某大跨正交斜放鋼網(wǎng)格樓蓋-鋼框架結(jié)構(gòu)加固后力學(xué)性能分析

胡 宏,閆翔宇,郭紅云,李進(jìn)軍

(1.中國(guó)建筑西南區(qū)域總部，四川成都 610000；2.中建長(zhǎng)江建設(shè)投資有限公司，四川成都 610000；3.天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，天津 300072))

1 工程概況

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)力大幅提高，建筑結(jié)構(gòu)材料從古代的木料、石材等傳統(tǒng)材料發(fā)展到現(xiàn)今的混凝土材料，鋼結(jié)構(gòu)。建筑的高度和跨度隨著計(jì)算理論和材料的發(fā)展而向著高度更高、跨度更大的方向發(fā)展。

建筑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、施工、管理過(guò)程中不能完全按預(yù)想進(jìn)行，遭受災(zāi)害損壞以及耐久性不足等原因，常常需要對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造[1]。目前針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)方法主要包括減輕荷載、改變計(jì)算簡(jiǎn)圖、加大原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面、連接和節(jié)點(diǎn)的加固、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、阻止裂紋開(kāi)展等[2][3]。

某綜合樓采用鋼結(jié)構(gòu)主體，其平面尺寸為：25.2 m×33.6 m，主體工程高16.43 m，考慮使用功能需求，采用了大跨度樓蓋和屋蓋，其平面尺寸為25.2 m×25.2 m(圖1)。

圖1 某圖書(shū)館綜合樓工程施工現(xiàn)場(chǎng)

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)采用Q345B鋼材，但在實(shí)際建造時(shí)受各種條件限制，擬采用Q235B進(jìn)行替代，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，需進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2 加固措施設(shè)計(jì)與分析

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式為框架-支撐結(jié)構(gòu)，其中柱采用H型鋼混凝土柱，梁和支撐采用H型鋼。大跨樓蓋采用正交斜放單層鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，特別是在Y方向大跨樓蓋僅設(shè)置單排框架柱，受力狀態(tài)較為不利。結(jié)構(gòu)平面圖如圖2所示。

采用有限元軟件midas Gen855，建立主體結(jié)構(gòu)分析有限元模型，柱間支撐選用桁架單元，樓板采用板單元，其他梁和柱構(gòu)件均選用梁?jiǎn)卧?，整體計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

當(dāng)材料改為Q235B后，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，部分型鋼混凝土柱應(yīng)力比較大，最大達(dá)到1.30，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

通過(guò)對(duì)比研究分析，提出了將部分應(yīng)力比較大和超過(guò)1.0的型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中H型鋼翼緣處焊接鋼板，形成箱型鋼骨，并適當(dāng)增加配筋的方案，加固方式如圖4所示。

圖4 型鋼混凝土柱加固方案

加固前后柱應(yīng)力比如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，加固前很多柱應(yīng)力比超限，經(jīng)過(guò)加固處理，應(yīng)力比有了明顯的減小且滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖5 加固前后柱應(yīng)力比

將部分應(yīng)力比較大的鋼梁增大截面，同時(shí)對(duì)應(yīng)力比較小的構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化鋼梁位置詳見(jiàn)圖2。

3 加固前后抗震性能分析

本項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為8度，基本地震加速度0.20g，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，場(chǎng)地土類(lèi)別II類(lèi)，地震分組為第二組。

綜合考慮分析結(jié)果，考慮改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)布置建立模型，采用有限元軟件，把構(gòu)件自重、恒載和活載轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量，建立動(dòng)力分析模型。

3.1 周期與振型

采用反應(yīng)譜分析方法，由特征值分析得到結(jié)構(gòu)頻率變化曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 頻率變化曲線(xiàn)

據(jù)有有限元軟件分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)前6階振型頻率較低，總體來(lái)看自振頻率較為密集，整體振動(dòng)振型較多，表明結(jié)構(gòu)剛度分布較為合理。

查看前3階的周期與振型和模態(tài)圖可知(圖7、圖8)，加固前后第1 階振型為X向平動(dòng);第2 階振型為Y向平動(dòng);第3 階振型為扭轉(zhuǎn)，且周期比=T3/T1分別為：優(yōu)化后0.823、優(yōu)化前0.507 ，均小于0.85。

圖7 加固前前3階振型與周期

圖8 加固后前3階振型與周期

在本加固設(shè)計(jì)的過(guò)程中，對(duì)應(yīng)力比超限的柱進(jìn)行了加固，其方式主要為型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中H型鋼翼緣處焊接鋼板，形成箱型鋼骨，并適當(dāng)增加配筋的方案，對(duì)比加固前后頻率，可以發(fā)現(xiàn)加固后結(jié)構(gòu)各階頻率均較加固前變大，結(jié)構(gòu)周期變小，剛度增加。

3.2 層位移

采用振型分解反應(yīng)譜法，加固前后X向地震作用下X方向各層位移如圖9所示。分析計(jì)算結(jié)果可知，頂層位移不超過(guò)35 mm，滿(mǎn)足頂層質(zhì)心側(cè)移不超過(guò)建筑高度1 /250 的要求[4]。

圖9 振型分解反應(yīng)譜法X方向最大位移

通過(guò)加固措施，頂層加固前位移由34.8 mm減少到29.1 mm，X向地震作用下X方向頂層位移減小19.6 %左右，可見(jiàn)所采取的加固措施起到了較好的加固效果。

加固前后地震作用下Y方向各層位移如圖10所示。由圖可知，滿(mǎn)足頂層質(zhì)心側(cè)移不超過(guò)建筑高度1 /250 的要求[4]。通過(guò)加固，頂層加固前位移由56.5 mm減少到47.9 mm，EY向地震作用下Y方向頂層位移減小18.0 %左右，可見(jiàn)所采取的加固措施起到了較好的加固效果。

圖10 振型分解反應(yīng)譜法Y方向最大位移

3.3 層剪力

樓層剪力是判定結(jié)構(gòu)受地震作用影響大小的重要指標(biāo)，在多余地震作用下，通過(guò)振型分解反應(yīng)譜法求解得層剪力如圖11所示。

圖11 振型分解反應(yīng)譜法樓層剪力

對(duì)比分析加固前后樓層剪力，加固后各樓層剪力均有所增大，表明加固后結(jié)構(gòu)剛度變大，受地震作用增大。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)本大跨樓蓋正交斜放鋼網(wǎng)格-鋼框架整體結(jié)構(gòu)體系加固前后靜力性能分析、小震下抗震性能分析可以得出如下結(jié)論：

(1)對(duì)柱的加固可以有效降低應(yīng)力比，同時(shí)有效減小豎向位移。加固后X方向頂層位移減小19.6 %左右,Y方向頂層位移減小18.0 %左右?？捎行岣呓Y(jié)構(gòu)安全性。

(2)通過(guò)對(duì)柱的加固和梁的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)的剛度增大，周期減小，從而使結(jié)構(gòu)受地震作用略有增大。