外包鋼加固節(jié)點對輕鋼加層結(jié)構(gòu)的整體抗震性能研究

蒲靜

關(guān)鍵詞： 加兩層鋼框架 外包鋼加固 模態(tài)分析 抗震性能

中圖分類號： TU352.11;TU392.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）15-0122-04

一些發(fā)達(dá)國家的城市建設(shè)的發(fā)展，自二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今，經(jīng)歷了以下幾個階段。（1）新建：房屋大規(guī)模新建，城市建設(shè)加快。（2）維修：在新建房屋的同時，原有房屋也進(jìn)行基礎(chǔ)性的維修。（3）改造：對原有房屋的功能不滿足要求的情況下，進(jìn)行加固與現(xiàn)代化改造[1]。我國建筑行業(yè)在二十世紀(jì)七八十年代迅速發(fā)展起來，但是許多城市是在占用郊區(qū)大量農(nóng)田和耕地的基礎(chǔ)上不斷建新低層或多層的房屋，或是在大量拆除舊的低層樓房的基礎(chǔ)上不斷大量重建高樓[2]。而這些建筑現(xiàn)已不能滿足現(xiàn)有的抗震功能和需求，加上這些結(jié)構(gòu)在自然和人為的破壞下，使其逐步進(jìn)入老齡期。為了對這些建筑的再次利用，提出對原有建筑加鋼結(jié)構(gòu)這一方法，在一定程度上擴(kuò)大了原建筑的使用面積，增加新的使用功能，節(jié)約成本，更重要的是加強(qiáng)抗震，延長建筑使用年限。

近年來，輕鋼加層因改造快、抗震性能較好等獨特的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。輕鋼加層是在原有下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在上部增加鋼框架結(jié)構(gòu)，但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)之間的剛度有著很大的差別，使加層結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接處成為薄弱層[3]，抗震性能大大減弱，因此需要對下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理，可以選用的方法有加大截面加固法、增補(bǔ)受拉鋼筋、外部粘鋼加固法、外包鋼加固法等方法[4-5]。研究采用外包鋼加固法對擴(kuò)建項目進(jìn)行加固，并運用ABAQUS 有限元軟件建立模型進(jìn)行研究。外包鋼加固方式如圖1 模型所示，在上部結(jié)構(gòu)（輕鋼結(jié)構(gòu)）和下部結(jié)構(gòu)（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）的連接層處梁柱節(jié)點核心區(qū)端500 mm 范圍內(nèi)，分別對混凝土梁及柱端黏貼鋼板進(jìn)行加固。梁端的角鋼與鋼板進(jìn)行焊接使其拉結(jié)形成一個整體，再使用粘鋼膠將鋼板與混凝土之間的空隙填滿[6]；節(jié)點柱則用焊接鋼板與膨脹螺栓共同固定角鋼，同樣在鋼板與混凝土之間的空隙之間填滿粘鋼膠。圖2 為外包鋼加固節(jié)點模型。

1 有限元整體模型的建立

1.1 工程背景

某三層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓，長度為16.8 m，寬度為7.2 m，層高為3.6 m。圖3 為結(jié)構(gòu)平面布置圖。運用ABAQUS 有限元軟件建立3 種模型，即YSC 模型（原有三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)）、JLC 模型（加兩層鋼框架結(jié)構(gòu)）、WBGJLC 模型（外包鋼加固的加兩層鋼框架結(jié)構(gòu)），具體如圖4 所示。

構(gòu)件截面尺寸見表1，其中，原有結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土柱梁用Z1、L1～L3 表示，加層結(jié)構(gòu)中鋼柱、鋼梁用GZ1、GL1～GL4表示。厚度為2 mm外包鋼用WB1～WB3表示，50 mm×50 mm 的外包角鋼用WBJG1～2 表示，WBJG1、2長度分別為500 mm、1 000 mm。

1.2 模型建立分析

（1）本構(gòu)關(guān)系建立，混凝土采用塑性損傷模型；鋼板和鋼筋都采用其中的雙線性隨動強(qiáng)化模型。（2）單元設(shè)置：混凝土、鋼柱采用三維八節(jié)點減縮積分格式的實體單元（C3D8R）；鋼筋采用三維2 節(jié)點線性桁架單元（T3D2）；外包鋼采用四節(jié)點減縮積分殼單元（S4R）。（3）接觸設(shè)置：鋼柱底板與混凝土柱之間設(shè)為綁定約束（Tie）；外包鋼與混凝土柱和梁之間也設(shè)為綁定約束（Tie），這是源于外包鋼與混凝土之間是用粘鋼膠連接。（4）鋼筋混凝土構(gòu)件中，對鋼筋使用嵌入?yún)^(qū)域約束（Embeded ergion）嵌入混凝土中，不考慮兩者之間的粘結(jié)滑移[7]。

2 模態(tài)分析

研究采用分塊lanczos 法[7]對3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，并提取前八階周期列于表2，外包鋼加固的輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)的前四階振型如圖5 所示。從表2 中可以看出只兩加層結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，自振周期加長；外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)與只加層結(jié)構(gòu)相比，自振周期減小。原結(jié)構(gòu)的第一周期為0.374 4，加層結(jié)構(gòu)為0.547 5，外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)為0.547 0。

從振型圖5 中可以發(fā)現(xiàn)，JLC 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小，原結(jié)構(gòu)的整體第二層和加層結(jié)構(gòu)的底層是薄弱層出現(xiàn)位置，而且JLC 結(jié)構(gòu)在地震作用下變形為“不均勻”剪切型，存在地震能量集中[8]。

3 反應(yīng)譜分析

從地震力控制作用研究，發(fā)現(xiàn)X 方向的地震力起到控制作用，因為結(jié)構(gòu)的Z 方向尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X 方向，阻尼比選取建筑結(jié)構(gòu)（0.05）、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（0.05）、輕鋼加層（0.035）。建筑結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）確定[9]。加層的阻尼比由張濤的研究可確定[10]。采用振型分解反應(yīng)譜對3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到各樓層的水平最大位移和層間位移角如圖6 所示。

最大層間位移角即薄弱層所在層，由圖6（a）、圖6（b）可以得到，在YSC、JLC、WBJLC 這3 種結(jié)構(gòu)模型中均出現(xiàn)在第二層。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）規(guī)定，彈性層間位移角限值分別為1/550（鋼筋混凝土框架）、1/250（多、高層鋼結(jié)構(gòu)）。由圖6 可知，3 種結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角滿足要求[7]。

外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)與加層結(jié)構(gòu)的最大水平位移和層間位移在第一層、第二層時比較接近，但外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)的最大水平位移在第三層、第四層、第五層時最大水平位移共同減小，而層間位移角只在第三層時大幅度減小，這正是源于外包鋼的加固作用，使下層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與上層的鋼框架結(jié)構(gòu)的變形更加協(xié)調(diào)，加強(qiáng)這兩種之間的連接，有效減弱了薄弱層的位移，從而可以有效減弱頂部的鞭梢效應(yīng)。

4 結(jié)論

本文運用ABAQUS 有限元軟件對外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析，得出以下結(jié)論：（1）輕鋼加層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小，JLC 結(jié)構(gòu)模型在模態(tài)分析中振型圖明顯呈現(xiàn)彎剪變形；（2）三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與加層結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在第二層，并滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）的要求；（3）外包鋼的加固，上層的鋼框架結(jié)構(gòu)與下層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形更加協(xié)調(diào)，加強(qiáng)這兩種之間的連接，對薄弱層的位移較大減弱，從而對頂部的鞭梢效應(yīng)有效減弱，更具抗震性。