某工程加固設計與網架結構共同作用分析

善忠海

摘 要：某鋼筋混凝土框架結構，由于建筑功能的改變，屋面部分拆除后更換為鋼結構網架，通過對原有工程進行加固設計，提高了原有結構的安全度，并按現行規范對加固后的混凝土結構與鋼網架進行整體共同作用分析，比較了是否考慮網架和混凝土共同作用兩種計算結果，得到網架和混凝土的共同作用程度。同時分析了網架和混凝土的阻尼不同取法對地震響應的影響程度。

關鍵詞：抗震加固；鋼網架；整體計算

1 工程概況

某工程原設計為農貿市場，改造后為三維數字社會服務管理中心，項目1993年施工建設，原農貿市場主體結構原設計為下部混凝土柱排架結構+屋面輕型鋼屋架結構（角鋼三角形桁架），房屋高度為6.00m，總長為43m，總寬為30m，中間設一排混凝土柱。原有工程抗震設防分類為丙類，抗震設防烈度為8度0.20g，設計分組為三組，場地特征周期為0.45s，結構阻尼比為0.05。原有工程基礎采用柱下鋼筋混凝土獨立基礎，地基處理為局部結合整片的2：8灰土墊層，處理后的地基承載力為180kpa。

根據結構檢測鑒定報告，農貿市場結構評價為B級（維修），經現場檢測，原柱混凝土強度設計為C20，角柱推定值為20.6，滿足原設計要求，評定為C20，其余混凝土柱推定值為16.2，低于原設計要求，評定為C15。

原農貿市場西側改造設計為汽車庫，東側改造為三維數字社會服務管理中心，由于屋面原設計不帶保溫，由于本次建筑功能改變，屋面改造為帶保溫彩鋼巖棉復合保溫板，拆除中間一排混凝土柱，跨度原設計15m增加到30m，對原建筑物按現行規范進行加固設計后，屋面結構結構形式為鋼結構網架，屋面為不上人屋面，根據《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009，本工程為C類（適用后續使用年限50年建筑），按2010系列規范采用設計內力調整系數。

2 對原有建筑結構加固改造

目前很多工程設計中將屋蓋與下部結構分開進行計算分析，對屋蓋下部鋼筋混凝土框架部分常用PKPM，YJK等軟件，上部屋蓋網架采用3D3S，MST，STWJ（PKPM模塊）等，本工程網架部分采用MST進行計算，整體計算采用YJK軟件。在對網架部分用MST計算中，考慮下部混凝土柱的剛度，按支座按彈性支承考慮。計算中網架部分桿件的控制應力比不大于0.85，網架跨中部分撓度小于短向跨度的1/250。

用YJK整體計算時對于網架等空間結構，在建模計算時在支座處設一根斜桿來模擬支座。在采用模擬施工時，必須注意施工次序的合理順序。YJK軟件在布置荷載時，可以采用蒙皮導荷（蒙皮導荷是指沿著桿件或者墻面邊界形成一個面，在該面賦值面荷載）功能，可將面荷載沿著該面的投影方向或法向進行荷載導算，將荷載導算到面的周邊節點上。根據《建筑抗震設計規范》GB 50011-2010第10.2.8條規定，屋蓋鋼結構和下部支承結構協同分析時，阻尼比應符合下列規定：（1）當下部支承結構為鋼結構或屋蓋直接支承在地面時，阻尼比可取0.02。（2）當下部支承結構為混凝土結構時，阻尼比可取0.025～0.035。本工程計算參數取值中結構阻尼比按振型阻尼比法。振型阻尼比是指針對于各階振型所定義的阻尼比。組合結構中，不同材料的能量耗散機理不同，因此相應構件的阻尼比也不相同，鋼構件取0.02，混凝土構件取0.05。對于每一階振型，不同構件單元對于振型阻尼比的貢獻認為與單元變形能有關，變形能大的單元對該振型阻尼比的貢獻較大，反之則較小。所以，可根據該階振型下的單元變形能，采用加權平均的方法計算出振型阻尼比ζi。經對原有結構增加網架后整體計算，并提取前6陣型下的周期及結構阻尼比（表1），通過分析表明第一振型以下部鋼筋混凝土框架為主，2～6振型為混合結構為主。地震作用下X向框架層間位移角滿足規范要求，Y向框架層間位移角1/406不滿足規范，鋼筋混凝土柱配筋不滿足。

針對以上驗算結果，結構加固分為直接加固與間接加固兩類，直接加固主要為增大截面加固法、置換混凝土加固法或復合截面加固法，間接加固主要采用體外預應力加固法、增設支點加固法、增設耗能支撐法或增設抗震墻法等。由于原有建筑框架柱強度等級評定為C15，本工程后續使用年限50年，為滿足混凝土結構的耐久性，綜合考慮原結構上部框架柱采用增大截面法進行加固。采加大截面法是指采用增大原構件截面面積并增配鋼筋，以提高其承載力和剛度，或改變其自振頻率的一種直接加固法。該方法施工工藝簡單，且具有成熟的設計和施工經驗，可用于本工程。框架梁采用外包型鋼加固法，對鋼筋混凝土梁、柱外包型鋼及鋼綴板焊成的構架，以達到共同受力并使原構件受到約束作用的加固方法。經加固后，結構整體計算分析，結構位移、位移比，配筋均滿足要求。對下部基礎不滿足部分采用加大基礎底面積法，該方法適用于當既有建筑物荷載增加、地基承載力或基礎底面積尺寸不滿足設計要求，且基礎埋置較淺，基礎具有擴大條件時的加固，可采用混凝土套或鋼筋混凝土套擴大基礎底面積。設計時，應采取有效措施，保證新、舊基礎的連接牢固和變形協調。

3 網架單獨計算與整體建模分析

通過網架部分網架單獨計算采用MST進行計算，與整體計算采用YJK軟件對比分析，在網架支座剛度對內力影響很大，固定鉸支座與滑動鉸支座相比，明顯減少上弦跨中桿件的內力，支座處桿件內力變化，下弦內力變化不明顯，網架和下部鋼筋混凝土結構整體計算模型與網架單獨模型內力相差較大，支座剛度越大，相差越大，支座剛度越小，相差越小。下部支承網架的混凝土結構剛度對網架內力的影響，在地震工況下的影響較大，在正常使用荷載下影響較小，支承結構的剛度越大，整體模型內力越接近單獨模型相同支座的內力。因此，在進行網架下部結構的抗震設計時，應合理考慮網架的抗彎、面內剪切及軸向剛度，對改造工程，在條件允許的條件，宜進行整體分析設計。

4 結語

綜上所述，針對原有工程改造加固設計，首先應分析結構承載力不足的結構構件，在概念上對建筑進行總體上的加固概念設計，通過空間計算軟件對加固概念設計進行復核和優化調整，使得加固方案達到安全可靠、經濟，從而滿足建設單位的使用要求，也能夠滿足后續使用年限50年的目標要求，通過對原有框架柱通過加大截面的加固方法，提高了原有結構的安全度，并按現行規范對加固后的混凝土結構與鋼網架進行整體共同作用分析，復核加固后方案可靠性，并在考慮網架結構與整體結構共同作用與分別建立模型兩種模型進行計算包絡設計，確保結構安全，

參考文獻

[1] 中國建筑工業出版社.GB50011-2010.建筑抗震設計規范，北京.

[2] 中國建筑工業出版社.GB50367-2013.混凝土結構加固設計規范.

[3] 中國建筑工業出版社.JGJ 123-2012.既有建筑地基基礎加固技術規范.

[4] 薛強，郝際平，米周林.蘭州理工大學體育館的整體分析與設計[J].鋼結構，2010第7期第25卷.

[5] 西北土木工程技術研究與進展甘肅土木工程科學研究院50周年論文集[C].蘭州大學出版社.

[6] 混凝土結構構造設計手冊（第四版）中國有色工程有限公司主編.中國建筑工業出版社.