉英利，郭洪曄，牛清

(華北理工大學(xué) 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

抗震加固；薄鋼板剪力墻；時程分析

以唐山市玉田縣某中學(xué)宿舍樓為例，對結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定加固，應(yīng)用薄鋼板剪力墻加固措施進行加固，運用PKPM軟件進行SATWE時程分析和SAP2000有限元軟件進行模態(tài)分析和非線性時程分析。計算結(jié)果表明，加固后結(jié)構(gòu)抗震性能大幅度提高，能夠滿足規(guī)范的要求，采用薄鋼板剪力墻加固既有結(jié)構(gòu)具有良好的抗震效果和社會經(jīng)濟效益，在建筑抗震加固領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

0引言

由于自然災(zāi)害或長期疲勞、腐蝕等使建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中可能發(fā)生損傷或結(jié)構(gòu)功能的破壞，導(dǎo)致建筑不能達到正常安全使用要求，嚴重時還可能使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性破壞，造成人身傷害和經(jīng)濟損失。因此，有必要對某些超過設(shè)計使用年限、改變使用功能和有安全隱患的已有建筑結(jié)構(gòu)進行抗震鑒定加固。我國結(jié)構(gòu)加固技術(shù)[1]從70年代初開始發(fā)展，目前常用的加固方法主要有：增大截面加固法、外包型鋼加固法、貼鋼板加固法、粘碳纖維加固法、鋼板剪力墻加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法等。薄鋼板剪力墻加固法主要特點[2]是施工工藝簡單、現(xiàn)場濕作業(yè)少、施工過程中對生活和生產(chǎn)影響小以及加固后對原結(jié)構(gòu)外貌、凈空、使用功能無明顯改變且就地取材容易、加固成本低、易于大范圍推廣以及加固后墻體可以作為剪力墻，能夠提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度從而提高抗震能力，使得原有建筑達到國家抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

1工程概況

本工程是2004年設(shè)計并施工的1棟4層框架結(jié)構(gòu)中學(xué)宿舍樓，位于河北省唐山市玉田縣，建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布基本均勻規(guī)則，層數(shù)為4，跨數(shù)為6×2，層高均為3.0 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15 g，抗震等級為三級，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35 s。因為2010年我國頒布了新的建筑抗震設(shè)計規(guī)范，其中對抗震設(shè)防標準做了新的規(guī)定，將中小學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等建筑的設(shè)防標準由丙類改為乙類重點設(shè)防，唐山地區(qū)考慮本地實際情況，根據(jù)地方標準將上述建筑的抗震設(shè)防烈度提高一度考慮，因此需要對本工程進行抗震能力評估。

2結(jié)構(gòu)分析及加固設(shè)計

2.1結(jié)構(gòu)抗震分析

采用PKPM軟件，按照結(jié)構(gòu)現(xiàn)有尺寸、荷載等，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準進行建模計算，所建模型如圖1所示。對模型進行SATWE反應(yīng)譜與時程計算，以檢驗原結(jié)構(gòu)抗震能力能否滿足規(guī)范要求，計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在地震作用下X方向的最大值層間位移角為1/527，大于規(guī)范規(guī)定的1/550，經(jīng)過結(jié)構(gòu)承載力驗算，結(jié)構(gòu)一層柱B/2、B/3、B/4、B/5、B/6軸壓比分別為0.93、0.87、0.86、0.87、0.93大于規(guī)范規(guī)定的0.75，因此結(jié)構(gòu)需要進行加固。

圖1　SATWE原結(jié)構(gòu)實體模型

2.2薄鋼板剪力墻加固方案設(shè)計

貼薄鋼板剪力墻將原建筑由框架結(jié)構(gòu)改變成框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑受力性能更加合理，同時新增加的剪力墻可以承擔(dān)結(jié)構(gòu)的大部分內(nèi)力，增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小結(jié)構(gòu)的最大層間位移角，根據(jù)規(guī)范的要求，剪力墻應(yīng)沿結(jié)構(gòu)全高布置，避免產(chǎn)生剛度突變，盡量布置在結(jié)構(gòu)周邊、樓梯間附近，各剪力墻之間的距離不宜太大，應(yīng)均勻、分散、對稱布置。本工程采用2 mm厚的Q235B薄鋼板沿結(jié)構(gòu)全高貼在A-D軸交1軸、4軸、7軸，A軸交1/2軸、3/5軸、6/7軸，D軸交1/2軸、3/5軸、6/7軸之間的墻體上形成薄鋼板剪力墻加固框架結(jié)構(gòu)，鋼板通過魚尾板與周邊框架連接，有洞口的墻體在洞口周邊布置水平、豎向邊緣加固構(gòu)件來減小洞口對鋼板承載能力的削弱[3]。由于薄鋼板在水平荷載作用下非常容易發(fā)生屈曲，水平荷載主要以拉力方式傳遞，為了簡化分析，當(dāng)鋼板長細比大于1500時，可以把薄鋼板簡化成等間距交叉布置的斜拉桿模型[4]如圖2，進行模擬地震作用有限元分析。

圖2　雙向等效斜拉桿模型

由上圖可以得出下列公式：

(n+1)S=Lcos(β)+hsin(β)

(1)

As=St

(2)

(3)

式中：

S—拉桿間距；L、h—內(nèi)填鋼板寬度、高度；n—拉桿數(shù)量；As—等效拉桿的橫截面面積；t—內(nèi)填鋼板的厚度；Ac、Ab—柱、梁截面面積；Ic—柱截面繞垂直墻板軸的截面慣性矩。

按照以上公式計算得出，在本工程中可以將加固的薄鋼板等效成n=20、S=421 mm、t=2 mm、β=45°的交叉斜拉桿模型。按照工程實際情況在SAP2000軟件中建立模型，對每根拉桿桿端釋放彎矩和扭矩來實現(xiàn)拉桿與周邊框架梁、柱的鉸接。按照工程實際情況在SAP2000軟件中建立模型，如圖3所示。

圖3　SAP2000結(jié)構(gòu)加固后模型

3加固效果分析

3.1模態(tài)分析結(jié)果

加固前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析周期和頻率對比結(jié)果見表1。結(jié)構(gòu)加固前后的模態(tài)分析前4階振型對比圖見圖4、圖5。

表1　加固前后模態(tài)周期頻率對比

(a)　第1振型 　　　　　　　　　　(b)　第2振型

(c)　第3振型 　　　　　　　　　　(d)　第4振型

(a)　第1振型 　　　　　　　　　　　(b)　第2振型

(c)　第3振型 　　　　　　　　　　　(d)　第4振型

從以上對比中可以看出，貼薄鋼板剪力墻加固后結(jié)構(gòu)的周期減小，頻率增大，結(jié)構(gòu)的剛度有大幅度增加，結(jié)構(gòu)的動力能有很大改善。

3.2非線性時程分析

采用SAP 2000軟件在8度0.2 g條件下對加固后結(jié)構(gòu)進行常遇地震作用下的非線性動力時程分析，地震波選用唐山波-南北向，地震波加速度峰值為55.49 cm/s2，步長0.01 s，持續(xù)時間15 s。薄鋼板剪力墻加固后結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度明顯增大，層間位移角得到了很好控制，降幅在53%到60%之間，最大層間位移角為1/1113小于規(guī)范允許限值1/550，保證了結(jié)構(gòu)在多遇地震下的變形要求。根據(jù)以上對該工程的計算分析，粘薄鋼板剪力墻加固該結(jié)構(gòu)的抗震效果良好，較好的起到了控制作用，加固前后層間位移角對比數(shù)據(jù)見表2。

表2　加固前后層間位移角對比

4結(jié)論

(1)薄鋼板剪力墻加固法施工工藝簡單，現(xiàn)場只有少量濕作業(yè)，能在保持原結(jié)構(gòu)外貌不變和基本不影響原結(jié)構(gòu)正常使用功能的前提下對結(jié)構(gòu)進行加固，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

(2)通過對本工程的加固設(shè)計，證實了薄鋼板剪力墻加固結(jié)構(gòu)確實能取得良好的加固效果和社會經(jīng)濟效益，在今后建筑抗震加固中將具有廣闊應(yīng)用空間。

[1]林文修. 混凝土結(jié)構(gòu)加固方法與實施要點[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2008.

[2]蔡克栓，林盈成，林志翰.鋼板剪力墻抗震行為與設(shè)計[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2007,09(05):19-25.

[3]蘇幼坡，劉英利，王紹杰.薄鋼板剪力墻抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2002, 22 (04): 81-84.

[4]孫國華，顧強，何若全，方有珍.基于等效拉桿模型的薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能分析[J]建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013，30(01):38-48.

Seismic Analysis of Reinforced Structure of Thin Steel Plate Shear Wall

LIU Yang,LIU Ying-li,GUO Hong-ye,NIU Qing

(Hebei Earthquake Engineering Research Center,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

seismic strengthening;thin steel plate shear wall;time history analysis

Taking a high school dormitory building in Yutian County of Tangshan City as an example, the structure was reinforced by seismic analysis. The application of thin steel plate shear wall reinforcement measures was carried out. The PKPM software was used for SATWE analysis and SAP2000 finite element software for modal analysis and nonlinear time history analysis. The results show that the seismic performance of the structure is greatly improved, and it can meet the requirements of the specification. The thin steel plate shear wall has good seismic effect and social economic benefits.

2095-2716(2015)04-0091-05

TU352.11

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