某砖混结构顶部轻钢直接加层抗震性能分析

赵佳兴 翁维素

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)



某砖混结构顶部轻钢直接加层抗震性能分析

赵佳兴 翁维素

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

选用有限元软件SAP2000,结合实际工程对砖混结构顶部轻钢直接加层建立了三维有限元模型,应用振型分解反应谱法对结构的抗震性能进行分析,获取了该结构动力特性和其在多遇地震作用下的地震响应，为类似结构形式的设计提供一定的参考价值.

轻钢加层；模态分析；反应谱法

目前，我国城市住宅和其它民用房屋有大量低层，多层砖混结构房屋，随着社会，经济的发展，人们生产和生活方式发生了很大变化，对房屋的使用功能提出了更高要求，而且其中有些房屋在过去建造中没有进行抗震设防设计或者设防标准偏低，为解决供需矛盾，对现有建筑物进行增层改造成为的有效方式之一.

参考目前国内加层改造的工程实例,大部分增层改造工程选用施工周期短、工程造价低的轻钢结构.轻钢加层作为一种新型加层技术，因其具有质轻高强、抗震性能好、对原有结构影响小等优点，为工程界广泛采用[1].

砖混结构轻钢加层后，结构的整体质量、刚度、自振频率、阻尼比等都发生了改变，仅对加层部分进行研究分析并不安全，应对结构整体的抗震性能进行鉴定分析.依据现行《建筑抗震设计规范》[2]，宜选用振型分解反应谱法进行计算分析.

1 工程概况

1.1 原有建筑概况

本建筑原有功能为建筑设计院，为4层砖混结构，长30 m，宽12.3 m，层高3.6 m，四层结构顶面标高15.1 m.原建筑采用100 mm厚现浇钢筋混凝土楼板，内外墙混合承重，内墙厚240 mm，外墙厚360 mm.结构平面布置如图1所示.

图1 建筑结构布置图

该地区基本风压为0.55 kN/m2；场地类别Ⅱ类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g，设计地震分组为第一组，特征周期为0.35 s，偏于安全考虑，钢框架柱与原结构采用铰接柱脚.加层设计采用PKPM软件，本文采用空间结构通用有限元软件Sap2000对原结构及加层结构进行整体建模分析.

1.2 加层设计

由于使用面积不满足要求，使用方要求在原结构屋顶加建一层，加层房间布置与原办公楼相同，使用功能改为宾馆.加层采用钢框架结构，层高3.6 m，屋顶采用现浇混凝土屋面板.加层框架梁截面选用HN350×175×7×11，柱截面选用HW300×300×10×15.计算中采用如下假定：钢框架柱与原结构铰接，楼板为刚性楼板，平面内刚度无限大，结构模型如图2所示.

图2 有限元模型

2 有限元模型建立

利用Sap2000进行结构分析的过程中，建模工作在整个结构分析中占有重要地位.结构分析结果的正确与否是由计算模型的合理性所决定的，因此计算模型必需能够真实地反映实际结构[5].

2.1 单元类型确定

选用Sap2000软件，分别对原结构及加一层钢框架进行整体建模分析.楼板采用薄板单元，砖墙采用壳单元，钢柱、梁采用框架单元模拟，加层结构与原结构之间采用铰接连接[6].

2.2 参数确定

计算过程中单独考虑地震作用，不计入风荷载.

加层屋面混凝土C30弹性模量E=3.00e10Pa，泊松比ν=0.2；加层钢结构Q345，弹性模量E=2.06e11Pa，泊松比ν=0.3.原结构砖砌块的弹性模量E=2.4e9Pa,泊松比ν=0.15.

由于砖混结构与轻钢加层结构阻尼比不同，其组成混合体系的地震作用是计算分析的难点.本工程为解决计算分析难题，按照偏于保守的情况考虑，提高安全系数，将砖混结构和上部轻钢加层结构进行整体建模计算，考虑其整体相互影响阻尼比统一按照0．04取值.原砖混结构单独建模，阻尼比取值0.05[6].

3 模态分析

表1 结构自振周期

结构自振周期反映结构的动力特性，是判断机构是否会发生自振的依据，受结构质量及刚度的影响.由SAP2000分析结果显示，当原结构加上钢结构后，结构自振频率，周期均发生一定改变.具体数值见下表：

由表可看出，两个结构的自振周期依次变长，加层后结构周期差值依次缩小.这是由于加层框架对结构的整体质量产生了一定影响，总体结构的自振周期增大会减小输入上部结构的水平地震作用，提高整体抗震功能.

在本次抗震分析过程中，只考虑低阶振型对结构的影响，主要是因为在进行抗震分析中，结构的低阶振型起主要作用，对结构的位移和内力影响较大，因此忽略高阶振型的影响[1].

图3 一阶振型 图4 二阶振型 图5 三阶振型

根据软件分析结果，加层后结构的前三阶振型如图所示.加层前，一阶振型为沿x轴方向平动，二阶振型为扭转振型，三阶振型为沿y轴方向平动，加层后结构的第一阶振型表现为沿x轴方向发生平动，第二阶振型表现为局部扭转，第三阶振型为y轴方向平动.产生扭转的原因是加层部分刚度较小，为了避免扭转，在设计时应适当增加柱间支撑，以增强加层部分的整体刚度，且墙体应与钢框架加层有可靠连接.

4 反应谱分析

应用振型分解反应谱法时，不对体系进行扭转耦联计算，求出各振型的作用效应，组合方法应选用平方和开平方法，即SRSS方法，求出水平地震作用效应[1].层剪力、地震力作用下Y方向楼层水平位移见下图.

图6 层剪力 图7 Y方向水平位移

由图可知，加层后，结构的层剪力有较大提高，为减小对下部结构的影响，在进行加层设计时应尽量选择材质较轻的材料，同时应对原结构部分进行可靠性鉴定，若承载力不满足要求还需对下部结构进行加固；在结构加层处，层剪力的改变十分明显，这正是由于加层致使刚度突变所造成的；当地震作用沿结构纵向时，地震作用对横向墙体影响较小，绝大部分地震力由纵墙承担；原结构的Y方向的水平位移变化不大，但在加层处水平位移明显增大.这是由于上部钢框架为柔性体系，侧向刚度较小，较下部砖混结构有很大的突变，故该处是结构的薄弱层.既有结构屋顶层的震动会对轻钢加层部分产生激励作用，使得加层部分产生二次型振动，增层结构的振动得到了两次放大，因此在进行结构设计时，应当充分利用各个结构的承载能力，并采取相应的构造措施来保证加层结构的安全.

5 结 论

本文利用有限元分析软件SAP2000对砖混结构轻钢加层进行了数值模拟，通过计算和研究结构自身动力特性和其在多遇地震作用下的地震反应，得出了以下几点结论：

(1)在地震作用下，加层后整体结构的变形呈剪切型，且存在能量集中层.结构的底层和加层部分的底层是整个结构的薄弱位置，在结构设计时应格外注意对薄弱层部分的验算，并结合一定的加固措施以提高结构的整体抗震能力.

(2)加层部分与原结构刚度相差较大，可能产生鞭梢效应.因此，两部分应采用稳固可靠的构造措施进行连接.

(3)通过分析发现，加层之后结构顶层处水平位移易出现较大值，应采用恰当方法控制顶层层间位移量，确保结构的安全性.

[1]张涛，王元清，石永久，麻建锁.砖混结构顶部钢结构加层抗震性能分析[J].低温建筑技术，2006,21(1)：56～58

[2]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S]

[3]李科，刘长玲.某砖混结构顶部钢结构加层的抗震性能分析[J].四川建筑科学研究，2016,42(1)：90～92

[4]刘昱，高小旺，张涛.基于SAP2000的轻钢加层结构的抗震性能分析[J].工程抗震与加固改造，2008,30(6)：100～104

[5]卢世霞.框架结构轻钢加层的地震反应与抗震设计研究[D].山东：山东科技大学，2008

[6]谢新，张建林，郭永涛，翟传明.某多层砖砌体结构轻钢加层改造设计[J].工程抗震与加固改造，2011,33(3)：107～110

Analysis of Seismic Resistant Properties of Integral Structure of Multistoried Brick-concrete Architecture

ZHAOJia-xing,WENGWei-su

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075000,China)

In this paper, by using finite-analysis software SAP2000,a three-dimensional model is established to analyze the multistoried brick-concrete architecture of adding steel stories on its top.The seismic performance is analyzed by using response spectrum analysis,and the dynamic behavior and the seismic response features about storey-adding of light-weight steel structure is obtained,which offers reference for the design of similar structures.

light-weight steel adding storey;modal analysis;response spectrum analysis

2016-07-20

赵佳兴(1993-)，女，在读研究生，专业钢结构.

TU 201.1

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