蒲靜
關(guān)鍵詞: 加兩層鋼框架 外包鋼加固 模態(tài)分析 抗震性能
中圖分類號(hào): TU352.11;TU392.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672-3791(2023)15-0122-04
一些發(fā)達(dá)國家的城市建設(shè)的發(fā)展,自二次世界大戰(zhàn)結(jié)束至今,經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段。(1)新建:房屋大規(guī)模新建,城市建設(shè)加快。(2)維修:在新建房屋的同時(shí),原有房屋也進(jìn)行基礎(chǔ)性的維修。(3)改造:對(duì)原有房屋的功能不滿足要求的情況下,進(jìn)行加固與現(xiàn)代化改造[1]。我國建筑行業(yè)在二十世紀(jì)七八十年代迅速發(fā)展起來,但是許多城市是在占用郊區(qū)大量農(nóng)田和耕地的基礎(chǔ)上不斷建新低層或多層的房屋,或是在大量拆除舊的低層樓房的基礎(chǔ)上不斷大量重建高樓[2]。而這些建筑現(xiàn)已不能滿足現(xiàn)有的抗震功能和需求,加上這些結(jié)構(gòu)在自然和人為的破壞下,使其逐步進(jìn)入老齡期。為了對(duì)這些建筑的再次利用,提出對(duì)原有建筑加鋼結(jié)構(gòu)這一方法,在一定程度上擴(kuò)大了原建筑的使用面積,增加新的使用功能,節(jié)約成本,更重要的是加強(qiáng)抗震,延長(zhǎng)建筑使用年限。
近年來,輕鋼加層因改造快、抗震性能較好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。輕鋼加層是在原有下部為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在上部增加鋼框架結(jié)構(gòu),但是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)之間的剛度有著很大的差別,使加層結(jié)構(gòu)的上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)的連接處成為薄弱層[3],抗震性能大大減弱,因此需要對(duì)下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,可以選用的方法有加大截面加固法、增補(bǔ)受拉鋼筋、外部粘鋼加固法、外包鋼加固法等方法[4-5]。研究采用外包鋼加固法對(duì)擴(kuò)建項(xiàng)目進(jìn)行加固,并運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件建立模型進(jìn)行研究。外包鋼加固方式如圖1 模型所示,在上部結(jié)構(gòu)(輕鋼結(jié)構(gòu))和下部結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))的連接層處梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)端500 mm 范圍內(nèi),分別對(duì)混凝土梁及柱端黏貼鋼板進(jìn)行加固。梁端的角鋼與鋼板進(jìn)行焊接使其拉結(jié)形成一個(gè)整體,再使用粘鋼膠將鋼板與混凝土之間的空隙填滿[6];節(jié)點(diǎn)柱則用焊接鋼板與膨脹螺栓共同固定角鋼,同樣在鋼板與混凝土之間的空隙之間填滿粘鋼膠。圖2 為外包鋼加固節(jié)點(diǎn)模型。
1 有限元整體模型的建立
1.1 工程背景
某三層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓,長(zhǎng)度為16.8 m,寬度為7.2 m,層高為3.6 m。圖3 為結(jié)構(gòu)平面布置圖。運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件建立3 種模型,即YSC 模型(原有三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu))、JLC 模型(加兩層鋼框架結(jié)構(gòu))、WBGJLC 模型(外包鋼加固的加兩層鋼框架結(jié)構(gòu)),具體如圖4 所示。
構(gòu)件截面尺寸見表1,其中,原有結(jié)構(gòu)中鋼筋混凝土柱梁用Z1、L1~L3 表示,加層結(jié)構(gòu)中鋼柱、鋼梁用GZ1、GL1~GL4表示。厚度為2 mm外包鋼用WB1~WB3表示,50 mm×50 mm 的外包角鋼用WBJG1~2 表示,WBJG1、2長(zhǎng)度分別為500 mm、1 000 mm。
1.2 模型建立分析
(1)本構(gòu)關(guān)系建立,混凝土采用塑性損傷模型;鋼板和鋼筋都采用其中的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。(2)單元設(shè)置:混凝土、鋼柱采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的實(shí)體單元(C3D8R);鋼筋采用三維2 節(jié)點(diǎn)線性桁架單元(T3D2);外包鋼采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元(S4R)。(3)接觸設(shè)置:鋼柱底板與混凝土柱之間設(shè)為綁定約束(Tie);外包鋼與混凝土柱和梁之間也設(shè)為綁定約束(Tie),這是源于外包鋼與混凝土之間是用粘鋼膠連接。(4)鋼筋混凝土構(gòu)件中,對(duì)鋼筋使用嵌入?yún)^(qū)域約束(Embeded ergion)嵌入混凝土中,不考慮兩者之間的粘結(jié)滑移[7]。
2 模態(tài)分析
研究采用分塊lanczos 法[7]對(duì)3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,并提取前八階周期列于表2,外包鋼加固的輕鋼加層整體結(jié)構(gòu)的前四階振型如圖5 所示。從表2 中可以看出只兩加層結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比,自振周期加長(zhǎng);外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)與只加層結(jié)構(gòu)相比,自振周期減小。原結(jié)構(gòu)的第一周期為0.374 4,加層結(jié)構(gòu)為0.547 5,外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)為0.547 0。
從振型圖5 中可以發(fā)現(xiàn),JLC 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小,原結(jié)構(gòu)的整體第二層和加層結(jié)構(gòu)的底層是薄弱層出現(xiàn)位置,而且JLC 結(jié)構(gòu)在地震作用下變形為“不均勻”剪切型,存在地震能量集中[8]。
3 反應(yīng)譜分析
從地震力控制作用研究,發(fā)現(xiàn)X 方向的地震力起到控制作用,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的Z 方向尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于X 方向,阻尼比選取建筑結(jié)構(gòu)(0.05)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(0.05)、輕鋼加層(0.035)。建筑結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)確定[9]。加層的阻尼比由張濤的研究可確定[10]。采用振型分解反應(yīng)譜對(duì)3 種結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到各樓層的水平最大位移和層間位移角如圖6 所示。
最大層間位移角即薄弱層所在層,由圖6(a)、圖6(b)可以得到,在YSC、JLC、WBJLC 這3 種結(jié)構(gòu)模型中均出現(xiàn)在第二層。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)規(guī)定,彈性層間位移角限值分別為1/550(鋼筋混凝土框架)、1/250(多、高層鋼結(jié)構(gòu))。由圖6 可知,3 種結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角滿足要求[7]。
外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)與加層結(jié)構(gòu)的最大水平位移和層間位移在第一層、第二層時(shí)比較接近,但外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)的最大水平位移在第三層、第四層、第五層時(shí)最大水平位移共同減小,而層間位移角只在第三層時(shí)大幅度減小,這正是源于外包鋼的加固作用,使下層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與上層的鋼框架結(jié)構(gòu)的變形更加協(xié)調(diào),加強(qiáng)這兩種之間的連接,有效減弱了薄弱層的位移,從而可以有效減弱頂部的鞭梢效應(yīng)。
4 結(jié)論
本文運(yùn)用ABAQUS 有限元軟件對(duì)外包鋼加固加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析,得出以下結(jié)論:(1)輕鋼加層結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度較小,JLC 結(jié)構(gòu)模型在模態(tài)分析中振型圖明顯呈現(xiàn)彎剪變形;(2)三層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與加層結(jié)構(gòu)的最大層間位移角均出現(xiàn)在第二層,并滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011-2010)的要求;(3)外包鋼的加固,上層的鋼框架結(jié)構(gòu)與下層的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形更加協(xié)調(diào),加強(qiáng)這兩種之間的連接,對(duì)薄弱層的位移較大減弱,從而對(duì)頂部的鞭梢效應(yīng)有效減弱,更具抗震性。