薄鋼板剪力墻加固框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

劉芮汐 郭洪曄 劉坦

關(guān)鍵詞：抗震加固；薄鋼板剪力墻；時程分析

摘要：對唐山市玉田縣某中學(xué)宿舍樓采用薄鋼板剪力墻加固法進(jìn)行加固改造，運用PKPM軟件和SAP2000有限元軟件對加固前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，分析結(jié)果表明加固改造后結(jié)構(gòu)的抗震性能有大幅度提高，可以滿足規(guī)范的要求，采用薄鋼板剪力墻加固既有結(jié)構(gòu)具有良好的減震效果和社會經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的可應(yīng)用性，在建筑抗震加固領(lǐng)域?qū)懈L遠(yuǎn)的發(fā)展。

0 引 言

由于自然災(zāi)害、長期疲勞等使建筑結(jié)構(gòu)在使用過程中可能發(fā)生損傷，導(dǎo)致建筑不能達(dá)到正常安全使用的要求，嚴(yán)重時還可能使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體性破壞，造成人身、經(jīng)濟(jì)損失。因此，有必要對某些超過設(shè)計使用年限、改變使用功能或有安全隱患的已有建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定加固。薄鋼板剪力墻加固法的主要特點[1]是施工工藝簡單，現(xiàn)場濕作業(yè)少，施工過程中對生活和生產(chǎn)影響小，加固后對原結(jié)構(gòu)外貌、凈空、使用功能無明顯改變，就地取材容易，加固成本低，易于大范圍推廣，加固后墻體可以作為剪力墻，能夠提高結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度從而提高抗震能力，使得原有建筑達(dá)到國家抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

1 工程概況

本工程是2002年設(shè)計并施工的一棟四層框架結(jié)構(gòu)中學(xué)宿舍樓，位于河北省唐山市玉田縣，建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度分布基本均勻規(guī)則，層數(shù)為4，跨數(shù)為6×2，層高均為3.0m。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度0.15g，抗震等級為三級，Ⅱ類場地，設(shè)計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35s。汶川地震后我國頒布了新的建筑抗震設(shè)計規(guī)范，將中小學(xué)校、幼兒園、醫(yī)院等建筑的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)由丙類提升為乙類重點設(shè)防，唐山地區(qū)考慮本地的實際情況，根據(jù)地方標(biāo)準(zhǔn)將上述建筑的抗震設(shè)防烈度提高一度考慮，因此就要對本工程進(jìn)行抗震能力評估，經(jīng)評估該工程在8度區(qū)多項抗震構(gòu)造措施不能滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求，采用SAP2000有限元軟件對原工程進(jìn)行非線性時程分析，本工程最大層間位移角為1/489，大于規(guī)范要求的層間位移角限值1/550，因此結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行抗震加固改造。

2 結(jié)構(gòu)抗震分析及加固方案設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)實際尺寸、材料、荷載等，按照現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在PKPM軟件中進(jìn)行建模計算。進(jìn)行SATWE有限元分析，計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)在地震作用下 X方向的最大值層間位移角為1/507大于規(guī)范限值。進(jìn)行結(jié)構(gòu)承載力計算，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一層柱B/2、B/3、B/4、B/5、B/6（共5根）軸壓比分別為0.93、0.87、0.86、0.87、0.93大于規(guī)范規(guī)定的軸壓比限值0.75，一層16根柱、二層21根柱、三層18根柱現(xiàn)有配筋不能滿足設(shè)計要求，因此，結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行加固改造。

2.2加固方案設(shè)計

貼薄鋼板剪力墻加固將原有建筑由框架結(jié)構(gòu)改變成框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的受力性能更加合理，同時新增加的剪力墻可以承擔(dān)結(jié)構(gòu)的大部分內(nèi)力，增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，有效控制結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。根據(jù)規(guī)范的要求，剪力墻應(yīng)沿結(jié)構(gòu)全高布置，避免產(chǎn)生剛度突變，盡量布置在結(jié)構(gòu)周邊、樓梯間附近，各剪力墻之間的距離不宜太大，應(yīng)均勻、分散、對稱布置。本工程采用2mm厚的Q235B薄鋼板沿結(jié)構(gòu)全高貼在A-D軸交1軸、4軸、7軸，A軸交1-2軸、3-5軸、6-7軸，D軸交1-2軸、3-5軸、6-7軸之間的墻體上形成薄鋼板剪力墻加固框架結(jié)構(gòu)，鋼板通過魚尾板與周邊框架連接，有洞口的墻體在洞口周邊布置水平、豎向邊緣加固構(gòu)件來減小洞口對鋼板承載能力的削弱。

由于薄鋼板在水平荷載作用下非常容易發(fā)生屈曲，水平荷載主要以拉力方式傳遞，為了簡化分析，當(dāng)鋼板的長細(xì)比大于1500時，可以把薄鋼板簡化成等間距交叉布置的斜拉帶模型[2]，進(jìn)行模擬地震作用有限元分析。根據(jù)以往研究[3]中得出的公式計算，在本工程中可以將每片加固的薄鋼板簡化成20條傾角為45°交叉布置的斜拉帶，斜拉帶可以由拉桿來進(jìn)行模擬，拉桿的材料屬性與薄鋼板相同，對每根拉桿桿端釋放彎矩和扭矩來實現(xiàn)拉桿與周邊框架梁、柱的鉸接。

3 加固效果分析

3.1 模態(tài)分析

加固前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析周期和頻率對比結(jié)果見表1。

從以上對比中可以看出，貼薄鋼板剪力墻加固后結(jié)構(gòu)的周期減小，頻率增大，結(jié)構(gòu)的剛度有大幅度增加，結(jié)構(gòu)的動力能有很大改善。

3.2 非線性時程分析

采用SAP2000有限元軟件在8度0.2g條件下對加固前后的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行常遇地震作用下的非線性動力時程分析，地震波選用唐山波-南北向，加速度峰值為55.49cm/s?，步長取0.01s，持續(xù)時間15s。由分析結(jié)果可以看到，薄鋼板剪力墻加固后結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度明顯增大，層間位移角得到了很好的控制，降幅在71%到92%之間，最大層間位移角為1/1726，能夠滿足規(guī)范的要求，加固前后結(jié)構(gòu)在地震波作用下的層間位移角對比見圖1。

圖1 唐山波作用下樓層位移角

4 結(jié) 語

通過對本工程的加固改造設(shè)計，證明了薄鋼板剪力墻加固技術(shù)具有以下優(yōu)點：施工工藝簡單，施工現(xiàn)場基本無濕作業(yè)，造價低，工期短。可以在保持原建筑外貌、使用空間不變的條件下，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。薄鋼板剪力墻加固技術(shù)的確能取得良好的加固效果和社會經(jīng)濟(jì)效益，具有很好的可應(yīng)用性，在日后的建筑抗震加固中將會有廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔡克栓，林盈成，林志翰.鋼板剪力墻抗震行為與設(shè)計[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展，2007，9（5）：19-25.

[2] 蘇幼坡，劉英利，王紹杰.薄鋼板剪力墻抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2002， 22 （4）： 81-84.

[3] 孫國華，顧強，何若全，方有珍.基于等效拉桿模型的薄鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)滯回性能分析[J]建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2013，30（1）：38-48.