1、第26卷第3期2006年6月地震工程與工程振動E ARTHQUAKE E NGI N EER I N G AND E NGI N EER I N G V I B RATI O NVol .26,No .3Jun .2006收稿日期:2005-12-09;修訂日期:2006-03-15基金項目:河北省自然科學基金項目(E2006000653作者簡介:麻建鎖(1963-,男,教授,碩士,主要從事鋼結構及結構抗震研究.文章編號:100021301(20060320118203鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層的抗震性能分析麻建鎖1,張濤2,王元清2,蔡煥琴3(1.河北建筑工程學院,河北張家口075000;

2、 2.清華大學土木工程系,北京100084;3.張家口市第一建筑工程有限公司,河北張家口075000摘要:采用鋼結構加層后,結構的整體質量、剛度、周期、阻尼比等都發生較大的變化。僅對加層部分結構進行計算分析是不安全的,應進行結構的整體分析。本文采用有限元軟件ANSYS,對某4層鋼筋混凝土框架結構辦公樓頂部加2層純鋼框架的抗震性能進行分析,并在此基礎上討論了不同加層層數的整體框架模型、不同阻尼比和有側移及無側移框架形式對結構整體抗震性能的影響分析。計算表明,由于加層后結構周期加長,整體框架的底層層剪力變化較小。關鍵詞:鋼結構加層;整體框架;抗震性能中圖分類號:P315.97文獻標識碼:AAna

3、lysis of se is m i c resist ance of i n tegra l structure afteradd i n g steel storeys on top of concrete fram eMa J iansuo 1,Zhang Tao 2,W ang Yuanqing 2,Cai Huanqin3(1.A rchitecture and Civil Engineering I nstitute of Hebei,Zhangjiakou 075000,China; 2.Depart m ent of Civil Engineering,TsinghuaUniv

4、ersity,Beijing 100084,China; 3.Zhangjiakou 1st Constructi on Engineering Co .,L td,Zhangjiakou 075000,China Abstract:Significant differences occur in the mass,stiffness,peri od and da mp ing rati o after adding steel st oreys on the t op of the original building .It is necessary t o analyze the inte

5、gral structure due t o the unreliability of calculating the adding st oreys independently .This paper compares different integral models by changing the nu mber of adding st oreys ,da mp ing rati o and adop ting adding st oreys with or without braces on the t op of the original f our -st orey concre

6、te fra me by finite ele ment analysis (FE A s oft w are ANSYS .The result shows that the t otal bott om shear f orce of the structure varies incons p icuously as a result of the el ongati on of the peri od .Key words:steel adding st orey;integral FEA model;seis m ic perf or mance引言80年代以前,我國城市的住宅和其它民

7、用房屋,大多數是低層或多層建筑,這些建筑既不能停止使用,又急需擴大使用面積,其中有些建筑物在過去建設中沒有進行抗震設防或者設防標準偏低,可結合房屋使用功能改善和抗震加固進行加層改造。本文采用有限元軟件ANSYS,對某4層鋼筋混凝土框架結構辦公樓頂部加2層純框架的抗震性能進行反應譜分析,并在此基礎上討論了不同加層層數的整體框架模型、不同阻尼比和有側移及無側移框架形式對整體框架的抗震性能的影響分析。1工程實例及建模某4層辦公樓長60.5m ,寬15.9m ,層高3.6m 。鋼筋混凝土框架結構。加層為2層鋼框架,層高3.6m ,加層后屋面改為坡屋面,屋面為75mm 厚彩鋼復合板,梁柱采用焊接H 鋼。

8、本工程處于河北省保定市,該地區基本風壓為0.4k N /m 2;基本雪壓為0.35k N /m 2;場地類別為類,抗震設防烈度為7度,按第1組設計計算,特征周期為0.35s 。原框架混凝土C40,彈性模量E =3.25e10,泊松比=0.2;加層鋼結構Q235B ,設計強度f =215MPa,彈性模量E =2.06e11,泊松比=0.3。表1構件截面表Table 1Me mber cr oss secti on 原框架梁柱截面加層構件截面編號截面規格編號截面規格Z1400×400GZ1300×300×12×14L1250×650G L1280&

9、#215;550×10×12L2250×600G L2250×500×10×12L3250×600G L3250×500×8×12WC<20對原結構及加2層后整體結構建立有限元模型見圖1。構件截面見表1,其中,Z1、L1L3為原混凝土柱、梁,GZ1、G L1G L4為加層鋼柱、鋼梁,ZC 、WC 為柱間支撐、屋面支撐。有限元建模中,梁柱采用Bea m188單元、樓板采用Shell181、結構質量采用Mass21、支撐采用L ink10單元。將恒載和活載按照荷載規范折算成重力荷載標準值,用m

10、ass21質量塊加在每層的所有梁柱節點上。原鋼筋混凝土框架結構每層的樓層質量為916400kg,屋面質量為660277kg;加層鋼結構樓面質量 為456948kg,屋面質量為81784kg 。2模態分析2. 1整體結構的周期由表3,加層2層有側移鋼框架后,整體結構的自振周期加長,結構變柔。原結構的第1周期為0.9990s,加2層后,周期加長為1.2381s 。2.2加層后整體框架結構的振型增加2層有側移鋼框架后整體結構的前三階振型,見圖2。圖1有限元模型Fig .1FE A model圖2加層為有側移鋼框架的前三階振型Fig .2First three modes of a s way ste

11、el fra me adding st oreys3反應譜分析由于結構的X 方向尺度遠遠大于Y 方向,Y 方向的地震力起控制作用。按照建筑抗震設計規范多遇地震取地震影響系數0.08,分別取結構的阻尼比為0.02、0.035、0.05,計算Sa -T 曲線,其中,Sa 為結構最大加速度反應,T 為周期。得到的最大絕對加速度反應譜曲線,隨阻尼比的加大,Sa 減小1。采用振型分解反應譜時,不進行扭轉耦聯體系計算,求出各振型的作用效應,應用平方和開平方方法進行組合,求出水平地震作用效應。4時程分析在時程分析中地震動選用El Centr o 波和Northridge 波。分別計算了原結構和加層后整體結構

12、在地震動沿Y 軸(框架平面內激勵下的多遇和罕遇地震反應。多遇地震下,與抗震設防烈度7度(0.1g 對應的加速度峰值為35c m /s 2,罕遇地震下,對應的加速度峰值為220c m /s 2,并考慮了阻尼的影響(采用Rayleigh 阻尼2。同一結構在不同的地震動作用下,其地震響應是不同的,對于本工程,在El Centr o 波作用下,加層后整體結構的各樓層的水平位移較加層前略小。在Northridge 波作用下,加層后整體結構的各樓層的水平位移較加層前有所增大,如圖3所示。E 波及N 波多遇地震作用下的時程分析法及反應譜法計算的層間位移角見圖4。時程分析法較反應譜法y 方向樓層的層間位移角大

13、。說明不同地震動對結構的影響是不同的。E 波的主要周期接近加層前結構9113期麻建鎖等:鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層的抗震性能分析的周期,加層前y 方向樓層的層間位移角較加層后大;而N 波相反,主要周期接近加層后結構的周期,所以加層后y 方向樓層的層間位移角較加層前大。圖3在E 波及N 波作用下樓層y 軸方向的水平位移Fig .3Horizontal dis p lace ment of Ydirecti on under E and N wave圖4y 軸方向樓層層間位移角反應譜法和時程分析法對比Fig .4Comparis ons of res ponse s pectur m metho

14、d andti m e -hist ory app r oach on st orey dis p lace mentangle of Y directi on5抗震性能的影響因素分析5.1 不同加層層數對整體抗震性能的影響分析圖5加層為有側移鋼框架的整體結構地震反應Fig .5Seis m ic res ponse of a s way steel fra me adding st oreys當取為0.035的情況,加層為有,層剪力、層間位移角見圖5。層軸力隨加層層數的增加而加大;由于加層后整體結構周期加長,結構變柔,水平地震影響系數減小,故加層后結構的底層剪力反而略有減小。在加層鋼框架與原

15、結構頂層連接處,剛度有較大突變,易形成結構薄弱層。而且加層部分與原結構由2種性能完全不同的材料構成,兩者在地震過程中動力特性不一致,易產生震害,故應在設計時加強新舊結構的整體性連接。從加層后整體結構的層間位移角曲線知,底層層間位移角在加層前后均為最大值,隨加層層數的增加,第5層(加層鋼結構的底層成為薄弱層,出現較大層間位移角。5.2加層為有側移無側移框架形式對整體抗震性能的影響分析加層增設柱間支撐后,結構的層軸力比純框架有所增加。鋼框架加層的各層剪力減小,但原結構的各層層剪力有所加大,加層后底層層剪力略大于原結構的底層層剪力。底層層間位移角隨加層層數的增加有所增加,由于加設了柱間支撐,層間位移角的變化比較均勻,第5層不再是薄弱層,柱間支撐可有效地加大鋼結構加層的剛度。6結論(1采用鋼結構直接加層體系,由于沿豎向剛度分布不均勻,根據現行抗震設計規范,有必要采用振型分解反應譜法和時程分析法進行多遇和罕遇地震作用下的抗震計算。(2由空間框架分析可知,加層后整體結構在地震作用下的變形為“不均勻”剪切型,存在地震能量集中層。設計時應對薄弱層進行驗算。(3通過對實例工程加層的空間框