單跨框架改多跨框架結構的抗震性能分析★

楊小衛，李夢園，雷立志，胡江春

(1.中原工學院建筑工程學院,河南 鄭州 450007; 2.武漢弘泰建筑工程質量檢測有限公司,湖北 武漢 430074)

0 引言

鋼筋混凝土框架結構抗震體系為框架,單跨框架結構比多跨框架結構體系超靜定次數較少、冗余度很低,在遭受地震作用時,一旦框架破壞,抗震體系即失效,嚴重時會發生倒塌(見圖1),不能達到“大震不倒”的設防目標[1]。由于單跨框架對抗震具有明顯的不利因素,現行抗震規范[2]不建議使用單跨框架結構。現存的單跨框架結構多為教學樓,屬于重點設防類建筑,一般均要求進行加固處理[3]。

單跨框架加固方法主要有兩大類:一類是增加多余約束,將部分單跨框架改為多跨框架[4](見圖2);一類為改變結構體系,通過在適當部位增設一定數量的支撐或抗震墻等使結構形成多道抗震防線[5-6]。在單跨教學樓走廊外端增設框架柱達到增加結構超靜定次數的抗震加固方案由于其畫圖簡單、施工方便而成為較多工程的選擇。實際在結構加固設計中,由于原有的結構體系變形已基本完成且穩定,部分設計師不考慮新增構件產生的荷載重分布作用,造成難以評估新增框架柱形成連續框架結構的實際抗震能力,本文主要通過工程實例探討設計時新增框架柱是否考慮豎向荷載分擔對抗震性能的影響。

1 工程實例

1.1 工程概況

一棟5層鋼筋混凝土框架結構中學教學樓,建于20世紀90年代,層高均為3.6 m,抗震設防烈度7度(0.15g),設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類。柱下獨立基礎高度為0.6 m,埋深為2.1 m。結構的混凝土強度等級為C30,梁、柱縱筋為HRB335,箍筋和樓板鋼筋為HRB235。樓面活荷載為3.5 kN/m2,屋面活荷載為2.0 kN/m2。板厚為120 mm,梁、柱截面尺寸及結構平面如圖3所示。采取在走廊外側新增框架柱的方法進行抗震加固,加固后的結構平面布置如圖4所示。

1.2 分析模型

如圖5所示,利用有限元軟件sap2000V22[7]建立結構的彈塑性分析模型,其中框架梁、柱用纖維梁單元模擬,樓板用分層殼單元模擬,混凝土本構模型采用文獻[8]中的混凝土單軸應力-應變關系模型,并考慮箍筋的約束作用,鋼筋用理想的雙折線彈塑性模型。為提高計算效率,本次分析僅考慮一榀框架。根據單元生死技術,將是否考慮原框架柱的實際受力狀態作為抗側力彈塑性分析的初始條件。其中,model-1為不考慮原框架柱的實際受力狀態而進行整體分析(如圖6所示),相當于新增柱與原結構一次施工形成;model-2為進行豎向二次受力后的整體分析,考慮各構件實際的受力狀態,并作為時程分析的初始條件(如圖7所示)。

1.3 地震波的選擇

根據抗震規范,選取了兩條天然地震波和一條人工波,如圖8所示。對比抗震規范中的設計反應譜,結構在5%阻尼比下主要周期點的地震波反應譜如圖9所示,可以看出,選取的三條地震波滿足抗震規范的相關規定。

2 加固后結構的抗震性能

2.1 底部剪力-頂點位移曲線比較

如圖10所示,在彈性階段,兩種模型計算的結構底部剪力-頂點位移曲線斜率相同,說明結構的彈性抗側剛度基本相同。在達到屈服后,model-1的底部剪力-頂點位移曲線斜率減小,即抗側剛度下降,但承載力繼續增加,達到極限承載力4 291 kN后急劇下降;而model-2的底部剪力-頂點位移曲線斜率接近于零,即抗側剛度降為零,表現出雙折線型的彈塑性曲線,極限承載力與屈服承載力接近。可見,不考慮原框架柱的實際受力狀態的抗震性能設計可能會高于結構的極限抗震承載能力。

2.2 結構樓層位移與層間位移角

地震作用下結構的最大樓層位移和最大層間位移角分別見圖11,圖12和表1,在設防地震、罕遇地震作用時,model-1結構頂點位移分別比model-2減小了5.54%和5.86%。在罕遇地震時,model-1結構的最大層間位移角比model-2減小了13.3%。由此可見,不考慮原框架柱實際受力狀態的抗震性能設計,可能導致頂點最大位移計算偏小、罕遇地震下彈塑性層間位移角計算偏小的不利結果,高估了結構抗震性能。

3 結論

在單跨框架結構教學樓的走廊外端增設框架柱,可以增加結構的超靜定的次數,從而提高抗震性能,這是單跨框架結構抗震加固中常用的方法。在這類結構的實際加固設計中,由于原結構體系的變形以及傳力路徑已基本完成并穩定。根據分析,改造形成的連續框架與一次建設形成的連續框架相比構件內力有顯著差異,實際加固設計中有部分設計人員在設計時經常采用一次建設形成方式進行設計。本文通過某工程案例,采用彈塑性時程分析方法分析了兩種方式形成的連續框架結構的抗震性能,主要結論如下:

1)model-1和model-2的彈性抗側剛度基本相同。在達到屈服后,model-1的抗側剛度下降,但承載力繼續增加,達到極限承載力后快速下降;而model-2的抗側剛度降為零,表現出雙折線型的彈塑性曲線,極限承載力與屈服承載力接近。可見,不考慮原框架柱的實際受力狀態的改造設計可能會過高估計結構的極限抗震承載能力。

2)不考慮原框架柱實際受力狀態的改造設計,頂點最大位移計算偏小、罕遇地震下彈塑性層間位移角計算偏小,高估了結構整體“大震不倒”的能力。