楊小衛(wèi)，李夢(mèng)園，雷立志，胡江春

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

0 引言

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震體系為框架,單跨框架結(jié)構(gòu)比多跨框架結(jié)構(gòu)體系超靜定次數(shù)較少、冗余度很低,在遭受地震作用時(shí),一旦框架破壞,抗震體系即失效,嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生倒塌(見圖1),不能達(dá)到“大震不倒”的設(shè)防目標(biāo)[1]。由于單跨框架對(duì)抗震具有明顯的不利因素,現(xiàn)行抗震規(guī)范[2]不建議使用單跨框架結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)存的單跨框架結(jié)構(gòu)多為教學(xué)樓,屬于重點(diǎn)設(shè)防類建筑,一般均要求進(jìn)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(jié)構(gòu)體系,通過(guò)在適當(dāng)部位增設(shè)一定數(shù)量的支撐或抗震墻等使結(jié)構(gòu)形成多道抗震防線[5-6]。在單跨教學(xué)樓走廊外端增設(shè)框架柱達(dá)到增加結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)的抗震加固方案由于其畫圖簡(jiǎn)單、施工方便而成為較多工程的選擇。實(shí)際在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)中,由于原有的結(jié)構(gòu)體系變形已基本完成且穩(wěn)定,部分設(shè)計(jì)師不考慮新增構(gòu)件產(chǎn)生的荷載重分布作用,造成難以評(píng)估新增框架柱形成連續(xù)框架結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗震能力,本文主要通過(guò)工程實(shí)例探討設(shè)計(jì)時(shí)新增框架柱是否考慮豎向荷載分擔(dān)對(duì)抗震性能的影響。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

一棟5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中學(xué)教學(xué)樓,建于20世紀(jì)90年代,層高均為3.6 m,抗震設(shè)防烈度7度(0.15g),設(shè)計(jì)地震分組為第一組,場(chǎng)地類別為Ⅱ類。柱下獨(dú)立基礎(chǔ)高度為0.6 m,埋深為2.1 m。結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)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(jié)構(gòu)平面如圖3所示。采取在走廊外側(cè)新增框架柱的方法進(jìn)行抗震加固,加固后的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的彈塑性分析模型,其中框架梁、柱用纖維梁?jiǎn)卧M,樓板用分層殼單元模擬,混凝土本構(gòu)模型采用文獻(xiàn)[8]中的混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)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(jì)算效率,本次分析僅考慮一榀框架。根據(jù)單元生死技術(shù),將是否考慮原框架柱的實(shí)際受力狀態(tài)作為抗側(cè)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(shí)際受力狀態(tài)而進(jìn)行整體分析(如圖6所示),相當(dāng)于新增柱與原結(jié)構(gòu)一次施工形成;model-2為進(jìn)行豎向二次受力后的整體分析,考慮各構(gòu)件實(shí)際的受力狀態(tài),并作為時(shí)程分析的初始條件(如圖7所示)。

1.3 地震波的選擇

根據(jù)抗震規(guī)范,選取了兩條天然地震波和一條人工波,如圖8所示。對(duì)比抗震規(guī)范中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,結(jié)構(gòu)在5%阻尼比下主要周期點(diǎn)的地震波反應(yīng)譜如圖9所示,可以看出,選取的三條地震波滿足抗震規(guī)范的相關(guān)規(guī)定。

2 加固后結(jié)構(gòu)的抗震性能

2.1 底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線比較

如圖10所示,在彈性階段,兩種模型計(jì)算的結(jié)構(gòu)底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線斜率相同,說(shuō)明結(jié)構(gòu)的彈性抗側(cè)剛度基本相同。在達(dá)到屈服后,model-1的底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線斜率減小,即抗側(cè)剛度下降,但承載力繼續(xù)增加,達(dá)到極限承載力4 291 kN后急劇下降;而model-2的底部剪力-頂點(diǎn)位移曲線斜率接近于零,即抗側(cè)剛度降為零,表現(xiàn)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(shí)際受力狀態(tài)的抗震性能設(shè)計(jì)可能會(huì)高于結(jié)構(gòu)的極限抗震承載能力。

2.2 結(jié)構(gòu)樓層位移與層間位移角

地震作用下結(jié)構(gòu)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(shè)防地震、罕遇地震作用時(shí),model-1結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移分別比model-2減小了5.54%和5.86%。在罕遇地震時(shí),model-1結(jié)構(gòu)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(shí)際受力狀態(tài)的抗震性能設(shè)計(jì),可能導(dǎo)致頂點(diǎn)最大位移計(jì)算偏小、罕遇地震下彈塑性層間位移角計(jì)算偏小的不利結(jié)果,高估了結(jié)構(gòu)抗震性能。

3 結(jié)論

在單跨框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓的走廊外端增設(shè)框架柱,可以增加結(jié)構(gòu)的超靜定的次數(shù),從而提高抗震性能,這是單跨框架結(jié)構(gòu)抗震加固中常用的方法。在這類結(jié)構(gòu)的實(shí)際加固設(shè)計(jì)中,由于原結(jié)構(gòu)體系的變形以及傳力路徑已基本完成并穩(wěn)定。根據(jù)分析,改造形成的連續(xù)框架與一次建設(shè)形成的連續(xù)框架相比構(gòu)件內(nèi)力有顯著差異,實(shí)際加固設(shè)計(jì)中有部分設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常采用一次建設(shè)形成方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文通過(guò)某工程案例,采用彈塑性時(shí)程分析方法分析了兩種方式形成的連續(xù)框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,主要結(jié)論如下:

1)model-1和model-2的彈性抗側(cè)剛度基本相同。在達(dá)到屈服后,model-1的抗側(cè)剛度下降,但承載力繼續(xù)增加,達(dá)到極限承載力后快速下降;而model-2的抗側(cè)剛度降為零,表現(xiàn)出雙折線型的彈塑性曲線,極限承載力與屈服承載力接近?？梢?不考慮原框架柱的實(shí)際受力狀態(tài)的改造設(shè)計(jì)可能會(huì)過(guò)高估計(jì)結(jié)構(gòu)的極限抗震承載能力。

2)不考慮原框架柱實(shí)際受力狀態(tài)的改造設(shè)計(jì),頂點(diǎn)最大位移計(jì)算偏小、罕遇地震下彈塑性層間位移角計(jì)算偏小,高估了結(jié)構(gòu)整體“大震不倒”的能力。