某混凝土商住樓加層方案選型與結(jié)構(gòu)分析

任絨絨 盧 竟

(1.西山煤電集團設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030024)

?

某混凝土商住樓加層方案選型與結(jié)構(gòu)分析

任絨絨1盧 竟2

(1.西山煤電集團設(shè)計院(有限公司)，山西 太原 030024; 2.煤炭工業(yè)太原設(shè)計研究院,山西 太原 030024)

對山西某商住樓加層改造工程的基礎(chǔ)加固與加層方案的選型進行了分析，并利用有限元分析軟件MIDAS/GEN，對加層方案結(jié)構(gòu)進行了分析比對，同時對結(jié)構(gòu)阻尼比數(shù)值的選取作了探討，最后從技術(shù)可行性出發(fā)，確定了加層方案，為今后類似工程施工提供參考。

基礎(chǔ)加固，結(jié)構(gòu)性能，加層方案，阻尼比

0 引言

近年來，我國既有建筑物加層改造的數(shù)量在逐年增多，加層層數(shù)也屢創(chuàng)新高。隨之也帶來了諸如地基基礎(chǔ)加固、主體加層方案的選擇以及結(jié)構(gòu)阻尼比值選取等一系列問題。由于相關(guān)設(shè)計規(guī)范在這些問題方面的欠缺，導(dǎo)致設(shè)計人員在復(fù)雜情況下分析手段明顯不足。

1 工程概況[1]

山西某五層混凝土框架結(jié)構(gòu)平面尺寸為67.7 m×44.5 m，丙類建筑，設(shè)計使用年限50年，安全等級為二級，7度抗震設(shè)防，設(shè)計基本加速度0.15g，場地類別為Ⅱ類。結(jié)構(gòu)因功能需要進行加層改造，結(jié)構(gòu)由原主體5層加至主體20層，地上1層～5層為超市，6層及6層以上為住宅。大廈建成效果圖見圖1，加固前首層柱布置圖見圖2。

2 基礎(chǔ)加固

由勘察結(jié)果可知，本工程場地土類型為中硬，地基承載力滿足加層需要(承載力特征值為300 kPa)不需做加固處理，但原結(jié)構(gòu)加層后，原獨立基礎(chǔ)形式已經(jīng)不能滿足要求，因此選用筏板基礎(chǔ)對獨立基礎(chǔ)進行加固，如圖3所示。

為了模擬加固后的獨立基礎(chǔ)與筏板共同參與工作，使用PKPM的基礎(chǔ)設(shè)計模塊JCCAD，把復(fù)合基礎(chǔ)看成是在柱下局部對平板式筏板基礎(chǔ)的加厚，將模型簡化后進行分析計算確定加固筏板主體厚度在滿足柱下沖切和內(nèi)筒沖剪要求的最小厚度為1.25 m。

基礎(chǔ)沉降量值[2]是衡量基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置是否合理的重要指標。模型沉降計算值較為均勻，且與實測值在分布規(guī)律上基本一致：場地北側(cè)和東側(cè)沉降值較大，中部沉降值偏小，如圖4所示。根據(jù)與實際測量的沉降值比較，數(shù)值相差不大。

3 加層結(jié)構(gòu)性能分析

3.1 加層方案的提出

考慮到本項目加層層數(shù)較多，加層后結(jié)構(gòu)差異性較大，所以擬建兩種不同的加層結(jié)構(gòu)體系進行比較分析，分別為方案一：框架剪力墻+混凝土框架剪力墻；方案二：框架剪力墻+鋼框架支撐。底層剪力墻平面布置見圖5。

3.2 組合結(jié)構(gòu)的阻尼比[3-5]

阻尼比是反映結(jié)構(gòu)耗能能力強弱的重要參數(shù)，對結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)有著重要影響。目前國內(nèi)規(guī)范只對單一結(jié)構(gòu)的阻尼比的取值做出了規(guī)定，而對于非比例阻尼(即結(jié)構(gòu)上下部分采用不同的材料)并未做出明確說明。阻尼比的取值直接關(guān)系到地震作用的大小，因此對于混合結(jié)構(gòu)采用單一的阻尼比顯然是不合理的。求解非比例阻尼一般采用應(yīng)變能法[6]，得出阻尼比公式：

其中，ED(i,n)為第i振型第n個單元的耗散能；Es(i,n)為第i振型第n個單元的應(yīng)變能；φn為第n個單元第i振型的振型位移，ωi為第i振型的圓頻率；ξn為第n個單元結(jié)構(gòu)的阻尼比；Kn為第n個單元的剛度矩陣。

由公式可知：組合加層結(jié)構(gòu)的阻尼比等于各加層部分阻尼比的應(yīng)變能加權(quán)平均，即混凝土加層方案的阻尼比取0.05，而鋼結(jié)構(gòu)加層方案的阻尼比取值應(yīng)在0.02～0.05區(qū)間內(nèi)。本次設(shè)計采用MIDAS有限元軟件結(jié)合應(yīng)變能法得出了鋼結(jié)構(gòu)加層體系的前30個振型阻尼比，見表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)加層應(yīng)變能阻尼比

應(yīng)變能阻尼比見圖6，鋼結(jié)構(gòu)加層模態(tài)振型見圖7。

從各個振型阻尼比的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：基本振型混凝土和鋼結(jié)構(gòu)都參與振動，兩者應(yīng)變能相當，故組合結(jié)構(gòu)阻尼比接近混凝土和鋼結(jié)構(gòu)阻尼比的均值0.035，中間振型鋼結(jié)構(gòu)參與振動的應(yīng)變能較多，故組合結(jié)構(gòu)阻尼比受鋼結(jié)構(gòu)影響較大，數(shù)值接近0.02，高階振型中混凝土結(jié)構(gòu)剛度貢獻較大，故阻尼比受混凝土結(jié)構(gòu)影響較大，數(shù)值接近0.05。

3.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算分析

1)計算假定。計算中采用如下假定：加層結(jié)構(gòu)框架部分與原混凝土結(jié)構(gòu)剛接，樓板為剛性樓板，平面內(nèi)剛度無限大，不考慮平面外的剛度、圍護墻板對整體結(jié)構(gòu)分析的有利作用。

2)荷載取值。本次計算分析主要分別考慮風荷載和水平地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形情況。

3.4 計算結(jié)果

內(nèi)力計算結(jié)果見表2，表3。

表2 方案一計算結(jié)果

表3 方案二計算結(jié)果

由內(nèi)力計算結(jié)果可知：兩種加層結(jié)構(gòu)的剪力、彎矩、位移均相差不大，但由于方案二中鋼結(jié)構(gòu)加層層數(shù)較多，使其振動的基本周期明顯增大，故相比混凝土結(jié)構(gòu)體系偏“柔”，兩種不同方案均能滿足結(jié)構(gòu)變形和安全要求，但是鋼結(jié)構(gòu)加層方案在新舊結(jié)構(gòu)連接處，不論是剪力還是層間位移都存在較大的突變，即新舊結(jié)構(gòu)體系剛度不匹配，屬于結(jié)構(gòu)的薄弱層，設(shè)計時應(yīng)對薄弱層進行驗算。

4 結(jié)語

1)利用簡化模型的分析計算，驗證了獨立基礎(chǔ)采用筏板加固法方案的可行性。根據(jù)模型計算沉降值與實測值的比對，證明了簡化模型準確反映了真實情況。 2)混凝土加層體系上、下部分均為混凝土結(jié)構(gòu)，因此建議加層后結(jié)構(gòu)的阻尼比仍然取0.05。對于鋼結(jié)構(gòu)加層體系采用單一的阻尼比值，難以精確地計算實際結(jié)構(gòu)的動力特性，建議選取2%～5%之間的多個值進行試算，最后根據(jù)建筑物的重要性確定合適的阻尼比。 3)內(nèi)力分析結(jié)果表明,鋼結(jié)構(gòu)加層層數(shù)較多時,在新舊結(jié)構(gòu)銜接處，層間剪力和位移存在較大的突變，屬于結(jié)構(gòu)薄弱層，必要時，設(shè)計應(yīng)考慮減震、隔震措施。

[1] 盧 竟.山西某混凝土高層商住樓(5層+15層)加層結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D].太原:太原理工大學碩士學位論文,2012.

[2] 張家啟，李國勝.建筑結(jié)構(gòu)檢測鑒定與加固設(shè)計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[3] 石 晶，石 巍.舊建筑物加層改造的研究[J].黑龍江水利科技，2002(3)：99-100.

[4] 趙干榮，金 旭，張建明.阻尼計算方法對輕鋼增層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[J].四川建筑科學研究，2009,35(2)：168-170.

[5] 劉 陽.混合結(jié)構(gòu)加層阻尼比討論[J].科學之友，2011(15)：79-80.

[6] 薛彥濤，韋承基.采用不同材料加層時結(jié)構(gòu)阻尼比計算方法(應(yīng)變能法)[J].工程抗震與加固改造，2008,30(2)：162-164.

Story-adding scheme selection and structural analysis of the concrete commercial-residential building

Ren Rongrong1Lu Jing2

(1.XishanCoalPowerGroupDesignInstituteCo.,Ltd,Taiyuan030024,China;2.TaiyuanDesignResearchInstituteforCoalIndustry,Taiyuan030024,China)

The paper analyzes the foundation reinforcement and story-adding scheme selection of the commercial-residential building story-adding transformation project in Shanxi province, analyzes and compare the story-adding scheme structure by applying the finite element software MIDAS/GEN, explores the structural damping ration value selection, and finally determines the story-adding scheme staring from the aspect of technological feasibility, which has provided some guidance for similar engineering construction in future.

foundation reinforcement, structural performance, story-adding scheme, damping ratio

2016-11-20

任絨絨(1985- )，女，碩士，助理工程師； 盧 竟(1986- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)04-0059-03

TU375

A