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通過加設(shè)鋼支撐加固單跨框架結(jié)構(gòu)提高抗震力分析
導(dǎo)讀：在一些較早的建筑中，有不少建筑是懸挑走廊的單跨框架結(jié)構(gòu)，如中小學(xué)框架校舍和一些老式的外廊公寓。由于單跨框架結(jié)構(gòu)屬于單道防線，缺少冗余度，只要有少數(shù)局部破壞就會導(dǎo)致整體倒塌。對現(xiàn)在存在的大量過去建造的單跨框架結(jié)構(gòu)建筑，由于有很大的安全隱患的存在，必須進行抗震加固。其中體會較深的是：這些單跨框架結(jié)構(gòu)單從構(gòu)件層次加固達不到令人滿意的效果，必須從改變體系層次加固，例如采用加設(shè)鋼支撐、加設(shè)剪力墻、框架柱加設(shè)混凝土翼墻、結(jié)合改造加開間或樓梯間等體外加固方法改造結(jié)構(gòu)型式。本工程采用鋼支撐加大結(jié)構(gòu)的抗震能力，框架結(jié)構(gòu)的震害主要是由于強度和延性不足引起，一般規(guī)律是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于一般的柱，柱上端的震害重于下端。
關(guān)鍵詞：單跨，框架結(jié)構(gòu)，鋼支撐，加固，抗震能力
0.引言
在一些較早的建筑中，有不少建筑是懸挑走廊的單跨框架結(jié)構(gòu)，如中小學(xué)框架校舍和一些老式的外廊公寓。這些建筑與過去傳統(tǒng)習(xí)慣對建筑的功能要求有關(guān)。由于單跨框架結(jié)構(gòu)屬于單道防線，缺少冗余度，只要有少數(shù)局部破壞就會導(dǎo)致整體倒塌。這類建筑存在著很大的安全隱患。在國內(nèi)外歷次的地震中都證明這種結(jié)構(gòu)體系對抗震嚴重不利。所以在總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)(GB50023-2009)已明確了一些建筑(如學(xué)校)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)。
1.加固方法
對現(xiàn)在存在的大量過去建造的單跨框架結(jié)構(gòu)建筑，由于有很大的安全隱患的存在，必須進行抗震加固。我公司有專業(yè)的建筑加固改造施工隊伍，承接并完成了一些需要抗震加固和改造的工程，取得了很好的效果。其中體會較深的是：這些單跨框架結(jié)構(gòu)單從構(gòu)件層次加固達不到令人滿意的效果，必須從改變體系層次加固，例如采用加設(shè)鋼支撐、加設(shè)剪力墻、框架柱加設(shè)混凝土翼墻、結(jié)合改造加開間或樓梯間等體外加固方法改造結(jié)構(gòu)型式。而比較這些加固方法后，用在框架中加設(shè)鋼支撐是一種更簡單有效方便快捷的加固方法，更實用經(jīng)濟。本文就實際例子，對采用鋼支撐進行單跨框架抗震加固的方法及其作用進行研究分析。
2.工程實例
2.1工程概況
廈門某小學(xué)教學(xué)樓建在II類場地上，三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為七度，屋頂建有樓梯間的塔樓，房屋總高度為12.9米，層高3.3米。柱采用C30混凝土，梁板采用C25混凝土，受力主筋采用HRB335級鋼筋，其結(jié)構(gòu)平面布置圖如下(見圖一)。
圖一 結(jié)構(gòu)平面布置圖
此建筑烈度為七度抗震設(shè)計，經(jīng)抗震鑒定，結(jié)構(gòu)的框架梁柱承載力大部分不能滿足抗震設(shè)防要求。由于現(xiàn)澆樓板對梁的剛度起到增大作用，導(dǎo)致很難實現(xiàn)宜于抗震設(shè)防要求的的強柱弱梁的結(jié)構(gòu)型式，在地震力作用下側(cè)移稍大就很容易傾覆倒塌。
2.2鋼支撐加固力學(xué)概念
本工程采用鋼支撐加大結(jié)構(gòu)的抗震能力，框架結(jié)構(gòu)的震害主要是由于強度和延性不足引起，一般規(guī)律是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于一般的柱，柱上端的震害重于下端。柱子是豎向承重構(gòu)件，柱子破壞有剪切破壞、壓彎破壞和彎曲破壞。單跨框架底層柱在地震做用較大時易形成絞機動體系，一旦破壞，造成建筑倒塌。加設(shè)鋼支撐后，能明顯地改變結(jié)構(gòu)受力性能，形成桁架體系受力模型，有效地防止柱子出現(xiàn)剪切、壓彎和彎曲破壞，從而防止了結(jié)構(gòu)因為變形過大而引發(fā)倒塌。
2.3鋼支撐布置。
由于結(jié)構(gòu)加設(shè)鋼支撐后，地震對建筑的作用將增大，所以在所有未加設(shè)支撐的框架滿足新要求的前提下，支撐的數(shù)量越少越好。本工程的支撐布置做法是用鋼支撐沿梁主軸方向雙向布置，且鋼支撐在豎向是從底層貫通到頂層。因樓梯間是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，容易變形且在樓板變形過大時，容易被拉。因此在樓梯兩側(cè)加設(shè)支撐。具體布置位置是：縱向在建筑的7、8、9軸線前側(cè)和后側(cè)上，橫向位置是在各樓層樓梯間兩側(cè)(見圖二)。支撐的型式是“人”字型和“x”型鋼支撐采用的是100mm * 96mm *5.3mm的槽鋼。
圖二 鋼支撐布置
2.4加固支撐節(jié)點
框架節(jié)點是把梁柱連接起來形成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，在地震作用下節(jié)點要承受很大的水平剪力，易產(chǎn)生脆性破壞，節(jié)點一旦破壞能使結(jié)構(gòu)處于極不利的受力狀態(tài)，甚至導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的倒塌，所以必須采用可靠的構(gòu)造措施保證柱端節(jié)點安全。在加設(shè)支撐后，待支撐框架的柱端和梁端剪力很大(特別是柱端)，節(jié)點受力更復(fù)雜，，所以對加設(shè)支撐后的柱也必須進行加固。
本工程考慮到對框架節(jié)點和柱都需要進行了加固，采用的是外粘型鋼加固方法，具體見圖三節(jié)點圖，這種方法使節(jié)點和柱很好的結(jié)合在一起，實際加固效果顯著。
圖三 節(jié)點和柱加固構(gòu)造
3.結(jié)束語
單跨結(jié)構(gòu)在加固過程中，鋼支撐的加設(shè)位置和數(shù)量對加固的效果有影響，所以需對比幾種加設(shè)方案，可以選擇鋼支撐數(shù)量少又滿足加固效果的經(jīng)濟方案。當(dāng)加設(shè)支撐后，會引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力變化，尤其是與支撐連接部分柱的軸力增幅加大，所以在加固過程中，要依據(jù)原結(jié)構(gòu)特點，選責(zé)合理的構(gòu)造措施，使其變成真正桁架體系。
由于加支撐后，與支撐相連的梁柱內(nèi)力變幅較大，必須驗算其承載力，柱可以通過外包角鋼等方法提高豎向承載力，在加固柱時還需驗算原來基礎(chǔ)的承載力是否足夠，如果不夠，則需進行基礎(chǔ)架構(gòu)。支撐需要驗算強度和穩(wěn)定，如果強度不夠，可以增大支撐截面。如果剛度不足，可以通過構(gòu)造措施(如加綴條)使其滿足。這種方法具有簡單、方便、造價低和擾動下等優(yōu)點。在老式建筑改造過程中面臨著數(shù)量多、時間緊、任務(wù)重等情況，鋼支撐加固將發(fā)揮重要作用，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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