張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

某綜合樓的加層改造和抗震性能分析研究

張 瑾

(中核新能核工業(yè)工程有限責任公司，山西 太原 030012)

以某綜合樓項目為研究背景，在已建的八層框架—剪力墻結構基礎上，新加三層鋼框架—屈曲支撐結構，從技術可行性和經(jīng)濟合理性兩方面確定了較為合理的加層方案,同時運用兩種軟件對該工程實例進行抗震分析，驗證了結構的安全性，在結構安全的前提下，進一步對結構作了罕遇地震下的結構分析，為類似工程提供參考。

框架剪力墻結構,加層改造,抗震分析,軟件

在全球經(jīng)濟迅速發(fā)展的背景下，我國城鎮(zhèn)化程度不斷加快，對建筑的需求也越來越大，但是土地資源稀缺，無法占用大量農(nóng)田新建建筑，此時對舊建筑進行加層改造就成了較為適合的方法。對既有房屋進行加層改造的優(yōu)勢很明顯，世界發(fā)達國家已經(jīng)進行了大量的研究，并且出臺了相關的規(guī)范政策[1-3]；我國學者對加層改造的研究起步較晚，但同樣也取得了不小的進展，如高劍平[4]初次嘗試了磚混房屋整體式加層振動臺試驗；呂志濤院士等進行了鋼結構—框架模型靜力試驗[5]。

本文在前人研究的基礎上，結合具體的工程實例，對框架剪力墻結構的加層改造設計及相關問題進行了探討，運用PKPM和MIDAS兩種軟件對加層后的混合結構進行了靜力分析、模態(tài)分析、振型分解反應譜分析和時程分析，并且對兩種軟件的結果進行對比，同時進行了該結構在罕遇地震下的結構分析。

1 工程概況

加層工程對象為山西某綜合樓，建于2001年，主體結構為框架—剪力墻結構，共8層，地下1層，地上7層，層高為3.6 m；采用鋼筋混凝土獨立基礎，基地標高為-6.6 m，素混凝土墊層強度為C10，基礎C35，地下1層框架梁板柱、剪力墻混凝土強度為C35，地上7層框架梁板柱、剪力墻強度為C30，其原結構平面圖見圖1。由于該工程處于黃金地段，現(xiàn)有的使用面積已不能適應社會快速發(fā)展的需要，根據(jù)甲方的意愿，擬對該工程進行規(guī)模擴大，若將原結構進行全部拆除，不僅浪費人力物力且會影響該樓的正常使用，綜合考慮采用在原框架—剪力墻結構上增加鋼框架—屈曲支撐結構的加層方法，使用功能與原結構相同。

2 加層改造設計

2.1 材料選用

加層結構材料的鋼材選用Q345-B，該鋼種強度高，綜合力學性能較好，塑性和焊接性良好，用鋼量較省，其中框架柱與支撐采用寬翼緣H型鋼，框架梁采用窄翼緣H型鋼，焊條采用E50系列。

2.2 加層方案

由于加層建筑的使用功能和平面位置與原建筑相同,而且加層層數(shù)沒有超過3層，所以采用直接加層的方法，但是該工程加層難度較大，若在原結構基礎上增加混凝土框架—剪力墻結構，則混凝土的自重較大，對下部結構的影響較大，加固量較大，所以加層結構體系采用“鋼框架+屈曲支撐體系”，外墻采用空心砌塊，可以減輕自重。采用PKPM-STS軟件，結合甲方所提供的原設計圖紙等相關資料，對綜合樓不同的加層方案從結構承載力、周期、位移、位移角、軸壓比超限、用鋼量和經(jīng)濟效益方面進行分析對比，結合現(xiàn)行規(guī)范及相關文獻，選用“H型鋼柱+H型鋼梁+H型鋼支撐”方案最為合理。其中，H型鋼柱截面尺寸為500 mm×500 mm×18 mm×20 mm，H型鋼梁截面為550 mm×200 mm×12 mm×16 mm，H型鋼支撐截面尺寸為250 mm×250 mm×9 mm×16 mm。

2.3 加固設計

根據(jù)設計文件使用SATWE軟件對原結構和加層后的結構進行模擬分析，通過對前后數(shù)據(jù)在結構內力、周期、層間位移、剛度、構件配筋等方面的對比分析，確定具體需要加固處理的結構構件。1)框架柱：對于加層后軸壓比超限的框架柱采用增大截面法加固抗震承載力不足的混凝土框架柱，見圖2。本工程中大多數(shù)柱連著剪力墻，構造上很復雜，對于連著剪力墻的一側，本工程中采用扁鋼代替角鋼，并用對拉螺桿穿透剪力墻與角鋼焊接。在原混凝土柱四個角各設置一個等邊角鋼，尺寸為75 mm×6 mm，用另一等邊角鋼與柱加固角鋼焊接在一起，加固前將原柱的棱角打磨成半徑為10 mm的圓角，待型鋼鋼架焊接完成后用M16普通螺栓結構膠植入原柱，與原混凝土粘結，注意結構膠表面要抹平填實。采用增大截面法時，新增混凝土應比原混凝土高一個標號，當新增受力鋼筋與原受力鋼筋采用短筋連接時，短筋直徑不應小于20 mm。2)框架梁：對于加層后承載力不足的框架梁用粘貼鋼板加固，見圖3。粘貼鋼板加固梁時，應將原結構截面的棱角打磨成半徑不小于7 mm的圓角，在框架梁上下兩面分別粘貼鋼板，梁底用結構膠在框架中柱之間滿粘一塊鋼板，梁頂沿梁中心對稱粘貼兩塊鋼板。在所粘鋼板上面再粘貼一個12 mm厚的L形鋼板，寬度與梁同寬，L形鋼板用M14螺栓結構膠粘貼在墻上，植入深度為120 mm，中間用扁鋼U形箍同L形鋼板焊接，尺寸為10 mm×50 mm。

3 抗震性能分析

3.1 技術參數(shù)

1)該建筑安全等級為二級，抗震設防類別為丙類；

2)抗震設防烈度為8度，設計基本加速度值為0.20g；

3)阻尼比：SATWE中取0.035，MIDAS中鋼結構部分取0.02，混凝土部分取0.05；

4)設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s；

5)抗震等級：混凝土框架結構為二級，剪力墻為一級，鋼框架為三級。

3.2 結構分析結果

通過對加固之后的混凝土框架—剪力墻結構和新增上部鋼框架—屈曲支撐結構整體建模，進行結構受力分析，PKPM，MIDAS兩種軟件結構整體信息對比見表1。

表1 PKPM與MIDAS分析結果對比

運用PKPM和MIDAS兩種軟件對該復雜混合結構進行靜力分

析、模態(tài)分析、反應譜分析和時程分析，從表1可以得到，該混合結構在兩種軟件作用下的最大層間位移角及結構整體信息均滿足現(xiàn)行國家規(guī)范要求，且兩者分析結果相差不大。其中差別的原因可能是由于PKPM在混合結構設計中只能設置單一的阻尼比，而MIDAS是基于應變能因子計算得到各個振型下混合結構的阻尼比。

3.3 罕遇地震下的結構分析

本文在結構安全的前提下，進一步對結構作了罕遇地震下的結構分析，即抗震設防烈度為8度(0.3g)和9度(0.4g)下的抗震分析。

兩個不同的抗震設防烈度下周期比在規(guī)范限值0.9之內，隨著抗震設防烈度的提高，地震荷載作用下的結構層間位移逐漸增大，當結構抗震設防烈度提高到8度(0.3g)和9度(0.4g)時，混凝土結構部分的X方向與Y方向地震作用下的最大層間位移角均超過規(guī)范規(guī)定的1/800，鋼結構部分仍滿足規(guī)范要求。

4 結語

本文通過對山西某綜合樓項目的加層改造設計和抗震性能分析，得到以下結論：

1)針對本工程的特殊性及復雜性，采用直接加層法對建筑進行加層，提出了三種不同的鋼框架加層改造方案，從技術可行性和經(jīng)濟合理性兩方面確定了較為合理的加層方案為H型鋼柱+H型鋼梁+H型鋼支撐。

2)運用PKPM和MIDAS兩種軟件對該復雜混合結構進行靜力分析、模態(tài)分析、反應譜分析和時程分析，該混合結構在兩種軟件作用下的最大層間位移角及結構整體信息均滿足國家規(guī)范要求，且兩者分析結果相差不大。

3)運用有限元軟件分析結構在不同罕遇地震作用下的內力、位移等的反應，隨著地震作用的增大，內力及變形逐漸增大，當?shù)卣疬_到8度(0.3g)和9度(0.4g)時，部分樓層最大層間位移角不滿足規(guī)范要求，在罕遇地震下加層結構是不安全的。

[1] S.Kahraman, A.Saatci, S.Misir. Effects of adding illegal storeys to structural systems[J].Sadhana,2006,31(5):515-526.

[2] M.I.Enrique Cruz Gomez, Analytical and experimental study of real masonry buildings[J].12th WCEE,Aucklang,0026.

[3] Tatsuya Azuhata,Taiki Saito. Seismic performance estimation of asymmetric building based on the capacity spectrum method[J].12th WCEE,Aucklang,2322.

[4] 高劍平.磚混房屋整體式外套結構加層研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2003：12.

[5] 陳 健,宋 健,呂志濤.外套框架結構加層試驗研究[A].建筑物鑒定與加固論文集[C].1998:920-927.

The research on stories adding design and seismic

performance analysis of a complex building frame shear wall structure

Zhang Jin

(NewEnergyNuclearNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

Taking a complex building project for the study of the background, has been built in the eight-story frame-shear wall structure, based on the new eight-story steel frame plus-buckling support structure made of three different layers plus programs, and technical feasibility and economic rationality identified two more reasonable in floor plan. While the use of two kinds of software for seismic analysis of the engineering example, to verify the safety of the structure, in the structural safety of the premise of the structure were further structural analysis under rare earthquake, provide a reference for similar projects.

frame shear wall structure, story-adding transformation, seismic analysis, software

1009-6825(2015)02-0039-02

2014-11-04

張 瑾(1987- )，男，助理工程師

TU746.3

A