既有混凝土結(jié)構(gòu)上小柱網(wǎng)鋼框架加層抗震分析

孫 贊, 王志龍, 王禧瑞, 盧晨琛, 魏翠婷, 胡楨茜, 周 安

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展,20世紀80年代我國城鎮(zhèn)化進程中建造的大量低層建筑已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有階段的使用要求,但是這些老舊建筑仍存在一定的利用價值,直接對其拆除重建會面臨拆遷和居民安置等棘手問題。因此對既有建筑進行鋼框架加層改造有著巨大的經(jīng)濟和社會效益,鋼框架加層由于自重輕、施工速度快、經(jīng)濟性較好[1]等優(yōu)點,逐漸成為城市中舊房改造的首選方式。

在鋼框架加層設計過程中,截面尺寸的選擇受到建筑設計、施工現(xiàn)場吊裝運輸能力的影響,不能采用傳統(tǒng)大柱網(wǎng)加層方式。本文結(jié)合某高校辦公樓加層實例,設計了1種小柱網(wǎng)加層方案,應用SAP2000有限元分析軟件與大柱網(wǎng)鋼框架加層進行抗震性能方面的對比分析。

1 既有結(jié)構(gòu)與加層方案

1.1 既有結(jié)構(gòu)

本例討論的既有結(jié)構(gòu)是合肥某高校的一棟辦公樓,5層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),長34 m,寬14 m,高18.2 m;原設計抗震設防類別為乙類,抗震設防烈度為7度,設計分組為第1組,場地類別Ⅱ類,設計使用年限為50年。原結(jié)構(gòu)標準層平面圖如圖1所示。

1.2 加層方案

擬在既有結(jié)構(gòu)上增加1層,在對既有結(jié)構(gòu)進行安全性和抗震性鑒定[2]后,考慮到利用現(xiàn)有構(gòu)件及地基基礎的承載潛力以及避免濕作業(yè)施工對建筑物使用的影響,選擇采用鋼框架結(jié)構(gòu)加層。

鋼框架結(jié)構(gòu)加層的柱網(wǎng)布置又考慮兩種方案,即大柱網(wǎng)布置與小柱網(wǎng)布置。所謂大柱網(wǎng)是指在既有混凝土框架柱上布置鋼框架柱,鋼框架柱網(wǎng)尺寸不小于混凝土框架柱網(wǎng);小柱網(wǎng)是指鋼框架柱網(wǎng)尺寸小于混凝土框架柱網(wǎng),因此在部分框架梁上亦布置有鋼框架柱。一般地,當建筑設計對鋼框架截面尺寸限制較小、現(xiàn)場運輸?shù)跹b能力較大時,多選擇采用大柱網(wǎng);反之考慮采用小柱網(wǎng)。

圖1 原建筑標準層平面圖

兩種方案的柱網(wǎng)布置如圖2所示，構(gòu)件及柱網(wǎng)尺寸見表1。柱采用方鋼管,梁采用H型鋼,鋼柱腳為剛接。

圖2 加層鋼結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)布置

表1 構(gòu)件及柱網(wǎng)尺寸

2 抗震分析

2.1 振型與周期

采用李茲向量法對3種結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析,取前3階振型周期及扭轉(zhuǎn)系數(shù)，見表2。

結(jié)果可知3種結(jié)構(gòu)的前2階振型均分別為Y、X方向的平動,第3階振型為扭轉(zhuǎn);3種結(jié)構(gòu)的周期比均在0.88左右,滿足規(guī)范[3]中對周期比的要求,增加1層鋼框架樓層后整體結(jié)構(gòu)周期增大17%左右。

表2 各結(jié)構(gòu)前3階周期及扭轉(zhuǎn)系數(shù)

結(jié)構(gòu)X方向的剛度遠大于Y方向,故在前2階振型中存在一定的扭轉(zhuǎn)效應;大柱網(wǎng)加層與小柱網(wǎng)加層中第1、第3階振型的扭轉(zhuǎn)效應大于未加層結(jié)構(gòu),第2階振型的扭轉(zhuǎn)效應小于未加層結(jié)構(gòu),總體來看,兩種加層方案的自振性能是相似的。

2.2 多遇地震下的結(jié)構(gòu)分析

整體結(jié)構(gòu)的Y方向為地震作用的弱項,起主要控制作用,故本文只考慮Y方向的地震作用。整體結(jié)構(gòu)的阻尼比采用文獻[4]提出的等效阻尼比:

ζj=ηj1ζ1+ηj2ζ2

(1)

(2)

式中:ηj1為子結(jié)構(gòu)1的第j階模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù);γje為第j階模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù);ζj為第j階廣義阻尼比;k為模態(tài)截斷數(shù)。

由式(1)、式(2)計算得大柱網(wǎng)加層、小柱網(wǎng)加層的等效阻尼比為0.490和0.488,各模型在Y方向多遇地震下的樓層剪力與最大層間位移角見表3、表4。

表3 多遇地震樓層剪力

表4 多遇地震最大層間位移角

《建筑抗震設計規(guī)范》中有對單一混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)在多遇地震下的層間位移角限值,分別為1/550和1/250,并無二者的混合結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求,本文分別采用1/550和1/250來限制混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的在多遇地震下的層間位移角。

分析可得,大柱網(wǎng)方案與小柱網(wǎng)方案的基底剪力略小于未加層結(jié)構(gòu),說明增加了鋼結(jié)構(gòu)樓層后,對控制基底剪力起有利作用。但原混凝土結(jié)構(gòu)頂層的剪力和層間位移角增大40%,受到鋼結(jié)構(gòu)加層影響較明顯。

鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度將直接影響其地震響應,加層鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度遠小于下層混凝土結(jié)構(gòu)。文獻[5,6]認為,隨著加層鋼結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的增加,鞭梢效應逐漸減小。經(jīng)計算大柱網(wǎng)加層方案Y向抗側(cè)剛度為1.04×105kN/mm,小柱網(wǎng)加層方案Y向抗側(cè)剛度為9.3×104kN/mm。由表3、表4可得,兩種加層方案既有混凝土結(jié)構(gòu)的層間位移角和樓層剪力近似相等,但大柱網(wǎng)加層比小柱網(wǎng)加層鋼結(jié)構(gòu)頂層的樓層剪力大7%,層間位移角小15%。

2.3 罕遇地震下的結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 彈塑性時程分析最大層間位移角

在既有結(jié)構(gòu)增加鋼框架樓層后,屬于超限結(jié)構(gòu),應對加層后的整體結(jié)構(gòu)驗算彈塑性層間位移角。根據(jù)地震波的選取原則[7],選用El Centro波、Northrige波,并將加速度峰值調(diào)整為220 cm/s2,整體結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05。兩種方案在罕遇地震下彈塑性時程分析的層間位移角見表5。

表5 罕遇地震層間位移角

對于罕遇地震下的層間位移角,規(guī)范中對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的限值都為1/50。由表5可知,兩種加層方案在不同地震波下鋼結(jié)構(gòu)的層間位移角遠大于底部混凝土結(jié)構(gòu),但都滿足規(guī)范的限值要求。

2.3.2 靜力彈塑性分析塑性鉸的開展

由于小柱網(wǎng)加層方案在部分既有結(jié)構(gòu)框架梁上布置鋼柱,為了驗證該方案在罕遇地震下框架梁具有良好的承載能力,不先于鋼柱破壞,故對兩種加層方案及未加層結(jié)構(gòu)進行靜力推覆性分析,對比塑性鉸的開展過程,推覆最大位移取2%的結(jié)構(gòu)高度。柱采用P-M2-M3鉸,梁采用M3鉸,塑性鉸開展過程如圖3所示。

圖3 不同加層方案塑性鉸開展過程

本文側(cè)向力加載模式采用文獻[8]中提出的經(jīng)過修正的第1振型加載模式,即將第1振型加載得到的推覆曲線的割線剛度帶入(3)式中對側(cè)向力分布進行修正,重復推覆至最大位移。

(3)

式中:Fi為結(jié)構(gòu)第i層間水平側(cè)向力;Vb為基底剪力;Wi、Wj分別為第i、j層的重力荷載代表值;φj1為結(jié)構(gòu)第1振型對應于第j層的數(shù)值;Ki0為最大層間位移對應的割線剛度。

由圖3可知,未加層結(jié)構(gòu)的塑性鉸開展過程為,首先底層中柱及1至3層梁出現(xiàn)塑性鉸,隨后底層邊柱及2層中柱、4層梁也出現(xiàn)塑性鉸,此時塑性鉸仍然處于安全狀態(tài);在性能點處的底層柱塑性鉸已發(fā)展為生命安全階段。

大柱網(wǎng)加層的塑性鉸開展過程為,首先底層中柱及混凝土框架梁出現(xiàn)塑性鉸,隨后底層柱也出現(xiàn)塑性鉸,此時塑性鉸仍處于直接使用階段;隨著推覆步驟逐漸進行,此時柱腳和底層梁端的塑性鉸已發(fā)展為生命安全階段。

小柱網(wǎng)加層中梁塑性鉸的開展過程與未加層結(jié)構(gòu)相似,在7度罕遇地震性能點處支撐鋼柱的混凝土框架梁也出現(xiàn)了塑性鉸,但只有底層柱的塑性鉸達到了生命安全階段。

3 結(jié) 論

(1)在多遇地震下,小柱網(wǎng)加層與大柱網(wǎng)加層的抗震性能近似相同。

(2)在罕遇地震下小柱網(wǎng)加層方案的層間位移角要略大于大柱網(wǎng)加層方案。由于原混凝土結(jié)構(gòu)的保護由于部分鋼柱在原框架梁生根,需要格外關(guān)注框架梁塑性鉸的開展情況,保證原混凝土梁在罕遇地震下仍能保持基本的工作性能。

(3)大柱網(wǎng)加層方案抗側(cè)剛度略大,在地震作用下層間位移角較小,對吊裝施工條件要求較高;小柱網(wǎng)加層方案抗側(cè)剛度略小,地震作用下層間位移角較大,對吊裝施工條件要求較低,適用于建筑設計對截面尺寸限制較小,吊裝能力較小的工程案例。