某教学楼框架结构的抗震加层加固设计.pdf

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第30卷，第3期世界地震工程V01．30．No．32014年9月WORLDEARTHQUAKEENGINEERINGSep．2014文章编号：1007—6069(2014)03—0223—06某教学楼框架结构的抗震加层加固设计高鹏，陈道政，叶献国(合肥工业大学土木与水利工程学院建筑工程系，安徽合肥230009)摘要：介绍了某混凝土框架结构教学楼使用屈曲约束支撑的加层改造和抗震加固设计。工程中采用钢结构将已有的4层混凝土框架结构增加到7层，增层后混合结构的自震周期加长，侧向变形增大，地震层剪力增大。设计中对原有混凝土梁柱和基础采取了包钢和加大截面等加固方法；通过增加屈曲约束支撑调整增层后结构的刚度分布，增加结构的冗余度，显著改善了结构破坏机制，提高了加层后结构的抗震能力。还给出了加层钢柱脚节点等关键构造的做法，为类似加固加层改造工程提供参考。关键词：屈曲约束耗能支撑；钢结构加层；抗震加固中图分类号：U442．5+5文献标志码：ASeismicstrengtheningandstoriesaddingdesignofateachingbuilding’sframestructureGAOPeng，CHENGDaozheng，YEXianguo(CollegeofCivilEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China)Abstract：Adesigningschemeforapplicationofbuckling—restrained—brace(BRB)tostoriesaddingandseismicstrengtheningofateachingbuildingsframestructurewasintroduced．Withaddingtosevenstoriesfromoriginalfourstories，thecharacteristicsoftheoriginalstructurechanged：Thestructuralnaturalvibrationperiodlengthened，butthelateraldisplacementandstoreyshearincreased．Sothatthestrengtheningmethodofexternalstickingsteelaoundcolumnandenlargingfoundationsectionwereadopted．BRBswereusedtoadjustthetorsionalandlateralstiffnessoftheaddedstructure，BRBsalsoobviouslyimprovetheseismicbehavioroftheaddedstructure．Somekeydesignandconstructionofcomponentsarepointedout，itcangiveareferencetosimilarstoriesaddingandretrofit-tedprojects．Keywords：buckling—restrainedenergydissipationbrace；storiesaddingofsteelstructure；seismicstrengthening1工程概况加层工程对象为合肥某高校教学主楼，建造年代为1985年，是钢筋混凝土框架结构，楼板为预制空心板。教学主楼分为AB两段，A段为地上7层，B段为4层，位置紧邻在B段12轴左侧；B段左侧又有办公楼紧邻，3个单体之间有变形缝隔开。平面布置如图1所示。按校方要求需将教学楼B段加层至与A段一样高，增加大小会议室和树立完整的建筑立面。建筑北立面效果图如图2所示，改造后教学楼主入口设在A段。B段楼首层层高为4．5m，2～4层层高为3．6m，总建筑面积为12000m；采用钢筋混凝土独立基础，基底收稿日期：2013—09—16；修订日期：2014—06—21基金项目：国家自然科学基金项目(51208166)作者简介：高鹏(1978一)，博士，副教授，主要从事结构抗震研究．E-mail：owen．gp@163．tom 第3期高鹏，等：某教学楼框架结构的抗震加层加固设计后，结构的总阻尼比应为结构阻尼比和消能部件附加给结构的有效阻尼比的总和]，因此混合结阻尼仍取为0．05。文献[3]中介绍了加层工程中铰接柱脚及刚接柱脚的不同锚固方式，设计试算中发现铰接柱脚对楼层位移和层间位移角有较大影响，铰接比刚接形式柱脚的楼层位移大出约20％，5层层间位移角明显增大，不利于结构抗震，因此设计中增层钢柱与原结构按刚性节点连接。加层后框架抗震等级为3级；抗震设防烈度7度(0．10g)，设计地震分组为第1组，建筑场地类别为II类。采用PKPM软件计算，结果显示钢结构楼层层质量较混凝土楼层明显较小，如表1新增3层的恒载和活载共增加833．3吨，使原有楼层地震剪力增大，混凝土框架整体内力增大。SATWE计算结果显示四层顶梁抗弯和抗剪配筋不足，部分原有基础截面不足，底层柱受弯配筋不足。因此对4层顶梁采用粘钢板和贴碳纤维布加固；对教学楼结构的外围基础进行加大截面处理；对框架柱采用外包角钢法加固。基础加大截面和包钢加固如图4所示。新增基础混凝土强度为C30，采用三级钢HRB400，加大基础截面之前将柱包钢施工完毕，角钢延伸至基础顶面；清洗基础混凝土表面，在基础上表面四周做植筋；再架立和绑扎钢筋笼，浇筑C30新混凝土。通过施工措施保证新旧基础混凝土良好的结合和加固角钢在基础顶的锚固。新增钢结构楼层后，混合结构整体柔度增大，自震周期值变大，第1周期从0．928s增加到1．173s；除首层和2层的l，向层问位移角值，7层结构的每一楼层位移角比原有对应四层结构均偏大，如表2。由于6层只在局部有楼板，结构整体质心偏移，加层后地震作用下结构扭转现象明显，表2中7层结构的第2周期扭转系数为0．97；且第3周期及以后加层钢结构部分呈现不规则的局部震型。为调整结构抗扭和抗侧刚度，同时为增加结构冗余度，建立具有多道抗震防线的结构体系，如图2在1到6层的12和18轴框架边跨上，设计增加屈曲约束支撑，详细信息如表3。由表2可见，加支撑后的7层结构刚度明显增大，自震周期值(1．078s)介于到4层结构(0．928s)和7层结构(1．173s)之间；由于支撑的设置使刚度强轴方向转变为y轴，原有加层结构扭转现象消除，4、5层层间位移角差异减小，结构的局部震型消失。2．2新增钢柱脚连接节点设计在确定新加钢柱脚为刚性节点后，如何通过配筋构造实现钢柱与原有混凝土柱头的有效传力，避免混凝土向钢柱过渡时刚度的突变，保证新增框架水平高度与原有楼层严格一致，便捷的安装屈曲约束支撑，这些是施工图设计中的难点。借鉴文献[4]中的植筋锚栓生根和增大截面生根相结合的方法，根据本工程实际条件进行设计节点构造如图5所示。该节点工艺可实施性较强，同时满足设计要求。改造中先凿除原屋面细石混凝土层之上的柔性防水层。在钢柱脚底设置混凝土柱头，在屋面周边和新加柱脚节点之间，设置大于600mm高卧梁，通过柱头和卧梁来增加钢框架底部整体性。新增混凝土柱头植筋前，为保证框架柱加固角钢在柱端部的有效锚固，在角钢端部焊接直径较小的钢筋穿过梯形梁牛腿，延伸出屋面后用钢板条在水平方向焊接连接。之后在柱头区域内植入6根直径25三级钢筋，在柱体内有足够锚固长度，同时延伸高出卧梁顶大于100ram长，给植筋端头在卧梁顶留出与钢柱底板焊接的空间，通过调节钢筋长度可使柱底板处在合适的水平高度上，使新增钢框架楼层与A段原有楼层保持高度一致。钢柱脚底板上设有四个M16锚栓孔，但由于柱端钢筋密集，植筋钢筋很难对应锚栓孔位置，在设定好柱脚底板水平高度后，将底板与植筋钢筋端部焊接；同时埋人一定长度锚栓钢筋，在底板上将螺帽栓紧。为预防钢柱脚直接连接混凝土楼层的引起柱体的刚度突变，采用在钢管柱底部的外包混凝土柱，外包柱高出卧梁顶部1m。钢管外部设直径16ram的剪力栓钉，间距200mm，以保证钢管与混凝土有效粘结和协同工作；为防止钢管壁屈曲，在钢管内部设置十字加劲肋。屈曲约束支撑的安装采用在卧梁端部设置由钢筋端头加锚栓连接两块20mm厚钢板的预埋连接件，钢板之前的高度可随梁高而调节，待混凝土梁结硬完毕，支撑端板一侧焊接在预埋钢板上，另一侧焊在钢管柱壁；避免了在混凝土梁柱上植筋和做连接钢底板的常规做法。施工时混凝土分二次浇筑，先浇筑出与卧梁和混凝土柱头，确定钢柱底板高度后，对外包钢筋混凝土柱进行二次浇筑。 世界地震工程第30卷250×350×1防屈曲10@10o混凝土Dl6—65_钉／2Omm~钢板预埋件高原框原框架梁架柱图4柱包钢和基础加大截面图5新增钢柱脚节点Fig．4StrengthenedcolumnwithsteelFig．5Newlyaddedsteelcolumnbaseenclosureandfoundationwithenlargingsection表1结构信息对比Table1Comparisonofstructureinformation表2结构周期对比表3屈曲约束支撑参数Table2ComparisonofstructuralperiodsTable3ParametersofBRBS 228世界地震工程第30卷(1)由于新增楼层质量和刚度不均匀，造成增层后结构扭转现象，通过设置屈曲约束支撑的调整结构刚度，提高结构抵抗水平作用能力和改善扭转变形。设计中重视连接构造措施，新加钢柱脚为刚性节点，通过设置卧梁和外包混凝土柱，实现钢柱与原有混凝土楼层的有效传力，避免钢柱连接过渡时刚度突变，保证新增楼层水平高度，便捷安装屈曲约束支撑。(2)通过静力弹塑性分析，发现在推覆过程中设置屈曲约束支撑的结构有明显的卸载，内力重分布和再增长现象，结构破坏机制显著改善；屈曲约束支撑增加结构的冗余度，能够充当结构的大震下防线，是一种非常有效的减震加固手段。参考文献[1]GB50011—2010建筑抗震设计规范[s]．北京：中国建筑工业出版社，2010．GB50011—2010Codeforseismicdesignofbuildings[S]．Beijing：BuildingIndustryPressofChina，2010．(inChinese)[2]吕凤伟，曹双寅，宗钟凌．轻钢增层房屋阻尼比确定的能量法[J]．工程抗震与加固改造，2008，10，30(15)：100—106．LVFeng—wei，CAOShuang—yin，ZONGZhong—ling．Solutiontothedampingratioofthebuildingaddedwithlight—gaugesteelwithenergymethod[J]．EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting，2008，30(15)：100—106．(inChinese)[3]张涛，王元清，石永久．多层建筑顶轻钢加层柱脚节点的设计与构造[J]．施工技术，2005，34(10)：36—38．ZHANGTan，WANGYuanqing，SHIYongjiu．Thedesignandconstructionaldisposalonthecolumnbasejointoflightweightsteeladdingstoryonthetopofmuhistoriedbuilding[J]．ConstructionTechnology，2005，34(1O)：36—38．(inChinese)[4]宗钟凌，曹双寅，张皓等．混凝土框架顶部钢结构加层连接节点抗震性能试验研究[J]．建筑结构学报，2011，(32)7：127—132．ZONGZhongling，CAOShuangyin，ZHANGHao．Experimentalstudyonseismicbehaviorofjointsbetweenconcreteframeandaddedtopsteelsto·ries[J]．JournalofBuildingStructures，，2011，(32)7：127—132．(inChinese)[5]金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院．Pushover分析在建筑工程抗震设计中的应用[M]．北京：中国建筑工业出版社，2010：49—64．CivilKingSoftwareTechnologyCO．LTD．ChinaInstituteofBuildingStandardDesign＆Research．TheapplicationofPushovermethodinthetheseismicdesignofbuildingstructures[M]．Beijing：BuildingIndustryPressofChina，2010．(inChinese)[6]胡大柱，尤毓慧，邵宏政．屈曲约束耗能支撑在教学楼加固工程中的应用[J]．工程抗震与加固改造，2009，31(6)：88—92．HuDa—hu，YOUYu—hui，SHAOHong—zheng．TheApplicationofbuckling—restrained—bracesintheclassroombuilidingseismicretrofitting[J]．Earth—quakeResistantEngineeringandRetrofitting，2009，31(6)：88—92．(inChinese)