薄钢板剪力墙加固结构抗震分析

刘杨，刘英利，郭洪晔，牛清

(华北理工大学 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)



薄钢板剪力墙加固结构抗震分析

刘杨，刘英利，郭洪晔，牛清

(华北理工大学 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063009)

抗震加固；薄钢板剪力墙；时程分析

以唐山市玉田县某中学宿舍楼为例，对结构进行抗震鉴定加固，应用薄钢板剪力墙加固措施进行加固，运用PKPM软件进行SATWE时程分析和SAP2000有限元软件进行模态分析和非线性时程分析。计算结果表明，加固后结构抗震性能大幅度提高，能够满足规范的要求，采用薄钢板剪力墙加固既有结构具有良好的抗震效果和社会经济效益，在建筑抗震加固领域应用前景广阔。

0引言

由于自然灾害或长期疲劳、腐蚀等使建筑结构在使用过程中可能发生损伤或结构功能的破坏，导致建筑不能达到正常安全使用要求，严重时还可能使结构发生整体性破坏，造成人身伤害和经济损失。因此，有必要对某些超过设计使用年限、改变使用功能和有安全隐患的已有建筑结构进行抗震鉴定加固。我国结构加固技术[1]从70年代初开始发展，目前常用的加固方法主要有：增大截面加固法、外包型钢加固法、贴钢板加固法、粘碳纤维加固法、钢板剪力墙加固法、外加预应力加固法等。薄钢板剪力墙加固法主要特点[2]是施工工艺简单、现场湿作业少、施工过程中对生活和生产影响小以及加固后对原结构外貌、净空、使用功能无明显改变且就地取材容易、加固成本低、易于大范围推广以及加固后墙体可以作为剪力墙，能够提高结构的侧向刚度从而提高抗震能力，使得原有建筑达到国家抗震设计规范的要求。

1工程概况

本工程是2004年设计并施工的1栋4层框架结构中学宿舍楼，位于河北省唐山市玉田县，建筑结构质量、刚度分布基本均匀规则，层数为4，跨数为6×2，层高均为3.0 m。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15 g，抗震等级为三级，Ⅱ类场地，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.35 s。因为2010年我国颁布了新的建筑抗震设计规范，其中对抗震设防标准做了新的规定，将中小学校、幼儿园、医院等建筑的设防标准由丙类改为乙类重点设防，唐山地区考虑本地实际情况，根据地方标准将上述建筑的抗震设防烈度提高一度考虑，因此需要对本工程进行抗震能力评估。

2结构分析及加固设计

2.1结构抗震分析

采用PKPM软件，按照结构现有尺寸、荷载等，根据现行规范标准进行建模计算，所建模型如图1所示。对模型进行SATWE反应谱与时程计算，以检验原结构抗震能力能否满足规范要求，计算结果显示，结构在地震作用下X方向的最大值层间位移角为1/527，大于规范规定的1/550，经过结构承载力验算，结构一层柱B/2、B/3、B/4、B/5、B/6轴压比分别为0.93、0.87、0.86、0.87、0.93大于规范规定的0.75，因此结构需要进行加固。

图1　SATWE原结构实体模型

2.2薄钢板剪力墙加固方案设计

贴薄钢板剪力墙将原建筑由框架结构改变成框架剪力墙结构，建筑受力性能更加合理，同时新增加的剪力墙可以承担结构的大部分内力，增大结构侧向刚度，减小结构的最大层间位移角，根据规范的要求，剪力墙应沿结构全高布置，避免产生刚度突变，尽量布置在结构周边、楼梯间附近，各剪力墙之间的距离不宜太大，应均匀、分散、对称布置。本工程采用2 mm厚的Q235B薄钢板沿结构全高贴在A-D轴交1轴、4轴、7轴，A轴交1/2轴、3/5轴、6/7轴，D轴交1/2轴、3/5轴、6/7轴之间的墙体上形成薄钢板剪力墙加固框架结构，钢板通过鱼尾板与周边框架连接，有洞口的墙体在洞口周边布置水平、竖向边缘加固构件来减小洞口对钢板承载能力的削弱[3]。由于薄钢板在水平荷载作用下非常容易发生屈曲，水平荷载主要以拉力方式传递，为了简化分析，当钢板长细比大于1500时，可以把薄钢板简化成等间距交叉布置的斜拉杆模型[4]如图2，进行模拟地震作用有限元分析。

图2　双向等效斜拉杆模型

由上图可以得出下列公式：

(n+1)S=Lcos(β)+hsin(β)

(1)

As=St

(2)

(3)

式中：

S—拉杆间距；L、h—内填钢板宽度、高度；n—拉杆数量；As—等效拉杆的横截面面积；t—内填钢板的厚度；Ac、Ab—柱、梁截面面积；Ic—柱截面绕垂直墙板轴的截面惯性矩。

按照以上公式计算得出，在本工程中可以将加固的薄钢板等效成n=20、S=421 mm、t=2 mm、β=45°的交叉斜拉杆模型。按照工程实际情况在SAP2000软件中建立模型，对每根拉杆杆端释放弯矩和扭矩来实现拉杆与周边框架梁、柱的铰接。按照工程实际情况在SAP2000软件中建立模型，如图3所示。

图3　SAP2000结构加固后模型

3加固效果分析

3.1模态分析结果

加固前后结构的模态分析周期和频率对比结果见表1。结构加固前后的模态分析前4阶振型对比图见图4、图5。

表1　加固前后模态周期频率对比

(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

从以上对比中可以看出，贴薄钢板剪力墙加固后结构的周期减小，频率增大，结构的刚度有大幅度增加，结构的动力能有很大改善。

3.2非线性时程分析

采用SAP 2000软件在8度0.2 g条件下对加固后结构进行常遇地震作用下的非线性动力时程分析，地震波选用唐山波-南北向，地震波加速度峰值为55.49 cm/s2，步长0.01 s，持续时间15 s。薄钢板剪力墙加固后结构的侧向刚度明显增大，层间位移角得到了很好控制，降幅在53%到60%之间，最大层间位移角为1/1113小于规范允许限值1/550，保证了结构在多遇地震下的变形要求。根据以上对该工程的计算分析，粘薄钢板剪力墙加固该结构的抗震效果良好，较好的起到了控制作用，加固前后层间位移角对比数据见表2。

表2　加固前后层间位移角对比

4结论

(1)薄钢板剪力墙加固法施工工艺简单，现场只有少量湿作业，能在保持原结构外貌不变和基本不影响原结构正常使用功能的前提下对结构进行加固，提高结构的抗震能力。

(2)通过对本工程的加固设计，证实了薄钢板剪力墙加固结构确实能取得良好的加固效果和社会经济效益，在今后建筑抗震加固中将具有广阔应用空间。

[1]林文修. 混凝土结构加固方法与实施要点[M].北京：中国建筑工业出版社, 2008.

[2]蔡克栓，林盈成，林志翰.钢板剪力墙抗震行为与设计[J].建筑钢结构进展，2007,09(05):19-25.

[3]苏幼坡，刘英利，王绍杰.薄钢板剪力墙抗震性能试验研究[J].地震工程与工程振动，2002, 22 (04): 81-84.

[4]孙国华，顾强，何若全，方有珍.基于等效拉杆模型的薄钢板剪力墙结构滞回性能分析[J]建筑科学与工程学报，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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