大空間結(jié)構(gòu)抗震加固方法分析范文

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《工程抗震與加固改造雜志》2016年第一期

［提要］

地震會產(chǎn)生次生災(zāi)害，為解決災(zāi)后避難問題，本文擬對既有大空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，根據(jù)PKPM軟件計算出增大截面法和增設(shè)鋼支撐法對大空間建筑抗震加固的效果并進(jìn)行分析。通過工程實例計算及分析，表明增大截面法無法顯著提高原結(jié)構(gòu)的抗震性能，且不符合綠色環(huán)保的設(shè)計理念，而增設(shè)鋼支撐法可明顯提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，故采用鋼支撐加固法對實例體育館進(jìn)行加固改造更為科學(xué)可行。

［關(guān)鍵詞］

大空間結(jié)構(gòu);抗震設(shè)計;增大截面法;鋼支撐法

1引言

近年來世界各地地震頻繁發(fā)生，由于震后房屋倒塌損壞嚴(yán)重，人們無處安身避難，會導(dǎo)致更多的次生災(zāi)害發(fā)生。為解決大量人群災(zāi)后的避難問題，對大空間建筑的加固就顯得極為重要。［1－5］增大截面法及鋼支撐法對大空間避難場所進(jìn)行加固的可行性為本次研究的重點(diǎn)。增大截面法適用于鋼筋混凝土受彎、受壓構(gòu)件的加固。該方法是通過改變原有構(gòu)件的截面尺寸，使構(gòu)件的承載力得到提高。該方法可以廣泛應(yīng)用于混凝土梁、板、柱等構(gòu)件和一般構(gòu)筑物的加固。其優(yōu)點(diǎn)是在增大構(gòu)件剛度的同時，承載力和變形能力也得到了提高;其缺點(diǎn)是濕作業(yè)工作量大、養(yǎng)護(hù)期長、占用建筑使用空間較多。鋼支撐法適用于抗側(cè)移剛度不足的構(gòu)件加固，該法通過在抗側(cè)力構(gòu)件之間增設(shè)鋼支撐來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性。其優(yōu)點(diǎn)是不占有結(jié)構(gòu)的使用空間，對結(jié)構(gòu)的整體剛度提高較為明顯;其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的部分使用功能被破壞，加固成本較高［6－7］。

2工程實例概況及加固目標(biāo)

以唐山市某中學(xué)體育館為研究對象，該中學(xué)體育館始建于2005年，總體建筑形狀為規(guī)則矩形，柱網(wǎng)平面圖見圖1所示。該體育館南北長36.00m，東西長58.80m，高17.8m，建筑總面積為8998m2，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限為50年，主體結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，上部屋面采用平板式倒放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式為雙層平板網(wǎng)架，網(wǎng)架長度為53.1m，寬度為36m，厚2m，并通過支座與下部混凝土柱相連接。主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，各層構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度等級均采用C30級，混凝土框架部分分為六個結(jié)構(gòu)層，第一層為地下室，層高為3.00m，第二層層高為3.00m，第三層層高為3.00m，第四層為看臺，層高為1.70m，第五層層高為2.40m，第六層層高為7.20m，混凝土柱尺寸主要有四種，分別為直徑700mm圓柱、直徑900mm圓柱、600mm×600mm矩形柱和700mm×700mm矩形柱。現(xiàn)要將該體育館作為抗震避難場所使用，對其進(jìn)行抗震加固設(shè)計。要求設(shè)計滿足《防災(zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(報批稿)中第7.3.1條規(guī)定:(1)避難建筑應(yīng)采用設(shè)置多道抗震防線的結(jié)構(gòu)體系。(2)建筑形體應(yīng)規(guī)則，抗側(cè)力構(gòu)件在平面內(nèi)布置應(yīng)規(guī)則對稱，結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度沿豎向應(yīng)均勻變化。(3)計算避難建筑結(jié)構(gòu)地震作用時，設(shè)計基本地震加速度值、地震加速度時程的最大值和水平地震影響系數(shù)最大值，應(yīng)采取在國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定的相關(guān)數(shù)值乘以表1(即《防災(zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(報批稿)中表7.3.1)的避難建筑調(diào)整系數(shù)后的數(shù)值。(4)抗震設(shè)防烈度為6度～8度時，避難建筑應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求采取抗震措施，抗震設(shè)防烈度為9度時，避難建筑應(yīng)按比9度更高的要求采取抗震措施。因原結(jié)構(gòu)按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)的要求，其抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，設(shè)防地震分組為第一組，框架抗震等級為一級，無法滿足《防災(zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(報批稿)的相關(guān)規(guī)定，所以要對其進(jìn)行加固改造，加固后設(shè)計使用年限不變。

3加固前抗震性能分析

原網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型采用SAP2000v15計算，按照《防災(zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(報批稿)的相關(guān)要求進(jìn)行調(diào)整，因原有設(shè)計具有較大的安全儲備，各項指標(biāo)均能較好滿足避難建筑的抗震要求。故本次設(shè)計調(diào)整只針對下部的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，將網(wǎng)架荷載折算成面荷載施加到頂層。參照原結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙中的梁、柱和樓板的鋼筋及混凝土的強(qiáng)度等級，截面尺寸和實配鋼筋采用PMCAD建立模型見圖2所示。利用SATWE進(jìn)行計算分析，抗震設(shè)防烈度按9度(0.4g)進(jìn)行計算，框架抗震等級按1級考慮。

3．1側(cè)移計算經(jīng)計算多遇地震作用下的最大層間位移出現(xiàn)在第六標(biāo)準(zhǔn)層，具體數(shù)值為:X向1/410，Y向1/362。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)中的相關(guān)規(guī)定，彈性層間位移角限值為1/550，原結(jié)構(gòu)不滿足要求。

3．2配筋計算(1)柱配筋:標(biāo)高在3.00m～6.00m間有10根柱超筋;標(biāo)高在6.00m～7.70m間看臺柱全部超筋;標(biāo)高在7.70m～10.10m間有五根柱超筋;標(biāo)高在10.10m～17.30m間有3根柱超筋，主要是箍筋超筋。柱縱向鋼筋較原配筋平均增大15%。除箍筋超筋的柱外，大部分柱箍筋滿足要求。(2)梁配筋:梁的縱筋和箍筋均能滿足要求，其配筋最大增加3%。以上側(cè)移超限、柱箍筋超筋均是由于側(cè)移剛度不足所致。梁配筋滿足率較高是因為在計算時，沒有采用原體育場館的活荷載，而是采用2.5kN/m2的避難人員荷載計算的。增大截面加固法和鋼支撐加固法是廣泛應(yīng)用的兩種加固方法，針對該體育場的基本情況應(yīng)用以上兩種加固方法進(jìn)行加固，從而找到環(huán)保可行的加固方法。［8－9］

4增大截面法加固計算分析

根據(jù)抗震性能分析結(jié)果，對出現(xiàn)超筋的梁、柱截面進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑龃螅瑢ζ渌闯霈F(xiàn)超筋現(xiàn)象的梁、柱截面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。調(diào)整結(jié)果見表2所示。利用SATWE進(jìn)行計算，得到原結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)與加固后結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)的對比圖見圖3所示，實線為加固前結(jié)構(gòu)相應(yīng)指標(biāo)，虛線為加固后結(jié)構(gòu)相應(yīng)指標(biāo):由以上數(shù)據(jù)可知，加固后最大層間位移角和樓層最大位移均有所減小，但減小幅度不明顯。在滿足各層柱子均不超筋的情況下，結(jié)構(gòu)的最大層間位移角依然超限，此時最大框架柱的尺寸已經(jīng)增大了370%，最小框架柱尺寸也已經(jīng)增加了50%。顯然，如果繼續(xù)增大框架柱截面尺寸，不但會造成資源的極大浪費(fèi)，還會增大施工的困難程度。

5鋼支撐法加固計算分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)附錄G鋼支撐—混凝土框架和鋼框架—鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計要求，鋼支撐框架應(yīng)在結(jié)構(gòu)的兩個主軸方向同時設(shè)置并宜上下連續(xù)布置，鋼支撐布置見圖4所示。通過控制鋼支撐平面內(nèi)及平面外長細(xì)比，初步估算截面尺寸。經(jīng)過計算后對鋼支撐截面作出進(jìn)一步的調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)試驗，調(diào)整結(jié)果見表3所示。利用SATWE進(jìn)行計算，得到原結(jié)構(gòu)的各項指標(biāo)與加固后結(jié)構(gòu)的各項指的對比圖見圖5所示，實線為加固前結(jié)構(gòu)相應(yīng)指標(biāo)，虛線為加固后結(jié)構(gòu)相應(yīng)指標(biāo)，從圖中可明顯看出:加固后的X向、Y向最大層間位移角及變化幅度要明顯小于加固前的數(shù)值，X向、Y向樓層最大位移也明顯地小于加固前的數(shù)值。

6結(jié)論

計算分析的結(jié)果表明，在加固過程中，增大截面法無法顯著提高原結(jié)構(gòu)的抗震性能，而且部分構(gòu)件的尺寸變化極大，無法通過現(xiàn)有的施工技術(shù)實現(xiàn)，不符合綠色環(huán)保的設(shè)計理念。增設(shè)鋼支撐法明顯提高了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移能力，使原結(jié)構(gòu)能夠滿足《防災(zāi)避難場所設(shè)計規(guī)范》(報批稿)的相關(guān)要求。因此，采用鋼支撐加固法對該體育館進(jìn)行改造更為科學(xué)可行。

作者：閆亞汐 劉君陽 欒力文 韓玉濤 單位：華北理工大學(xué) 輕工學(xué)院 華北理工大學(xué)