单跨框架改多跨框架结构的抗震性能分析★

杨小卫，李梦园，雷立志，胡江春

(1.中原工学院建筑工程学院,河南 郑州 450007; 2.武汉弘泰建筑工程质量检测有限公司,湖北 武汉 430074)

0 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1),不能达到“大震不倒”的设防目标[1]。由于单跨框架对抗震具有明显的不利因素,现行抗震规范[2]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[3]。

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[4](见图2);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[5-6]。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。

1 工程实例

1.1 工程概况

一栋5层钢筋混凝土框架结构中学教学楼,建于20世纪90年代,层高均为3.6 m,抗震设防烈度7度(0.15g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。柱下独立基础高度为0.6 m,埋深为2.1 m。结构的混凝土强度等级为C30,梁、柱纵筋为HRB335,箍筋和楼板钢筋为HRB235。楼面活荷载为3.5 kN/m2,屋面活荷载为2.0 kN/m2。板厚为120 mm,梁、柱截面尺寸及结构平面如图3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4所示。

1.2 分析模型

如图5所示,利用有限元软件sap2000V22[7]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[8]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,model-1为不考虑原框架柱的实际受力状态而进行整体分析(如图6所示),相当于新增柱与原结构一次施工形成;model-2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7所示)。

1.3 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8所示。对比抗震规范中的设计反应谱,结构在5%阻尼比下主要周期点的地震波反应谱如图9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。

2 加固后结构的抗震性能

2.1 底部剪力-顶点位移曲线比较

如图10所示,在弹性阶段,两种模型计算的结构底部剪力-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,model-1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4 291 kN后急剧下降;而model-2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。

2.2 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11,图12和表1,在设防地震、罕遇地震作用时,model-1结构顶点位移分别比model-2减小了5.54%和5.86%。在罕遇地震时,model-1结构的最大层间位移角比model-2减小了13.3%。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。

3 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:

1)model-1和model-2的弹性抗侧刚度基本相同。在达到屈服后,model-1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model-2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。

2)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。