某工程加固設(shè)計(jì)與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共同作用分析

善忠海

摘 要：某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，由于建筑功能的改變，屋面部分拆除后更換為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，通過對原有工程進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，提高了原有結(jié)構(gòu)的安全度，并按現(xiàn)行規(guī)范對加固后的混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架進(jìn)行整體共同作用分析，比較了是否考慮網(wǎng)架和混凝土共同作用兩種計(jì)算結(jié)果，得到網(wǎng)架和混凝土的共同作用程度。同時(shí)分析了網(wǎng)架和混凝土的阻尼不同取法對地震響應(yīng)的影響程度。

關(guān)鍵詞：抗震加固；鋼網(wǎng)架；整體計(jì)算

1 工程概況

某工程原設(shè)計(jì)為農(nóng)貿(mào)市場，改造后為三維數(shù)字社會服務(wù)管理中心，項(xiàng)目1993年施工建設(shè)，原農(nóng)貿(mào)市場主體結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)為下部混凝土柱排架結(jié)構(gòu)+屋面輕型鋼屋架結(jié)構(gòu)（角鋼三角形桁架），房屋高度為6.00m，總長為43m，總寬為30m，中間設(shè)一排混凝土柱。原有工程抗震設(shè)防分類為丙類，抗震設(shè)防烈度為8度0.20g，設(shè)計(jì)分組為三組，場地特征周期為0.45s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。原有工程基礎(chǔ)采用柱下鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)，地基處理為局部結(jié)合整片的2：8灰土墊層，處理后的地基承載力為180kpa。

根據(jù)結(jié)構(gòu)檢測鑒定報(bào)告，農(nóng)貿(mào)市場結(jié)構(gòu)評價(jià)為B級（維修），經(jīng)現(xiàn)場檢測，原柱混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C20，角柱推定值為20.6，滿足原設(shè)計(jì)要求，評定為C20，其余混凝土柱推定值為16.2，低于原設(shè)計(jì)要求，評定為C15。

原農(nóng)貿(mào)市場西側(cè)改造設(shè)計(jì)為汽車庫，東側(cè)改造為三維數(shù)字社會服務(wù)管理中心，由于屋面原設(shè)計(jì)不帶保溫，由于本次建筑功能改變，屋面改造為帶保溫彩鋼巖棉復(fù)合保溫板，拆除中間一排混凝土柱，跨度原設(shè)計(jì)15m增加到30m，對原建筑物按現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行加固設(shè)計(jì)后，屋面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架，屋面為不上人屋面，根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2009，本工程為C類（適用后續(xù)使用年限50年建筑），按2010系列規(guī)范采用設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。

2 對原有建筑結(jié)構(gòu)加固改造

目前很多工程設(shè)計(jì)中將屋蓋與下部結(jié)構(gòu)分開進(jìn)行計(jì)算分析，對屋蓋下部鋼筋混凝土框架部分常用PKPM，YJK等軟件，上部屋蓋網(wǎng)架采用3D3S，MST，STWJ（PKPM模塊）等，本工程網(wǎng)架部分采用MST進(jìn)行計(jì)算，整體計(jì)算采用YJK軟件。在對網(wǎng)架部分用MST計(jì)算中，考慮下部混凝土柱的剛度，按支座按彈性支承考慮。計(jì)算中網(wǎng)架部分桿件的控制應(yīng)力比不大于0.85，網(wǎng)架跨中部分撓度小于短向跨度的1/250。

用YJK整體計(jì)算時(shí)對于網(wǎng)架等空間結(jié)構(gòu)，在建模計(jì)算時(shí)在支座處設(shè)一根斜桿來模擬支座。在采用模擬施工時(shí)，必須注意施工次序的合理順序。YJK軟件在布置荷載時(shí)，可以采用蒙皮導(dǎo)荷（蒙皮導(dǎo)荷是指沿著桿件或者墻面邊界形成一個(gè)面，在該面賦值面荷載）功能，可將面荷載沿著該面的投影方向或法向進(jìn)行荷載導(dǎo)算，將荷載導(dǎo)算到面的周邊節(jié)點(diǎn)上。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50011-2010第10.2.8條規(guī)定，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)協(xié)同分析時(shí)，阻尼比應(yīng)符合下列規(guī)定：（1）當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)或屋蓋直接支承在地面時(shí)，阻尼比可取0.02。（2）當(dāng)下部支承結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，阻尼比可取0.025～0.035。本工程計(jì)算參數(shù)取值中結(jié)構(gòu)阻尼比按振型阻尼比法。振型阻尼比是指針對于各階振型所定義的阻尼比。組合結(jié)構(gòu)中，不同材料的能量耗散機(jī)理不同，因此相應(yīng)構(gòu)件的阻尼比也不相同，鋼構(gòu)件取0.02，混凝土構(gòu)件取0.05。對于每一階振型，不同構(gòu)件單元對于振型阻尼比的貢獻(xiàn)認(rèn)為與單元變形能有關(guān)，變形能大的單元對該振型阻尼比的貢獻(xiàn)較大，反之則較小。所以，可根據(jù)該階振型下的單元變形能，采用加權(quán)平均的方法計(jì)算出振型阻尼比ζi。經(jīng)對原有結(jié)構(gòu)增加網(wǎng)架后整體計(jì)算，并提取前6陣型下的周期及結(jié)構(gòu)阻尼比（表1），通過分析表明第一振型以下部鋼筋混凝土框架為主，2～6振型為混合結(jié)構(gòu)為主。地震作用下X向框架層間位移角滿足規(guī)范要求，Y向框架層間位移角1/406不滿足規(guī)范，鋼筋混凝土柱配筋不滿足。

針對以上驗(yàn)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)加固分為直接加固與間接加固兩類，直接加固主要為增大截面加固法、置換混凝土加固法或復(fù)合截面加固法，間接加固主要采用體外預(yù)應(yīng)力加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、增設(shè)耗能支撐法或增設(shè)抗震墻法等。由于原有建筑框架柱強(qiáng)度等級評定為C15，本工程后續(xù)使用年限50年，為滿足混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，綜合考慮原結(jié)構(gòu)上部框架柱采用增大截面法進(jìn)行加固。采加大截面法是指采用增大原構(gòu)件截面面積并增配鋼筋，以提高其承載力和剛度，或改變其自振頻率的一種直接加固法。該方法施工工藝簡單，且具有成熟的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，可用于本工程。框架梁采用外包型鋼加固法，對鋼筋混凝土梁、柱外包型鋼及鋼綴板焊成的構(gòu)架，以達(dá)到共同受力并使原構(gòu)件受到約束作用的加固方法。經(jīng)加固后，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)位移、位移比，配筋均滿足要求。對下部基礎(chǔ)不滿足部分采用加大基礎(chǔ)底面積法，該方法適用于當(dāng)既有建筑物荷載增加、地基承載力或基礎(chǔ)底面積尺寸不滿足設(shè)計(jì)要求，且基礎(chǔ)埋置較淺，基礎(chǔ)具有擴(kuò)大條件時(shí)的加固，可采用混凝土套或鋼筋混凝土套擴(kuò)大基礎(chǔ)底面積。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采取有效措施，保證新、舊基礎(chǔ)的連接牢固和變形協(xié)調(diào)。

3 網(wǎng)架單獨(dú)計(jì)算與整體建模分析

通過網(wǎng)架部分網(wǎng)架單獨(dú)計(jì)算采用MST進(jìn)行計(jì)算，與整體計(jì)算采用YJK軟件對比分析，在網(wǎng)架支座剛度對內(nèi)力影響很大，固定鉸支座與滑動鉸支座相比，明顯減少上弦跨中桿件的內(nèi)力，支座處桿件內(nèi)力變化，下弦內(nèi)力變化不明顯，網(wǎng)架和下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型與網(wǎng)架單獨(dú)模型內(nèi)力相差較大，支座剛度越大，相差越大，支座剛度越小，相差越小。下部支承網(wǎng)架的混凝土結(jié)構(gòu)剛度對網(wǎng)架內(nèi)力的影響，在地震工況下的影響較大，在正常使用荷載下影響較小，支承結(jié)構(gòu)的剛度越大，整體模型內(nèi)力越接近單獨(dú)模型相同支座的內(nèi)力。因此，在進(jìn)行網(wǎng)架下部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)合理考慮網(wǎng)架的抗彎、面內(nèi)剪切及軸向剛度，對改造工程，在條件允許的條件，宜進(jìn)行整體分析設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

綜上所述，針對原有工程改造加固設(shè)計(jì)，首先應(yīng)分析結(jié)構(gòu)承載力不足的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在概念上對建筑進(jìn)行總體上的加固概念設(shè)計(jì)，通過空間計(jì)算軟件對加固概念設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核和優(yōu)化調(diào)整，使得加固方案達(dá)到安全可靠、經(jīng)濟(jì)，從而滿足建設(shè)單位的使用要求，也能夠滿足后續(xù)使用年限50年的目標(biāo)要求，通過對原有框架柱通過加大截面的加固方法，提高了原有結(jié)構(gòu)的安全度，并按現(xiàn)行規(guī)范對加固后的混凝土結(jié)構(gòu)與鋼網(wǎng)架進(jìn)行整體共同作用分析，復(fù)核加固后方案可靠性，并在考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與整體結(jié)構(gòu)共同作用與分別建立模型兩種模型進(jìn)行計(jì)算包絡(luò)設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)安全，

參考文獻(xiàn)

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