趙佳興 翁維素

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

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某磚混結(jié)構(gòu)頂部輕鋼直接加層抗震性能分析

趙佳興 翁維素

(河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

選用有限元軟件SAP2000,結(jié)合實(shí)際工程對(duì)磚混結(jié)構(gòu)頂部輕鋼直接加層建立了三維有限元模型,應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析,獲取了該結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和其在多遇地震作用下的地震響應(yīng)，為類(lèi)似結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值.

輕鋼加層；模態(tài)分析；反應(yīng)譜法

目前，我國(guó)城市住宅和其它民用房屋有大量低層，多層磚混結(jié)構(gòu)房屋，隨著社會(huì)，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生產(chǎn)和生活方式發(fā)生了很大變化，對(duì)房屋的使用功能提出了更高要求，而且其中有些房屋在過(guò)去建造中沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)防設(shè)計(jì)或者設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低，為解決供需矛盾，對(duì)現(xiàn)有建筑物進(jìn)行增層改造成為的有效方式之一.

參考目前國(guó)內(nèi)加層改造的工程實(shí)例,大部分增層改造工程選用施工周期短、工程造價(jià)低的輕鋼結(jié)構(gòu).輕鋼加層作為一種新型加層技術(shù)，因其具有質(zhì)輕高強(qiáng)、抗震性能好、對(duì)原有結(jié)構(gòu)影響小等優(yōu)點(diǎn)，為工程界廣泛采用[1].

磚混結(jié)構(gòu)輕鋼加層后，結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量、剛度、自振頻率、阻尼比等都發(fā)生了改變，僅對(duì)加層部分進(jìn)行研究分析并不安全，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的抗震性能進(jìn)行鑒定分析.依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，宜選用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行計(jì)算分析.

1 工程概況

1.1 原有建筑概況

本建筑原有功能為建筑設(shè)計(jì)院，為4層磚混結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)30 m，寬12.3 m，層高3.6 m，四層結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高15.1 m.原建筑采用100 mm厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，內(nèi)外墻混合承重，內(nèi)墻厚240 mm，外墻厚360 mm.結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示.

圖1 建筑結(jié)構(gòu)布置圖

該地區(qū)基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2；場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為0.35 s，偏于安全考慮，鋼框架柱與原結(jié)構(gòu)采用鉸接柱腳.加層設(shè)計(jì)采用PKPM軟件，本文采用空間結(jié)構(gòu)通用有限元軟件Sap2000對(duì)原結(jié)構(gòu)及加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析.

1.2 加層設(shè)計(jì)

由于使用面積不滿足要求，使用方要求在原結(jié)構(gòu)屋頂加建一層，加層房間布置與原辦公樓相同，使用功能改為賓館.加層采用鋼框架結(jié)構(gòu)，層高3.6 m，屋頂采用現(xiàn)澆混凝土屋面板.加層框架梁截面選用HN350×175×7×11，柱截面選用HW300×300×10×15.計(jì)算中采用如下假定：鋼框架柱與原結(jié)構(gòu)鉸接，樓板為剛性樓板，平面內(nèi)剛度無(wú)限大，結(jié)構(gòu)模型如圖2所示.

圖2 有限元模型

2 有限元模型建立

利用Sap2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的過(guò)程中，建模工作在整個(gè)結(jié)構(gòu)分析中占有重要地位.結(jié)構(gòu)分析結(jié)果的正確與否是由計(jì)算模型的合理性所決定的，因此計(jì)算模型必需能夠真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)[5].

2.1 單元類(lèi)型確定

選用Sap2000軟件，分別對(duì)原結(jié)構(gòu)及加一層鋼框架進(jìn)行整體建模分析.樓板采用薄板單元，磚墻采用殼單元，鋼柱、梁采用框架單元模擬，加層結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)之間采用鉸接連接[6].

2.2 參數(shù)確定

計(jì)算過(guò)程中單獨(dú)考慮地震作用，不計(jì)入風(fēng)荷載.

加層屋面混凝土C30彈性模量E=3.00e10Pa，泊松比ν=0.2；加層鋼結(jié)構(gòu)Q345，彈性模量E=2.06e11Pa，泊松比ν=0.3.原結(jié)構(gòu)磚砌塊的彈性模量E=2.4e9Pa,泊松比ν=0.15.

由于磚混結(jié)構(gòu)與輕鋼加層結(jié)構(gòu)阻尼比不同，其組成混合體系的地震作用是計(jì)算分析的難點(diǎn).本工程為解決計(jì)算分析難題，按照偏于保守的情況考慮，提高安全系數(shù)，將磚混結(jié)構(gòu)和上部輕鋼加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模計(jì)算，考慮其整體相互影響阻尼比統(tǒng)一按照0．04取值.原磚混結(jié)構(gòu)單獨(dú)建模，阻尼比取值0.05[6].

3 模態(tài)分析

表1 結(jié)構(gòu)自振周期

結(jié)構(gòu)自振周期反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，是判斷機(jī)構(gòu)是否會(huì)發(fā)生自振的依據(jù)，受結(jié)構(gòu)質(zhì)量及剛度的影響.由SAP2000分析結(jié)果顯示，當(dāng)原結(jié)構(gòu)加上鋼結(jié)構(gòu)后，結(jié)構(gòu)自振頻率，周期均發(fā)生一定改變.具體數(shù)值見(jiàn)下表：

由表可看出，兩個(gè)結(jié)構(gòu)的自振周期依次變長(zhǎng)，加層后結(jié)構(gòu)周期差值依次縮小.這是由于加層框架對(duì)結(jié)構(gòu)的整體質(zhì)量產(chǎn)生了一定影響，總體結(jié)構(gòu)的自振周期增大會(huì)減小輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，提高整體抗震功能.

在本次抗震分析過(guò)程中，只考慮低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，主要是因?yàn)樵谶M(jìn)行抗震分析中，結(jié)構(gòu)的低階振型起主要作用，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力影響較大，因此忽略高階振型的影響[1].

圖3 一階振型 圖4 二階振型 圖5 三階振型

根據(jù)軟件分析結(jié)果，加層后結(jié)構(gòu)的前三階振型如圖所示.加層前，一階振型為沿x軸方向平動(dòng)，二階振型為扭轉(zhuǎn)振型，三階振型為沿y軸方向平動(dòng)，加層后結(jié)構(gòu)的第一階振型表現(xiàn)為沿x軸方向發(fā)生平動(dòng)，第二階振型表現(xiàn)為局部扭轉(zhuǎn)，第三階振型為y軸方向平動(dòng).產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的原因是加層部分剛度較小，為了避免扭轉(zhuǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增加柱間支撐，以增強(qiáng)加層部分的整體剛度，且墻體應(yīng)與鋼框架加層有可靠連接.

4 反應(yīng)譜分析

應(yīng)用振型分解反應(yīng)譜法時(shí)，不對(duì)體系進(jìn)行扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算，求出各振型的作用效應(yīng)，組合方法應(yīng)選用平方和開(kāi)平方法，即SRSS方法，求出水平地震作用效應(yīng)[1].層剪力、地震力作用下Y方向樓層水平位移見(jiàn)下圖.

圖6 層剪力 圖7 Y方向水平位移

由圖可知，加層后，結(jié)構(gòu)的層剪力有較大提高，為減小對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響，在進(jìn)行加層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量選擇材質(zhì)較輕的材料，同時(shí)應(yīng)對(duì)原結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行可靠性鑒定，若承載力不滿足要求還需對(duì)下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固；在結(jié)構(gòu)加層處，層剪力的改變十分明顯，這正是由于加層致使剛度突變所造成的；當(dāng)?shù)卣鹱饔醚亟Y(jié)構(gòu)縱向時(shí)，地震作用對(duì)橫向墻體影響較小，絕大部分地震力由縱墻承擔(dān)；原結(jié)構(gòu)的Y方向的水平位移變化不大，但在加層處水平位移明顯增大.這是由于上部鋼框架為柔性體系，側(cè)向剛度較小，較下部磚混結(jié)構(gòu)有很大的突變，故該處是結(jié)構(gòu)的薄弱層.既有結(jié)構(gòu)屋頂層的震動(dòng)會(huì)對(duì)輕鋼加層部分產(chǎn)生激勵(lì)作用，使得加層部分產(chǎn)生二次型振動(dòng)，增層結(jié)構(gòu)的振動(dòng)得到了兩次放大，因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分利用各個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力，并采取相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證加層結(jié)構(gòu)的安全.

5 結(jié) 論

本文利用有限元分析軟件SAP2000對(duì)磚混結(jié)構(gòu)輕鋼加層進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)計(jì)算和研究結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性和其在多遇地震作用下的地震反應(yīng)，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在地震作用下，加層后整體結(jié)構(gòu)的變形呈剪切型，且存在能量集中層.結(jié)構(gòu)的底層和加層部分的底層是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱位置，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)格外注意對(duì)薄弱層部分的驗(yàn)算，并結(jié)合一定的加固措施以提高結(jié)構(gòu)的整體抗震能力.

(2)加層部分與原結(jié)構(gòu)剛度相差較大，可能產(chǎn)生鞭梢效應(yīng).因此，兩部分應(yīng)采用穩(wěn)固可靠的構(gòu)造措施進(jìn)行連接.

(3)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，加層之后結(jié)構(gòu)頂層處水平位移易出現(xiàn)較大值，應(yīng)采用恰當(dāng)方法控制頂層層間位移量，確保結(jié)構(gòu)的安全性.

[1]張濤，王元清，石永久，麻建鎖.磚混結(jié)構(gòu)頂部鋼結(jié)構(gòu)加層抗震性能分析[J].低溫建筑技術(shù)，2006,21(1)：56～58

[2]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[3]李科，劉長(zhǎng)玲.某磚混結(jié)構(gòu)頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的抗震性能分析[J].四川建筑科學(xué)研究，2016,42(1)：90～92

[4]劉昱，高小旺，張濤.基于SAP2000的輕鋼加層結(jié)構(gòu)的抗震性能分析[J].工程抗震與加固改造，2008,30(6)：100～104

[5]盧世霞.框架結(jié)構(gòu)輕鋼加層的地震反應(yīng)與抗震設(shè)計(jì)研究[D].山東：山東科技大學(xué)，2008

[6]謝新，張建林，郭永濤，翟傳明.某多層磚砌體結(jié)構(gòu)輕鋼加層改造設(shè)計(jì)[J].工程抗震與加固改造，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

趙佳興(1993-)，女，在讀研究生，專(zhuān)業(yè)鋼結(jié)構(gòu).

TU 201.1

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