某混凝土商住樓加層方案選型與結(jié)構(gòu)分析

任絨絨 盧 竟

(1.西山煤電集團(tuán)設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030024)

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某混凝土商住樓加層方案選型與結(jié)構(gòu)分析

任絨絨1盧 竟2

(1.西山煤電集團(tuán)設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030024)

對山西某商住樓加層改造工程的基礎(chǔ)加固與加層方案的選型進(jìn)行了分析，并利用有限元分析軟件MIDAS/GEN，對加層方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比對，同時對結(jié)構(gòu)阻尼比數(shù)值的選取作了探討，最后從技術(shù)可行性出發(fā)，確定了加層方案，為今后類似工程施工提供參考。

基礎(chǔ)加固，結(jié)構(gòu)性能，加層方案，阻尼比

0 引言

近年來，我國既有建筑物加層改造的數(shù)量在逐年增多，加層層數(shù)也屢創(chuàng)新高。隨之也帶來了諸如地基基礎(chǔ)加固、主體加層方案的選擇以及結(jié)構(gòu)阻尼比值選取等一系列問題。由于相關(guān)設(shè)計規(guī)范在這些問題方面的欠缺，導(dǎo)致設(shè)計人員在復(fù)雜情況下分析手段明顯不足。

1 工程概況[1]

山西某五層混凝土框架結(jié)構(gòu)平面尺寸為67.7 m×44.5 m，丙類建筑，設(shè)計使用年限50年，安全等級為二級，7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本加速度0.15g，場地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)因功能需要進(jìn)行加層改造，結(jié)構(gòu)由原主體5層加至主體20層，地上1層～5層為超市，6層及6層以上為住宅。大廈建成效果圖見圖1，加固前首層柱布置圖見圖2。

2 基礎(chǔ)加固

由勘察結(jié)果可知，本工程場地土類型為中硬，地基承載力滿足加層需要(承載力特征值為300 kPa)不需做加固處理，但原結(jié)構(gòu)加層后，原獨(dú)立基礎(chǔ)形式已經(jīng)不能滿足要求，因此選用筏板基礎(chǔ)對獨(dú)立基礎(chǔ)進(jìn)行加固，如圖3所示。

為了模擬加固后的獨(dú)立基礎(chǔ)與筏板共同參與工作，使用PKPM的基礎(chǔ)設(shè)計模塊JCCAD，把復(fù)合基礎(chǔ)看成是在柱下局部對平板式筏板基礎(chǔ)的加厚，將模型簡化后進(jìn)行分析計算確定加固筏板主體厚度在滿足柱下沖切和內(nèi)筒沖剪要求的最小厚度為1.25 m。

基礎(chǔ)沉降量值[2]是衡量基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置是否合理的重要指標(biāo)。模型沉降計算值較為均勻，且與實測值在分布規(guī)律上基本一致：場地北側(cè)和東側(cè)沉降值較大，中部沉降值偏小，如圖4所示。根據(jù)與實際測量的沉降值比較，數(shù)值相差不大。

3 加層結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 加層方案的提出

考慮到本項目加層層數(shù)較多，加層后結(jié)構(gòu)差異性較大，所以擬建兩種不同的加層結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行比較分析，分別為方案一：框架剪力墻+混凝土框架剪力墻；方案二：框架剪力墻+鋼框架支撐。底層剪力墻平面布置見圖5。

3.2 組合結(jié)構(gòu)的阻尼比[3-5]

阻尼比是反映結(jié)構(gòu)耗能能力強(qiáng)弱的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)有著重要影響。目前國內(nèi)規(guī)范只對單一結(jié)構(gòu)的阻尼比的取值做出了規(guī)定，而對于非比例阻尼(即結(jié)構(gòu)上下部分采用不同的材料)并未做出明確說明。阻尼比的取值直接關(guān)系到地震作用的大小，因此對于混合結(jié)構(gòu)采用單一的阻尼比顯然是不合理的。求解非比例阻尼一般采用應(yīng)變能法[6]，得出阻尼比公式：

其中，ED(i,n)為第i振型第n個單元的耗散能；Es(i,n)為第i振型第n個單元的應(yīng)變能；φn為第n個單元第i振型的振型位移，ωi為第i振型的圓頻率；ξn為第n個單元結(jié)構(gòu)的阻尼比；Kn為第n個單元的剛度矩陣。

由公式可知：組合加層結(jié)構(gòu)的阻尼比等于各加層部分阻尼比的應(yīng)變能加權(quán)平均，即混凝土加層方案的阻尼比取0.05，而鋼結(jié)構(gòu)加層方案的阻尼比取值應(yīng)在0.02～0.05區(qū)間內(nèi)。本次設(shè)計采用MIDAS有限元軟件結(jié)合應(yīng)變能法得出了鋼結(jié)構(gòu)加層體系的前30個振型阻尼比，見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)加層應(yīng)變能阻尼比

應(yīng)變能阻尼比見圖6，鋼結(jié)構(gòu)加層模態(tài)振型見圖7。

從各個振型阻尼比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：基本振型混凝土和鋼結(jié)構(gòu)都參與振動，兩者應(yīng)變能相當(dāng)，故組合結(jié)構(gòu)阻尼比接近混凝土和鋼結(jié)構(gòu)阻尼比的均值0.035，中間振型鋼結(jié)構(gòu)參與振動的應(yīng)變能較多，故組合結(jié)構(gòu)阻尼比受鋼結(jié)構(gòu)影響較大，數(shù)值接近0.02，高階振型中混凝土結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)較大，故阻尼比受混凝土結(jié)構(gòu)影響較大，數(shù)值接近0.05。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析

1)計算假定。計算中采用如下假定：加層結(jié)構(gòu)框架部分與原混凝土結(jié)構(gòu)剛接，樓板為剛性樓板，平面內(nèi)剛度無限大，不考慮平面外的剛度、圍護(hù)墻板對整體結(jié)構(gòu)分析的有利作用。

2)荷載取值。本次計算分析主要分別考慮風(fēng)荷載和水平地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況。

3.4 計算結(jié)果

內(nèi)力計算結(jié)果見表2，表3。

表2 方案一計算結(jié)果

表3 方案二計算結(jié)果

由內(nèi)力計算結(jié)果可知：兩種加層結(jié)構(gòu)的剪力、彎矩、位移均相差不大，但由于方案二中鋼結(jié)構(gòu)加層層數(shù)較多，使其振動的基本周期明顯增大，故相比混凝土結(jié)構(gòu)體系偏“柔”，兩種不同方案均能滿足結(jié)構(gòu)變形和安全要求，但是鋼結(jié)構(gòu)加層方案在新舊結(jié)構(gòu)連接處，不論是剪力還是層間位移都存在較大的突變，即新舊結(jié)構(gòu)體系剛度不匹配，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱層，設(shè)計時應(yīng)對薄弱層進(jìn)行驗算。

4 結(jié)語

1)利用簡化模型的分析計算，驗證了獨(dú)立基礎(chǔ)采用筏板加固法方案的可行性。根據(jù)模型計算沉降值與實測值的比對，證明了簡化模型準(zhǔn)確反映了真實情況。 2)混凝土加層體系上、下部分均為混凝土結(jié)構(gòu)，因此建議加層后結(jié)構(gòu)的阻尼比仍然取0.05。對于鋼結(jié)構(gòu)加層體系采用單一的阻尼比值，難以精確地計算實際結(jié)構(gòu)的動力特性，建議選取2%～5%之間的多個值進(jìn)行試算，最后根據(jù)建筑物的重要性確定合適的阻尼比。 3)內(nèi)力分析結(jié)果表明,鋼結(jié)構(gòu)加層層數(shù)較多時,在新舊結(jié)構(gòu)銜接處，層間剪力和位移存在較大的突變，屬于結(jié)構(gòu)薄弱層，必要時，設(shè)計應(yīng)考慮減震、隔震措施。

[1] 盧 竟.山西某混凝土高層商住樓(5層+15層)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].太原:太原理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[2] 張家啟，李國勝.建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 石 晶，石 巍.舊建筑物加層改造的研究[J].黑龍江水利科技，2002(3)：99-100.

[4] 趙干榮，金 旭，張建明.阻尼計算方法對輕鋼增層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[J].四川建筑科學(xué)研究，2009,35(2)：168-170.

[5] 劉 陽.混合結(jié)構(gòu)加層阻尼比討論[J].科學(xué)之友，2011(15)：79-80.

[6] 薛彥濤，韋承基.采用不同材料加層時結(jié)構(gòu)阻尼比計算方法(應(yīng)變能法)[J].工程抗震與加固改造，2008,30(2)：162-164.

Story-adding scheme selection and structural analysis of the concrete commercial-residential building

Ren Rongrong1Lu Jing2

(1.XishanCoalPowerGroupDesignInstituteCo.,Ltd,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030024,China)

The paper analyzes the foundation reinforcement and story-adding scheme selection of the commercial-residential building story-adding transformation project in Shanxi province, analyzes and compare the story-adding scheme structure by applying the finite element software MIDAS/GEN, explores the structural damping ration value selection, and finally determines the story-adding scheme staring from the aspect of technological feasibility, which has provided some guidance for similar engineering construction in future.

foundation reinforcement, structural performance, story-adding scheme, damping ratio

2016-11-20

任絨絨(1985- )，女，碩士，助理工程師； 盧 竟(1986- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0059-03

TU375

A