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混凝土框架上鋼結(jié)構(gòu)加層建筑抗震探析

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混凝土框架上鋼結(jié)構(gòu)加層建筑抗震探析

摘要:針對混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑上采用鋼結(jié)構(gòu)加層后抗震性能的研究與應(yīng)用,從整體結(jié)構(gòu)阻尼比、抗震分析方法、影響因素及鋼與混凝土連接構(gòu)造等方面進(jìn)行了綜述。已有研究表明:加層層數(shù)越多,結(jié)構(gòu)的周期越長、阻尼比越接近鋼結(jié)構(gòu),鞭梢效應(yīng)越明顯。合理應(yīng)用耗能構(gòu)件可有效減輕結(jié)構(gòu)的層間剪力與層間位移角。對于加層建筑中柱連接節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究已積累了大量的數(shù)據(jù),包括滯回曲線,成果已應(yīng)用到相關(guān)工程中;但邊柱、角柱抗震性能的相關(guān)研究較少;基于既有建筑為混凝土框剪或砌體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)加層有待進(jìn)一步研究。

關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu);鋼結(jié)構(gòu);加層;抗震;連接節(jié)點(diǎn)

0引言

20世紀(jì)80年代以來,我國建造了大量的混凝土結(jié)構(gòu)建筑。但隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,既有建筑已經(jīng)不能滿足使用要求,同時大拆大建的粗放模式受到詬病,因此對既有建筑進(jìn)行加層改造逐漸成為了有效的解決辦法。鋼結(jié)構(gòu)加層逐漸成為首選,因?yàn)榫哂凶灾剌p、地基負(fù)擔(dān)小、干作業(yè)施工快速、對建筑物正常使用影響小等優(yōu)點(diǎn)?;炷两Y(jié)構(gòu)上采用鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)目前尚缺乏規(guī)范依據(jù),因此對其可行性及抗震分析方法存在爭議?;诂F(xiàn)有文獻(xiàn),本文從整體結(jié)構(gòu)阻尼比、抗震分析方法及鋼與混凝土連接構(gòu)造等方面對鋼結(jié)構(gòu)加層相關(guān)研究進(jìn)行綜述和討論,并對今后研究進(jìn)行展望。

1整體結(jié)構(gòu)阻尼比

在多遇地震下,混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.05[1],鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.02,但混凝土結(jié)構(gòu)上鋼結(jié)構(gòu)加層后的阻尼比,在設(shè)計(jì)軟件上經(jīng)歷了從綜合折算到分別考慮的過程,目前阻尼比的選擇主要有以下幾個方法:①直接選用混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比,劉昱[2]、高鵬[3]在進(jìn)行加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時考慮到主體結(jié)構(gòu)仍然是混凝土結(jié)構(gòu),故加層后新結(jié)構(gòu)的阻尼比仍取0.05;②采用振型阻尼,計(jì)算第i階振型的該結(jié)構(gòu)體系的阻尼比。薛彥濤[4]根據(jù)能量法原理,結(jié)合結(jié)構(gòu)剪切變形為主的特點(diǎn),推導(dǎo)出較為簡便的計(jì)算方法:(1)式中:1z、2z為子結(jié)構(gòu)1和2的阻尼比;{}ijj為j個子結(jié)構(gòu)第i階振型;[K]為剛度矩陣。[](2)式中:jéMùëû為第j層的質(zhì)量;N為加層后的總層數(shù);{}ijf為第i階的振型在j層的位移。文獻(xiàn)[4]通過算例證明了兩種計(jì)算方法的可行性與精確度,其中公式(1)適用于所有結(jié)構(gòu)類型的加層,公式(2)適用于框架結(jié)構(gòu)加層。公式(2)雖只與樓層質(zhì)量和結(jié)構(gòu)振型有關(guān),但仍能滿足工程精度要求,適合工程師進(jìn)行手算。王依群[5]根據(jù)復(fù)阻尼理論,以及結(jié)構(gòu)的阻尼滯后系數(shù)jg,推導(dǎo)出了如下計(jì)算方法:(4)文獻(xiàn)[5]表明采用公式(3)、公式(4)計(jì)算的整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng),下部混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果較為保守,上部鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果偏大、偏小兼有,因此建議計(jì)算出鞭梢效應(yīng)放大系數(shù)對鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行修正。湯燕波[6]根據(jù)強(qiáng)振型實(shí)模態(tài)簡化得出適用于振型分解反應(yīng)譜和時程分析法的計(jì)算方法:用于振型分解法:jj11j22z=hz+hz(5)用于時程分析法:(6)式中:j1h為子結(jié)構(gòu)1的第j階模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù);jw為結(jié)構(gòu)第j階無阻尼自振頻率。③采用等效阻尼比,由于大多數(shù)商業(yè)軟件只能輸入一個阻尼比,故湯燕波[6]根據(jù)拉普拉斯變化,推導(dǎo)出一個等效阻尼比,使得誤差最?。?121kmjjjkmjjgzzg===åå(7)式中:jeg為第j階模態(tài)質(zhì)量參與系數(shù);jz為第j階廣義阻尼比;k為模態(tài)截?cái)鄶?shù)。王璇[7]通過工程實(shí)例與非比例阻尼計(jì)算結(jié)果的對比證明了公式(5)、公式(6)、公式(7)在工程應(yīng)用時的準(zhǔn)確性。綜上,若總體采用原混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比,會低估加層的“鞭梢”效應(yīng),給結(jié)構(gòu)帶來安全隱患。若采用文獻(xiàn)[5]中的計(jì)算方法,不同結(jié)構(gòu)的阻尼特性與實(shí)際差距較大,造成抗震性能不足或抗震能力余量過大的浪費(fèi)。文獻(xiàn)[4]、[6]提出的方法可避免上述缺點(diǎn),較合理估算加層后的動力響應(yīng),由于是一種強(qiáng)迫解耦法,也存在一定誤差。

2抗震分析

加層鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度不同,鞭梢效應(yīng)明顯,上部鋼結(jié)構(gòu)的地震作用會明顯放大,因此加層后結(jié)構(gòu)整體抗震分析尤為重要。

2.1靜力彈塑性分析加載模式

目前有代表性的側(cè)向力加載模式主要有四種,即均勻加載、倒三角形加載、第1振型加載和變振型加載[8]。宗鐘凌[9]認(rèn)為上述四種方法沒有考慮混凝土結(jié)構(gòu)過渡到鋼結(jié)構(gòu)的層間剛度變化,提出經(jīng)過修正的第1振型加載模式,即將第1振型加載模式推覆分析得到各樓層的最大層間位移對應(yīng)的割線剛度Kio帶入式(8)中進(jìn)行修正,根據(jù)修正后的側(cè)向力重新進(jìn)行推覆分析得到割線剛度Kij,再代入式(8)中再次修正,重復(fù)以上步驟直至達(dá)到確定的最大推覆位移為止;作者用上述五種加載模式進(jìn)行分析,并與時程分析結(jié)果比較,得出修正后的方法與時程分析更吻合,用于抗震分析更安全。0b011iiaiNjijjWKFVWKjj==å(8)式中:iF為結(jié)構(gòu)第i層間水平側(cè)向力;bV為基底剪力;iW、jW分別為第i、j層的重力荷載代表值;j1j為結(jié)構(gòu)第1振型對應(yīng)于第j層的數(shù)值;i0K為最大層間位移對應(yīng)的割線剛度。

2.2抗震性能影響因素

2.2.1剛度比與質(zhì)量比。王璇[7]對不同剛度比與質(zhì)量比的鋼結(jié)構(gòu)加層開展整體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究,當(dāng)上下兩種結(jié)構(gòu)的剛度比小于0.7時,兩種結(jié)構(gòu)的鞭梢效應(yīng)較為明顯,隨著剛度比的增大,混凝土結(jié)構(gòu)的位移會隨之增大,鋼加層的位移會較小。在上下兩種結(jié)構(gòu)的剛度比增至0.7~0.8時,鞭梢效應(yīng)開始逐漸減弱;當(dāng)兩種結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較小時,鞭梢效應(yīng)較為明顯,隨著質(zhì)量比的增大,開始逐漸減弱。2.2.2鋼柱截面形式與尺寸。李輝進(jìn)[10]通過對不同截面形式鋼柱的相關(guān)分析,從減小層間位移考慮,認(rèn)為要優(yōu)先選擇矩形截面柱,慎用工字型截面柱。宋建學(xué)[11,12]對4層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上分別加1~4層的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析,隨著加層柱截面尺寸的減小,底部層間剪力越小、加層結(jié)構(gòu)位移越大,鞭梢效應(yīng)越明顯,并建議在頂層設(shè)置柔性耗能層來保護(hù)主體結(jié)構(gòu)。2.2.3鋼柱腳連接方式。鋼柱腳的連接有鉸接和剛接之分,文獻(xiàn)[3]研究了鋼結(jié)構(gòu)柱腳連接方式對抗震性能的影響,認(rèn)為柱腳鉸接比柱腳剛接的周期長,鋼結(jié)構(gòu)側(cè)移和層間位移角容易超限,因此建議鋼柱采用剛接方式。

2.3隔震減震措施

2.3.1隔震技術(shù)。劉仲洋[13]討論了隔震支座利用加層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和隔震支座的阻尼形成質(zhì)量阻尼系統(tǒng),以此來減輕地震作用。并在某砌體結(jié)構(gòu)輕鋼加層結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了夾層橡膠隔震支座,經(jīng)計(jì)算在阻尼比小于0.2,剛度比較小時的減震效果較差,在應(yīng)用隔震技術(shù)后按振型分解法計(jì)算得到地震作用減少了30%。許航莉[14]針對加層結(jié)構(gòu)的特性,結(jié)合相關(guān)規(guī)范提出了一套適合鋼結(jié)構(gòu)加層體系的隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法:分為上部結(jié)構(gòu)、隔震層和下部結(jié)構(gòu),按照不同設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),并提出加層結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)只需要驗(yàn)算罕遇地震下水平位移即可,適宜在隔震層邊、角處設(shè)置鉛芯橡膠隔震支座。孫慎[15]對某加層工程建立了隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)兩種模型,并以此開展了模態(tài)分析和時程分析,結(jié)果顯示在應(yīng)用隔震層后結(jié)構(gòu)前3階周期提高了一倍以上,高階振型對結(jié)構(gòu)的影響大幅度減?。粫r程分析表明隔震技術(shù)在降低結(jié)構(gòu)層間剪力、鞭梢效應(yīng)方面表現(xiàn)良好,對降低地震作用有顯著效果。2.3.2屈曲約束支撐。王秀麗[16]提出一種簡便的屈曲約束支撐設(shè)計(jì)方法:通過加層后側(cè)向剛度不足程度來計(jì)算所需的屈曲約束支撐的截面面積,并用有限元分析軟件對有無設(shè)置屈曲約束支撐兩種加層模型的動力特性和抗震性能進(jìn)行分析,高鵬[3]、陳道政[17]通過某加層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用屈曲約束支撐總結(jié)得出屈曲約束支撐對減小層間剪力、層間位移角作用顯著。

3鋼柱與混凝土柱連接

3.1節(jié)點(diǎn)連接形式

目前加層結(jié)構(gòu)的柱腳節(jié)點(diǎn)連接形式主要有兩種:鉸接和剛接,如圖1、2。剛接柱腳可以傳遞和抵抗上部結(jié)構(gòu)的壓力、剪力和彎矩,而鉸接柱腳不能傳遞和抵抗彎矩?!朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》明確規(guī)定柱腳錨栓不宜用于承受柱腳底部的水平剪力。文獻(xiàn)[18]提出采取設(shè)置抗剪連接件或利用底板與混凝土基礎(chǔ)間的摩擦力承擔(dān)水平剪力,摩擦系數(shù)取0.4,并提出針對鋼筋混凝土框架上鋼結(jié)構(gòu)加層的鉸接和剛接方案。

3.2剛性連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

鉸接柱腳在實(shí)際工程中應(yīng)用較少,本文只列舉剛接柱腳的傳統(tǒng)連接方案。①直接鉆孔連接法:采用植筋技術(shù)將錨固鋼筋植入原結(jié)構(gòu)柱頂,并與過渡鋼板焊接,用螺栓將鋼柱底板與過渡鋼板連接[18],連接節(jié)點(diǎn)如圖3所示。②柱中鋼筋直接連接法:與直接鉆孔法不同的是采用柱中主筋加熱調(diào)直來代替錨固鋼筋與過渡鋼板連接。連接節(jié)點(diǎn)如圖4所示。為了解決原結(jié)構(gòu)柱植筋施工空間不足的問題,王玉澤[19]提出將原結(jié)構(gòu)柱頂部混凝土剔除一定高度混凝土,確定植筋的位置后再將植筋與柱內(nèi)鋼筋焊接后對柱腳進(jìn)行回灌的施工方法。③U型箍連接法:即在原柱頂鋪一定厚度的找平混凝土,用U型螺栓將柱腳與既有建筑混凝土梁連接。連接節(jié)點(diǎn)如圖5所示。④外包剛性連接法[20]:柱腳施工完成后,植筋外伸一定高度并綁扎箍筋,然后鋼柱外包混凝土來抵抗彎矩,減小柱腳的變形。連接節(jié)點(diǎn)如圖6所示。童根樹[21]等人提出結(jié)構(gòu)的彎矩、剪力和部分軸力由外包的鋼筋混凝土承擔(dān),外包混凝土的抗剪機(jī)理與混凝土的外包高度有關(guān);[22]提出混凝土外包高度越高,承擔(dān)的軸力越大,柱腳鋼板承擔(dān)部分彎矩。設(shè)計(jì)人員可依據(jù)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行外包式柱腳設(shè)計(jì)。

3.3節(jié)點(diǎn)抗震性能

宗鐘凌等[23]通過對直接鉆孔連接、柱中鋼筋直接連接、外包剛性連接等三種連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明都是混凝土梁的受彎延性破壞,且外包剛性連接節(jié)點(diǎn)的滯回曲線較為飽滿,抗震性能較好。郭蓉]等[24通過對直接鉆孔連接、碳纖維增強(qiáng)的直接鉆孔連接、改進(jìn)的U型箍連接等三種連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究,認(rèn)為碳纖維增強(qiáng)連接節(jié)點(diǎn)滯回曲線最飽滿,抗震性能最優(yōu)。寧康樂[25]通過與文獻(xiàn)[24]相同截面尺寸的結(jié)構(gòu)試驗(yàn),研究了外包鋼不同參數(shù)對連接節(jié)點(diǎn)抗震性的影響,據(jù)此給出了外包鋼加固合理的規(guī)格與尺寸,即外包鋼厚度小于10mm,梁上角鋼長度小于400mm,梁上外包鋼寬度小于120mm。當(dāng)原框架柱截面較小,加層鋼柱無法生根時,陳道政[26]設(shè)計(jì)了兩種新型連接節(jié)點(diǎn):新增柱頭的外包剛性柱腳、新增圈梁和柱頭的外包剛性柱腳,并開展試驗(yàn)研究得出新增圈梁的柱腳節(jié)點(diǎn)耗能和抗震性較優(yōu)。謝冰花[27]通過工程實(shí)例設(shè)計(jì)探討了第二種連接節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理:軸力由鋼柱腳與外包混凝土承擔(dān)和傳遞,剪力由外包混凝土、新增圈梁和柱頭承擔(dān)和傳遞,彎矩由柱腳和外包混凝土承擔(dān)和傳遞。

4結(jié)語

①混凝土結(jié)構(gòu)上鋼結(jié)構(gòu)加層后,整體結(jié)構(gòu)阻尼比目前的折算方法與實(shí)際仍存在一定的偏差,對現(xiàn)行簡化計(jì)算方法還需進(jìn)一步研究多種因素的影響。②鋼柱腳節(jié)點(diǎn)優(yōu)先采用剛性連接,可采用新增柱頭、圈梁及外包混凝土或碳纖維等方法增強(qiáng)其抗震承載能力和變形性能?,F(xiàn)有研究集中在中柱節(jié)點(diǎn),對邊柱和角柱節(jié)點(diǎn)有待進(jìn)一步研究。③對加層后這種混雜結(jié)構(gòu)抗震分析的規(guī)范性尚存在不同觀點(diǎn),亟待進(jìn)一步的研究乃至形成設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程,為工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。在此之前應(yīng)采取慎重態(tài)度,包括采取減隔震措施。

作者:孫贊 王志龍 王禧瑞 盧晨琛 魏翠婷 胡楨茜 單位:合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院

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