異形鋼支撐加固鋼筋混凝土框架的設(shè)計(jì)研究

秦旭飛　（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽　合肥　230001）

異形鋼支撐加固鋼筋混凝土框架的設(shè)計(jì)研究

秦旭飛（安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽合肥230001）

對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的加固，采用常規(guī)的加固方式，從構(gòu)件加固層次提高建筑的抗震性能，造價(jià)高、施工復(fù)雜，而且效果也不明顯。必須從改變結(jié)構(gòu)體系層次進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，在框架中合適位置加設(shè)鋼支撐種改變建筑結(jié)構(gòu)體系，能有效地提高建筑物的抗震能力，增加結(jié)構(gòu)的冗余度和抗震第二道防線。文章結(jié)合工程實(shí)例，從設(shè)計(jì)的角度，分析了鋼支撐加固的設(shè)計(jì)原則及加設(shè)鋼支撐后原結(jié)構(gòu)的性能變化。分析表明，利用加設(shè)鋼支撐改變結(jié)構(gòu)的受力體系，可以明顯改進(jìn)結(jié)構(gòu)的剛度和延性，提高建筑物的抗震能力。

抗震加固；鋼筋混凝土框架；異形鋼支撐

0　前言

隨著中小學(xué)建筑抗震設(shè)防等級(jí)的提高，中小學(xué)校舍工程抗震鑒定和加固設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的框架結(jié)構(gòu)校舍，存在著較大的安全隱患，尤其是校舍中存在大量的底層架空、單跨框架結(jié)構(gòu)。對(duì)于框架結(jié)構(gòu)的加固，采用常規(guī)的加固方式，從構(gòu)件加固層次提高建筑的抗震性能，不但造價(jià)高、施工復(fù)雜，而且效果也不明顯。必須從改變結(jié)構(gòu)體系層次進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，例如采用加設(shè)剪力墻、加設(shè)減震阻尼支撐、加設(shè)鋼支撐、加設(shè)混凝土翼墻、懸挑走廊加柱等體外加固方法改變結(jié)構(gòu)型式。與其它加固方法相比，后加鋼支撐加固框架結(jié)構(gòu)，具有費(fèi)用少、自重輕、布置靈活、占用室內(nèi)空間小等優(yōu)點(diǎn)，是一種經(jīng)濟(jì)和功能效果俱佳的加固方法。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼框架的偏心鋼支撐研究較為成熟，并陸續(xù)提出了一些理論。但鋼支撐加固鋼筋混凝土框架的研究和工程實(shí)例相對(duì)較少，本文就采用異形鋼支撐進(jìn)行底層架空框架抗震加固的實(shí)例分析。

1　工程簡(jiǎn)介

巢湖二中教學(xué)綜合樓為五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積8948m2（按抗震縫分A區(qū)：4178m2，B區(qū)：4770m2），（A區(qū)）建筑平面布置示意圖如圖1所示，抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。建筑原設(shè)計(jì)抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》現(xiàn)抗震設(shè)防類(lèi)別提高為乙類(lèi)。

巢湖二中教學(xué)綜合樓（A區(qū)）加固工程為例分析異形鋼支撐加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的效果。

圖1　（A區(qū)）建筑平面布置示意圖

2　加固設(shè)計(jì)方案選擇

2.1抗震加固思路

結(jié)構(gòu)體系是決定房屋綜合抗震能力的關(guān)鍵因素，當(dāng)原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系明顯不合理時(shí)，首先采取措施改變、改善或優(yōu)化結(jié)構(gòu)體系，著重于提高承載力和變形能力，即采取減小地震作用的方法。使加固后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度分部較均勻、對(duì)稱(chēng)，能最大限度地改善構(gòu)件的受力狀況，避免大范圍對(duì)構(gòu)件進(jìn)行加固處理。

2.2加固設(shè)計(jì)方案

根據(jù)工程工程鑒定情況，巢湖二中教學(xué)綜合樓（A區(qū)）按C類(lèi)鋼筋混凝土框架進(jìn)行抗震鑒定，綜合樓建筑平面及豎向剛度不規(guī)則，底層較高且架空，使底層側(cè)向剛度相對(duì)薄弱，地震作用下的位移角大于1/ 550，底層部分框架柱軸壓比等多項(xiàng)指標(biāo)不滿足規(guī)范要求。根據(jù)鑒定及建筑實(shí)際情況，通過(guò)比較多種加固方式，如加設(shè)混凝土翼墻、加設(shè)屈曲約束支撐、加設(shè)異形鋼支撐。

2.2.1加設(shè)混凝土翼墻

通過(guò)計(jì)算分析，在結(jié)構(gòu)豎向荷載較大處加設(shè)混凝土翼墻能有效降低抗震能力薄弱的框架柱、梁的地震作用，減少水平方向的側(cè)移，提高結(jié)構(gòu)的整體性。但加設(shè)混凝土翼墻存在諸多不利因素。首先，新增剪力墻應(yīng)對(duì)稱(chēng)、均勻布置在建筑平面的各個(gè)區(qū)段，且豎向應(yīng)連續(xù)布置，避免上部樓層剛度突變；第二，施工中新增剪力墻與原框架梁柱的連接及基礎(chǔ)處理問(wèn)題；第三，對(duì)本工程來(lái)講，工程量較大，工期較長(zhǎng)，且影響上部樓層的正常教學(xué)使用。

2.2.2加設(shè)屈曲約束支撐

加設(shè)屈曲約束支撐是一種非常好的加固方法，對(duì)于本工程也非常適用，通過(guò)計(jì)算分析，在A區(qū)底部架空層局部設(shè)置人字形屈曲約束支撐（同異形鋼支撐布置方式），即可滿足抗震加固要求。但屈曲約束支撐工藝及節(jié)點(diǎn)連接較為復(fù)雜，應(yīng)由專(zhuān)業(yè)廠家加工、制作、安裝，造價(jià)較高。

2.2.3加設(shè)加設(shè)異形鋼支撐

本工程采用的異形鋼支撐加固底部架空層，適度的減小薄弱層的框架柱、梁的地震作用，提高側(cè)向剛度，即滿足抗震加固要求。相對(duì)于屈曲約束支撐，異形鋼支撐結(jié)構(gòu)布置靈活，構(gòu)件加工方便，節(jié)點(diǎn)連接簡(jiǎn)單，對(duì)原結(jié)構(gòu)影響較小，施工難度低，節(jié)省材料。

綜合考慮加固效果、施工及經(jīng)濟(jì)等方面因素，選擇在柱間增設(shè)異形鋼支撐方案進(jìn)行加固，通過(guò)在一層橫向及縱向布置角鋼組合截面的異形鋼支撐，支撐布置盡量對(duì)稱(chēng)。鋼支撐布置示意圖如圖2所示，鋼支撐立面布置圖如圖3、4所示。

圖2　鋼支撐平面布置示意圖（陰影區(qū)域?yàn)橹尾贾梦恢茫?/p>

圖3　異形鋼支撐立面布置示意圖

圖4　支撐節(jié)點(diǎn)示意圖

3　異形鋼支撐加固效果分析

3.1抗震承載力驗(yàn)算

本文選取A區(qū)采用PKPM軟件建模計(jì)算，按巢湖地區(qū)6度抗震設(shè)防進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析，建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。支撐加固對(duì)底層梁柱配筋有較大影響，與支撐相連接的部分梁柱的配筋量大幅降低，對(duì)比首層框架梁柱支撐加固前后的配筋，未加支撐榀的框架梁柱配筋都滿足要求，加固效果非常明顯，選取②～③軸計(jì)算結(jié)果比較如圖5所示。

圖5　支撐加固前后的梁柱配筋對(duì)比

3.2地震作用下層間位移角和樓層位移比

由表1、2可知，在水平地震力作用下，X、Y方向?qū)娱g位移角分別為1/645、1/462，其中Y向超過(guò)規(guī)范要求，框架抗側(cè)移剛度不足。支撐加固后層間位移角顯著減小，層間位移角控制在規(guī)范限值內(nèi)。

地震作用下樓層最大層間位移角　表1

最大層間位移與平均層間位移比　表2

3.3支撐加固前后樓層剛度比及地震周期

原結(jié)構(gòu)二層為薄弱層，采用鋼支撐加固，結(jié)構(gòu)剛度提高顯著，消除了薄弱層；底層X(jué)、Y向剛度增加了近1倍。地震作用下結(jié)構(gòu)自震周期及相應(yīng)的振型特性如表3。

結(jié)構(gòu)自震周期及相應(yīng)的振型特性　表3

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)A區(qū)底部架空層增設(shè)異形鋼支撐，解決了A區(qū)的底層薄弱層及位移角過(guò)大的問(wèn)題，有效減小了結(jié)構(gòu)的側(cè)移，對(duì)結(jié)構(gòu)配筋信息的分析，采用支撐加固后相對(duì)于加固前（均按二級(jí)框架計(jì)算），各層層間剪力雖然略有增加，但消除了底層薄弱層，框架梁柱配筋反而減小10%～30%；改善了體系的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，使構(gòu)件的內(nèi)力分布更加合理，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。同時(shí)較大地提高框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和承載力，并有效調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力分配。這種門(mén)式異形鋼支撐外形美觀，對(duì)底層大空間的功能沒(méi)有影響，同時(shí)具有施工簡(jiǎn)單、方便、造價(jià)低和擾動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)。

TU375.4

A

1007-7359（2016）04-0111-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.044

秦旭飛（1982-），男，安徽無(wú)為人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，學(xué)士；工程師，主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。