单跨框架改多跨框架结构的抗震性能分析.pdf

:./.单跨框架改多跨框架结构的抗震性能分析收稿日期:基金项目:深圳大学结构工程研究所开放研究基金项目(:)作者简介:杨小卫()男讲师从事工程抗震加固与改造设计研究杨小卫 李梦园 雷立志 胡江春(.中原工学院建筑工程学院河南 郑州 .武汉弘泰建筑工程质量检测有限公司湖北 武汉)摘 要:通过在单跨框架结构教学楼的走廊外端增设框架柱形成连续框架可以增加超静定次数并提高抗震性能 但在这类结构的实际加固设计中由于原结构体系的变形以及传力路径已基本完成并稳定改造形成的连续框架与一次建设形成的连续框架的受力形式在整体性能以及构件内力上均有区别引起两种连续框架的抗震性能也有所不同 通过对某工程的动力弹塑性时程分析研究了加固设计中竖向荷载分担对增跨加固框架抗震性能计算结果的影响 研究发现不考虑原框架柱的实际受力状态的改造设计会导致顶点最大位移计算偏小、罕遇地震下弹塑性层间位移角计算偏小的不利结果高估了结构整体“大震不倒”的能力关键词:单跨框架多跨框架新老柱轴压分布抗震性能中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引言钢筋混凝土框架结构抗震体系为框架单跨框架结构比多跨框架结构体系超静定次数较少、冗余度很低在遭受地震作用时一旦框架破坏抗震体系即失效严重时会发生倒塌(见图)不能达到“大震不倒”的设防目标 由于单跨框架对抗震具有明显的不利因素现行抗震规范不建议使用单跨框架结构 现存的单跨框架结构多为教学楼属于重点设防类建筑一般均要求进行加固处理图 1都江堰市某单跨框架写字楼倒塌单跨框架加固方法主要有两大类:一类是增加多余约束将部分单跨框架改为多跨框架(见图)一类为改变结构体系通过在适当部位增设一定数量的支撑或抗震墙等使结构形成多道抗震防线 在单跨教学楼走廊外端增设框架柱达到增加结构超静定次数的抗震加固方案由于其画图简单、施工方便而成为较多工程的选择 实际在结构加固设计中由于原有的结构体系变形已基本完成且稳定部分设计师不考虑新增构件产生的荷载重分布作用造成难以评估新增框架柱形成连续框架结构的实际抗震能力本文主要通过工程实例探讨设计时新增框架柱是否考虑竖向荷载分担对抗震性能的影响图 2都江堰市多跨框架教学楼主体完好 工程实例.工程概况一栋 层钢筋混凝土框架结构中学教学楼建于 世纪 年代层高均为.抗震设防烈度 度(.)设计地震分组为第一组场地类别为类 柱下独立基础高度为.埋深为.结构的混凝土强度等级为 梁、柱纵筋为 箍筋和楼板钢筋为 楼面活荷载为./屋面活荷载为./板厚为 梁、柱截面尺寸及结构平面如图 所示 采取在走廊外侧新增框架柱的方法进行抗震加固加固后的结构平面布置如图 所示图 3加固前教学楼结构平面布置图5 0005 0005 0005 0002 0008 000CBA250700250700250700250700250700500500500500500500500500250500500500500500250500500500500500500500500500250500250500250500250500250500250300单位：mm 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .图 4加固后教学楼结构平面布置图5 0005 0005 0005 0002 0008 000CBA250700250700250700250700250700500500500500500500500500250500500500500500250500500500500500500500500500250500250500250500250500250500250300400400400400400400400400400400单位：mm.分析模型如图 所示利用有限元软件 建立结构的弹塑性分析模型其中框架梁、柱用纤维梁单元模拟楼板用分层壳单元模拟混凝土本构模型采用文献中的混凝土单轴应力 应变关系模型并考虑箍筋的约束作用钢筋用理想的双折线弹塑性模型 为提高计算效率本次分析仅考虑一榀框架 根据单元生死技术将是否考虑原框架柱的实际受力状态作为抗侧力弹塑性分析的初始条件 其中 为不考虑原框架柱的实际受力状态而进行整体分析(如图 所示)相当于新增柱与原结构一次施工形成 为进行竖向二次受力后的整体分析考虑各构件实际的受力状态并作为时程分析的初始条件(如图 所示)图 5弹塑性分析模型图 6model-1 的初始条件（轴力）图 7model-2 的初始条件（轴力）.地震波的选择根据抗震规范选取了两条天然地震波和一条人工波如图 所示 对比抗震规范中的设计反应谱结构在 阻尼比下主要周期点的地震波反应谱如图 所示可以看出选取的三条地震波满足抗震规范的相关规定 加固后结构的抗震性能.底部剪力 顶点位移曲线比较如图 所示在弹性阶段两种模型计算的结构图 8地震波的时程曲线0.2g0.1g0g-0.1g-0.2g加速度51015202530时间/sCHICHI；TH2；RH1图 9反应谱0.200.150.100.050.00地震影响系数 a123456周期/s规范反应谱；CHICHI；TH2；RH1T1=0.987 sT2=0.896 s底部剪力 顶点位移曲线斜率相同说明结构的弹性抗侧刚度基本相同 在达到屈服后 的底部剪力 顶点位移曲线斜率减小即抗侧刚度下降但承载力继续增加达到极限承载力 后急剧下降而 的底部剪力 顶点位移曲线斜率接近于零即抗侧刚度降为零表现出双折线型的弹塑性曲线极限承载力与屈服承载力接近 可见不考虑原框架柱的实际受力状态的抗震性能设计可能会高于结构的极限抗震承载能力图 10底部剪力-顶点位移曲线4 5003 0001 5000基底剪力/kN306090120150顶点位移/mmmodel-1；model-2.结构楼层位移与层间位移角地震作用下结构的最大楼层位移和最大层间位移角分别见图 图 和表 在设防地震、罕遇地震作用时 结构顶点位移分别比 减小了.和.在罕遇地震时 结构的最大层间位移角比 减小了.由此可见不考虑原框架柱实际受力状态的抗震性能设计可能导致顶点最大位移计算偏小、罕遇地震下弹塑性层间位移角计算偏小的不利结果高估了结构抗震性能图 11最大楼层位移543210楼层15304560楼层位移/mm设防地震model-1；model-2model-1；model-2543210楼层20406080楼层位移/mm罕遇地震第 卷 第 期 年 月 山西建筑 图 12最大层间位移角model-1；model-2543210楼层0.002 50.0050.007 50.01层间位移角罕遇地震543210楼层0.0010.0020.0030.0040.005层间位移角设防地震model-1；model-2表 顶点位移与最大层间位移角比较模型顶点位移设防烈度罕遇地震最大层间位移角设防烈度罕遇地震././减小量.结论在单跨框架结构教学楼的走廊外端增设框架柱可以增加结构的超静定的次数从而提高抗震性能这是单跨框架结构抗震加固中常用的方法 在这类结构的实际加固设计中由于原结构体系的变形以及传力路径已基本完成并稳定 根据分析改造形成的连续框架与一次建设形成的连续框架相比构件内力有显著差异实际加固设计中有部分设计人员在设计时经常采用一次建设形成方式进行设计 本文通过某工程案例采用弹塑性时程分析方法分析了两种方式形成的连续框架结构的抗震性能主要结论如下:)和 的弹性抗侧刚度基本相同 在达到屈服后 的抗侧刚度下降但承载力继续增加达到极限承载力后快速下降而 的抗侧刚度降为零表现出双折线型的弹塑性曲线极限承载力与屈服承载力接近 可见不考虑原框架柱的实际受力状态的改造设计可能会过高估计结构的极限抗震承载能力)不考虑原框架柱实际受力状态的改造设计顶点最大位移计算偏小、罕遇地震下弹塑性层间位移角计算偏小高估了结构整体“大震不倒”的能力参考文献:王亚勇黄 卫.汶川地震建筑震害启示录.北京:地震出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范(版):.北京:中国建筑工业出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震鉴定标准:.北京:中国建筑工业出版社.胡凯储隽谢宇峰等.某单跨框架结构抗震加固设计与分析.建筑结构():.段贵明史铁花.单跨框架结构抗震加固方法研究.建筑结构():.王晓斌.工业建筑中的单跨框架结构设计实践探讨.山西建筑():.北京筑信达工程咨询有限公司.技术指南与工程应用.北京:人民交通出版社.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土 结 构 设 计 规 范:.北京:中国建筑工业出版社.(.):.“”.:第 卷 第 期 年 月 杨小卫等:单跨框架改多跨框架结构的抗震性能分析