既有混凝土结构上小柱网钢框架加层抗震分析

孙 赞, 王志龙, 王禧瑞, 卢晨琛, 魏翠婷, 胡桢茜, 周 安

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

随着我国社会经济的不断发展,20世纪80年代我国城镇化进程中建造的大量低层建筑已经不能满足现有阶段的使用要求,但是这些老旧建筑仍存在一定的利用价值,直接对其拆除重建会面临拆迁和居民安置等棘手问题。因此对既有建筑进行钢框架加层改造有着巨大的经济和社会效益,钢框架加层由于自重轻、施工速度快、经济性较好[1]等优点,逐渐成为城市中旧房改造的首选方式。

在钢框架加层设计过程中,截面尺寸的选择受到建筑设计、施工现场吊装运输能力的影响,不能采用传统大柱网加层方式。本文结合某高校办公楼加层实例,设计了1种小柱网加层方案,应用SAP2000有限元分析软件与大柱网钢框架加层进行抗震性能方面的对比分析。

1 既有结构与加层方案

1.1 既有结构

本例讨论的既有结构是合肥某高校的一栋办公楼,5层现浇钢筋混凝土框架结构,长34 m,宽14 m,高18.2 m;原设计抗震设防类别为乙类,抗震设防烈度为7度,设计分组为第1组,场地类别Ⅱ类,设计使用年限为50年。原结构标准层平面图如图1所示。

1.2 加层方案

拟在既有结构上增加1层,在对既有结构进行安全性和抗震性鉴定[2]后,考虑到利用现有构件及地基基础的承载潜力以及避免湿作业施工对建筑物使用的影响,选择采用钢框架结构加层。

钢框架结构加层的柱网布置又考虑两种方案,即大柱网布置与小柱网布置。所谓大柱网是指在既有混凝土框架柱上布置钢框架柱,钢框架柱网尺寸不小于混凝土框架柱网;小柱网是指钢框架柱网尺寸小于混凝土框架柱网,因此在部分框架梁上亦布置有钢框架柱。一般地,当建筑设计对钢框架截面尺寸限制较小、现场运输吊装能力较大时,多选择采用大柱网;反之考虑采用小柱网。

图1 原建筑标准层平面图

两种方案的柱网布置如图2所示，构件及柱网尺寸见表1。柱采用方钢管,梁采用H型钢,钢柱脚为刚接。

图2 加层钢结构柱网布置

表1 构件及柱网尺寸

2 抗震分析

2.1 振型与周期

采用李兹向量法对3种结构进行模态分析,取前3阶振型周期及扭转系数，见表2。

结果可知3种结构的前2阶振型均分别为Y、X方向的平动,第3阶振型为扭转;3种结构的周期比均在0.88左右,满足规范[3]中对周期比的要求,增加1层钢框架楼层后整体结构周期增大17%左右。

表2 各结构前3阶周期及扭转系数

结构X方向的刚度远大于Y方向,故在前2阶振型中存在一定的扭转效应;大柱网加层与小柱网加层中第1、第3阶振型的扭转效应大于未加层结构,第2阶振型的扭转效应小于未加层结构,总体来看,两种加层方案的自振性能是相似的。

2.2 多遇地震下的结构分析

整体结构的Y方向为地震作用的弱项,起主要控制作用,故本文只考虑Y方向的地震作用。整体结构的阻尼比采用文献[4]提出的等效阻尼比:

ζj=ηj1ζ1+ηj2ζ2

(1)

(2)

式中:ηj1为子结构1的第j阶模态质量参与系数;γje为第j阶模态质量参与系数;ζj为第j阶广义阻尼比;k为模态截断数。

由式(1)、式(2)计算得大柱网加层、小柱网加层的等效阻尼比为0.490和0.488,各模型在Y方向多遇地震下的楼层剪力与最大层间位移角见表3、表4。

表3 多遇地震楼层剪力

表4 多遇地震最大层间位移角

《建筑抗震设计规范》中有对单一混凝土结构和钢结构在多遇地震下的层间位移角限值,分别为1/550和1/250,并无二者的混合结构的相关要求,本文分别采用1/550和1/250来限制混凝土结构和钢结构的在多遇地震下的层间位移角。

分析可得,大柱网方案与小柱网方案的基底剪力略小于未加层结构,说明增加了钢结构楼层后,对控制基底剪力起有利作用。但原混凝土结构顶层的剪力和层间位移角增大40%,受到钢结构加层影响较明显。

钢框架结构的抗侧刚度将直接影响其地震响应,加层钢结构的抗侧刚度远小于下层混凝土结构。文献[5,6]认为,随着加层钢结构抗侧刚度的增加,鞭梢效应逐渐减小。经计算大柱网加层方案Y向抗侧刚度为1.04×105kN/mm,小柱网加层方案Y向抗侧刚度为9.3×104kN/mm。由表3、表4可得,两种加层方案既有混凝土结构的层间位移角和楼层剪力近似相等,但大柱网加层比小柱网加层钢结构顶层的楼层剪力大7%,层间位移角小15%。

2.3 罕遇地震下的结构分析

2.3.1 弹塑性时程分析最大层间位移角

在既有结构增加钢框架楼层后,属于超限结构,应对加层后的整体结构验算弹塑性层间位移角。根据地震波的选取原则[7],选用El Centro波、Northrige波,并将加速度峰值调整为220 cm/s2,整体结构的阻尼比取0.05。两种方案在罕遇地震下弹塑性时程分析的层间位移角见表5。

表5 罕遇地震层间位移角

对于罕遇地震下的层间位移角,规范中对混凝土结构和钢结构的限值都为1/50。由表5可知,两种加层方案在不同地震波下钢结构的层间位移角远大于底部混凝土结构,但都满足规范的限值要求。

2.3.2 静力弹塑性分析塑性铰的开展

由于小柱网加层方案在部分既有结构框架梁上布置钢柱,为了验证该方案在罕遇地震下框架梁具有良好的承载能力,不先于钢柱破坏,故对两种加层方案及未加层结构进行静力推覆性分析,对比塑性铰的开展过程,推覆最大位移取2%的结构高度。柱采用P-M2-M3铰,梁采用M3铰,塑性铰开展过程如图3所示。

图3 不同加层方案塑性铰开展过程

本文侧向力加载模式采用文献[8]中提出的经过修正的第1振型加载模式,即将第1振型加载得到的推覆曲线的割线刚度带入(3)式中对侧向力分布进行修正,重复推覆至最大位移。

(3)

式中:Fi为结构第i层间水平侧向力;Vb为基底剪力;Wi、Wj分别为第i、j层的重力荷载代表值;φj1为结构第1振型对应于第j层的数值;Ki0为最大层间位移对应的割线刚度。

由图3可知,未加层结构的塑性铰开展过程为,首先底层中柱及1至3层梁出现塑性铰,随后底层边柱及2层中柱、4层梁也出现塑性铰,此时塑性铰仍然处于安全状态;在性能点处的底层柱塑性铰已发展为生命安全阶段。

大柱网加层的塑性铰开展过程为,首先底层中柱及混凝土框架梁出现塑性铰,随后底层柱也出现塑性铰,此时塑性铰仍处于直接使用阶段;随着推覆步骤逐渐进行,此时柱脚和底层梁端的塑性铰已发展为生命安全阶段。

小柱网加层中梁塑性铰的开展过程与未加层结构相似,在7度罕遇地震性能点处支撑钢柱的混凝土框架梁也出现了塑性铰,但只有底层柱的塑性铰达到了生命安全阶段。

3 结 论

(1)在多遇地震下,小柱网加层与大柱网加层的抗震性能近似相同。

(2)在罕遇地震下小柱网加层方案的层间位移角要略大于大柱网加层方案。由于原混凝土结构的保护由于部分钢柱在原框架梁生根,需要格外关注框架梁塑性铰的开展情况,保证原混凝土梁在罕遇地震下仍能保持基本的工作性能。

(3)大柱网加层方案抗侧刚度略大,在地震作用下层间位移角较小,对吊装施工条件要求较高;小柱网加层方案抗侧刚度略小,地震作用下层间位移角较大,对吊装施工条件要求较低,适用于建筑设计对截面尺寸限制较小,吊装能力较小的工程案例。