外包钢加固节点对轻钢加层结构的整体抗震性能研究

蒲静

关键词： 加两层钢框架 外包钢加固 模态分析 抗震性能

中图分类号： TU352.11;TU392.5 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）15-0122-04

一些发达国家的城市建设的发展，自二次世界大战结束至今，经历了以下几个阶段。（1）新建：房屋大规模新建，城市建设加快。（2）维修：在新建房屋的同时，原有房屋也进行基础性的维修。（3）改造：对原有房屋的功能不满足要求的情况下，进行加固与现代化改造[1]。我国建筑行业在二十世纪七八十年代迅速发展起来，但是许多城市是在占用郊区大量农田和耕地的基础上不断建新低层或多层的房屋，或是在大量拆除旧的低层楼房的基础上不断大量重建高楼[2]。而这些建筑现已不能满足现有的抗震功能和需求，加上这些结构在自然和人为的破坏下，使其逐步进入老龄期。为了对这些建筑的再次利用，提出对原有建筑加钢结构这一方法，在一定程度上扩大了原建筑的使用面积，增加新的使用功能，节约成本，更重要的是加强抗震，延长建筑使用年限。

近年来，轻钢加层因改造快、抗震性能较好等独特的优势而被广泛应用。轻钢加层是在原有下部为钢筋混凝土结构的基础上，在上部增加钢框架结构，但是钢筋混凝土结构与钢框架结构之间的刚度有着很大的差别，使加层结构的上部结构与下部结构的连接处成为薄弱层[3]，抗震性能大大减弱，因此需要对下部钢筋混凝土结构进行加固处理，可以选用的方法有加大截面加固法、增补受拉钢筋、外部粘钢加固法、外包钢加固法等方法[4-5]。研究采用外包钢加固法对扩建项目进行加固，并运用ABAQUS 有限元软件建立模型进行研究。外包钢加固方式如图1 模型所示，在上部结构（轻钢结构）和下部结构（钢筋混凝土结构）的连接层处梁柱节点核心区端500 mm 范围内，分别对混凝土梁及柱端黏贴钢板进行加固。梁端的角钢与钢板进行焊接使其拉结形成一个整体，再使用粘钢胶将钢板与混凝土之间的空隙填满[6]；节点柱则用焊接钢板与膨胀螺栓共同固定角钢，同样在钢板与混凝土之间的空隙之间填滿粘钢胶。图2 为外包钢加固节点模型。

1 有限元整体模型的建立

1.1 工程背景

某三层现浇钢筋混凝土框架结构办公楼，长度为16.8 m，宽度为7.2 m，层高为3.6 m。图3 为结构平面布置图。运用ABAQUS 有限元软件建立3 种模型，即YSC 模型（原有三层钢筋混凝土结构）、JLC 模型（加两层钢框架结构）、WBGJLC 模型（外包钢加固的加两层钢框架结构），具体如图4 所示。

构件截面尺寸见表1，其中，原有结构中钢筋混凝土柱梁用Z1、L1～L3 表示，加层结构中钢柱、钢梁用GZ1、GL1～GL4表示。厚度为2 mm外包钢用WB1～WB3表示，50 mm×50 mm 的外包角钢用WBJG1～2 表示，WBJG1、2长度分别为500 mm、1 000 mm。

1.2 模型建立分析

（1）本构关系建立，混凝土采用塑性损伤模型；钢板和钢筋都采用其中的双线性随动强化模型。（2）单元设置：混凝土、钢柱采用三维八节点减缩积分格式的实体单元（C3D8R）；钢筋采用三维2 节点线性桁架单元（T3D2）；外包钢采用四节点减缩积分壳单元（S4R）。（3）接触设置：钢柱底板与混凝土柱之间设为绑定约束（Tie）；外包钢与混凝土柱和梁之间也设为绑定约束（Tie），这是源于外包钢与混凝土之间是用粘钢胶连接。（4）钢筋混凝土构件中，对钢筋使用嵌入区域约束（Embeded ergion）嵌入混凝土中，不考虑两者之间的粘结滑移[7]。

2 模态分析

研究采用分块lanczos 法[7]对3 种结构进行模态分析，并提取前八阶周期列于表2，外包钢加固的轻钢加层整体结构的前四阶振型如图5 所示。从表2 中可以看出只两加层结构与原结构相比，自振周期加长；外包钢加固加层结构与只加层结构相比，自振周期减小。原结构的第一周期为0.374 4，加层结构为0.547 5，外包钢加固加层结构为0.547 0。

从振型图5 中可以发现，JLC 结构的抗侧刚度较小，原结构的整体第二层和加层结构的底层是薄弱层出现位置，而且JLC 结构在地震作用下变形为“不均匀”剪切型，存在地震能量集中[8]。

3 反应谱分析

从地震力控制作用研究，发现X 方向的地震力起到控制作用，因为结构的Z 方向尺度远远大于X 方向，阻尼比选取建筑结构（0.05）、钢筋混凝土结构（0.05）、轻钢加层（0.035）。建筑结构、钢筋混凝土结构的阻尼比按照《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）确定[9]。加层的阻尼比由张涛的研究可确定[10]。采用振型分解反应谱对3 种结构进行分析，得到各楼层的水平最大位移和层间位移角如图6 所示。

最大层间位移角即薄弱层所在层，由图6（a）、图6（b）可以得到，在YSC、JLC、WBJLC 这3 种结构模型中均出现在第二层。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定，弹性层间位移角限值分别为1/550（钢筋混凝土框架）、1/250（多、高层钢结构）。由图6 可知，3 种结构的弹性层间位移角满足要求[7]。

外包钢加固加层结构与加层结构的最大水平位移和层间位移在第一层、第二层时比较接近，但外包钢加固加层结构的最大水平位移在第三层、第四层、第五层时最大水平位移共同减小，而层间位移角只在第三层时大幅度减小，这正是源于外包钢的加固作用，使下层的钢筋混凝土结构与上层的钢框架结构的变形更加协调，加强这两种之间的连接，有效减弱了薄弱层的位移，从而可以有效减弱顶部的鞭梢效应。

4 结论

本文运用ABAQUS 有限元软件对外包钢加固加层结构进行抗震性能分析，得出以下结论：（1）轻钢加层结构的抗侧刚度较小，JLC 结构模型在模态分析中振型图明显呈现弯剪变形；（2）三层钢筋混凝土结构与加层结构的最大层间位移角均出现在第二层，并满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）的要求；（3）外包钢的加固，上层的钢框架结构与下层的钢筋混凝土结构的变形更加协调，加强这两种之间的连接，对薄弱层的位移较大减弱，从而对顶部的鞭梢效应有效减弱，更具抗震性。