砖混结构顶部钢结构加层的抗震性能分析.pdf

第 4 0卷第 1期 2 0 1 4年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 2 9 砖混结构顶部钢结构加层的抗震性能分析 马志刚， 尉桂芬 开封大学土木建筑工程学院， 河南 开封4 7 5 0 0 4 摘要 钢结构加层技术是目前逐步被推广的一种房屋改造形式， 但目前设计方法还不够完善。利用 A N S Y S有限 元软件， 结合具体工程实例 ， 对砖混结构顶部直接采用轻钢结构加层建立三维有限元模型， 对原砖混结构与加层后 整体结构的抗震性能进行模态分析、 谱分析以及时程分析 ， 通过分析比较获得结构的动力特性和地震作用效应的 变化规律， 为相似加层结构的抗震设计提供了一些理论参考。 关键词 砖混 ； 加层； 地震反应； 模态分析； 谱分析 ； 时程分析 中图分 类号 T U 3 9 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 4 叭 一2 2 90 4 An a l y s i s o f s e i s mi c r e s i s t a nc e o f i nt e g r a l s t r u c t u r e a f t e r a dd i n g s t e e l s t o r e y s o n t o p o f b r i c k- c o n c r e t e s t r u c t u r e MA Zh i g a n g． W EI Gu i f e n S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， K a i f e n g U n i v e r s i t y ， K a i f e n g 4 7 5 0 0 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t e c h n i q u e o f a d d i n g s t o r e y s w i t h s t e e l s t r u c t u r e s i s g r a d u a l l y p r o mo t e d t o b e a n e w t y p e o f h o u s i n g r e n o v a t i o n ． Ho we v e r ， t h e d e s i g n me t h o d i s n o t m a t u r e ． B y u s i n g fi n i t e e l e m e n t s s o f t w a r e A N S Y S a n d i n l i g h t o f t h e p r o j e c t e a s e s ， t h i s p a p e r e s t a b l i s h e d t h e 3 一 d i me n s i o n a l fi n i t e e l e me n t mo d e l o f l i g h t s t e e l a d d i n g s t o r e y d i r e c t l y ， a n d g a v e mo d e l ， s p e c t rum a n d t i me h i s t o r y a n a l y s i s o f s e i s mi c r e s i s t a n c e o f o ri g i n a l b ri c k c o n c r e t e s t r u c t u r e a f t e r a d d i n g s t o r e y a r e c a r r i e d o u t ． T h r o u g h a n aly s i s a n d c o mp a ris o n， i t g o t t h e v a r i a t i o n t r e n d o f d y n a mi c b e h a v i o r a n d t h e v a ri e d p ri n c i p l e s o f e a rt h q u a k e r e s p o n s e o f t h e o ri g i n a l f r a me s t ruc t u r e ， a d d i n g s t o r e y s t ruc t u r e a n d i n t e g r a l s t r u c t u r e， w h i c h p r o v i d e s c e r t a i n t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e f o r s e i s mi c d e s i g n o f s i mi l a r a d d i n g s t o r e y s s t r u c t u r e s ． Ke y wo r d s b ric k c o n c r e t e ； a d d i n g s t o r e y； s e i s mi c r e s i s t anc e ； mo d e l a n a l y s i s ； s p e c t rum a n aly s i s ； t i me h i s t o ry a n a l y s i s U 刖 罱 钢结构加层技术是 目前逐步被推广的一种房屋 改造形式 ， 具有 自重轻 、 地震作用小 、 施工方便等优 点。这种形式的建筑改造不仅能够在不占用耕地的 条件下增加原有建筑物的使用面积， 而且施工周期 短、 工程造价低， 符合环保要求和可持续发展战略， 尤其适用于土地资源比较紧张的大中型城市的改造 工程 中。西方发达国家对 旧房 的改造技术研究得比 较早 ， 也 比较成熟， 钢结构加层 改造 的房屋 已由多 、 低层发展为高层加层， 而我国虽然在钢结构加层技 术的研究和工程实践方面也取得 了很大进展 ， 但 总 的来说 ， 还存在着在既有建筑加层改造方面工程 实 例较多 ， 但理论研 究较 少 ， 试验研究 就更少的问题 ， 并且理论研究主要集 中在原结构为钢筋混凝土多层 框架上面。 收稿 日期 2 0 1 2 1 1 - 1 4 作者简介 马志刚 1 9 7 3 一 ， 男， 讲师， 一级注册结构工程师， 主要从 事钢 结构及 结构抗 震研究。 E ma i l mz g 22 1 6 3． c o n 青岛建筑工程学 院 的王燕 等 采用振 型分 解 法和底部剪力法分析 了轻钢增层结构 的地震反应 ， 考虑了加层限值的要求以及高阶振型对结构地震响 应的影响， 得出振型分解法计算轻钢增层结构比底 部剪力法具有更高的精确度。兰州理工大学的吴培 成 对轻钢增 层结构 抗 震设计 方法 进行 了研究 。 计算模型在地震作用下， 呈弯剪受力状态， 并有明显 的“ 鞭鞘效应” 。因此 ， 采用振型分解法时 ， 应 该考 虑前3阶振型； 采用底部剪力法时， 增层结构的水平 地震作用放大系数宜为 2 ． 0 ， 并做 了对 比试验 ， 验证 了理论分析结果的正确性。合肥工业大学 的骆 甜 对轻钢加层结 构进行 了地震 反应分析。分 析 结果表明 结构加一层轻钢时 ， 加层部分鞭梢效应现 象不明显 ； 当加两层轻钢时 ， 则加层第一层成为明显 薄弱层， 需进行抗震验算； 加层较多时， 需要考虑结 构高阶振型的影 响。山东科技 大学的马飞飞 对 轻钢加层结构重点分析了加层前后结构的固有特性 以及在地震波激励下的位移变化。其结果显示 结 构的前 3 阶振型控制着结构的最大地震反应， 进行 结构分析时， 至少应考虑前 5 阶振型； 整体结构的自 2 3 0 四川建筑科学研究 第 4 0卷 振周期较原结构明显加长 ， 对地震作用起 到了一定 的缓解作用； 加层后整体结构最大位移比原结构普 遍增大 ， 最大位移出现的时刻相应推迟 ； 加层结构与 原结构交接部位是抗震设计的薄弱环节和重点加强 部位 。 目前 ， 在钢结构加层改造工程 中， 设计方法还不 够完善， 一般只对加层部分进行设计计算。但采用 钢结构加层后， 结构的整体质量、 刚度、 周期、 阻尼比 等都发生了变化， 仅对加层部分结构进行计算分析 是不安全的 ， 应进行包括原有建筑物的整体结构分 析。 本文结合具体工程实例， 使用 A N S Y S 有限元软 件对 目前常见的多层砖混结构顶部增加一层钢框架 的结构建立了三维模型， 进行参数分析， 在各项数据 对比的基础上总结出了这种结构设计的规律。 1 工程概 况 某 3层 砖混结构 办公楼 长 4 2 ． 2 4 m， 宽 1 3 ． 4 4 m， 层高3 ． 6 m， 墙体采用 M U 1 0 多孑 L 砖及 M 5 混合砂 浆砌筑 ， 现浇钢筋混凝土楼板 。建筑平 面如 图 1所 示。加层为一层钢框架 ， 加层后屋 面为坡屋面。钢 框架柱底到檐 口高度 3 ． 6 m， 檐 口到屋 脊高度 3 ． 6 m。加层墙体采用水泥钢丝 网夹芯板 ， 坡 屋面采用 7 5 fi l m厚彩钢夹芯板 ， 加层梁柱采用轧制 H型钢。 图 1 砖混结构标准层平面 Fi g．1 St anda r d floo r of br i c k- c o nc r e t e s t r uc t ur e 构件截面见表 l ， 加层钢柱 G Z 、 钢梁 G L采用轧 制 H型钢 ， 屋 面支撑 WC及柱 间支撑 z c采用 1 8 的圆钢。 表 1 构件截面 T a b l e 1 M e mb e r c r o s s s e c t i o n 本工程位 于河南省开封市 ， 该地 区基本风压为 0 ． 4 5 k N ／ m ， 基本雪压为 0 ． 3 0 k N ／ m ， 场地类别 Ⅲ 类 ， 抗震设防烈度为 7度抗震 ， 按第二组设计 ， 特征 周期为 0 ． 5 5 S ， 加层钢柱柱脚刚接 。 根据试验测定， 随着荷载的增加， 泊松比呈增大 趋势并且比较分散。在应力为砌体抗压强度试验值 的 4 0 ％ 时 ， 泊 松 比 在 0 ． 10 ． 2 2之 间 ， 平 均 为 0 ． 1 6 。本工程砖砌体的泊松 比取 u 0 ． 1 6 ， 弹性 模量取 E 2 ． 4 e 9 P a ； 混凝土泊松比取 u 0 ． 2 ， 弹性 模量取 E3 ． 2 5 e 1 0 P a ； 加层钢结构采用 Q 2 3 5 B， 设 计强度l厂 2 1 5 M P a ， 泊松比取 0 ． 3 ， 弹性模量取 E 2 ． 0 6e l 1 Pa 。 2反应谱法分析及其结果 2 ． 1 有限元模型的建立 对原结构及加层后整体结构建立有 限元模型 ， 如图 2所示 。有限元建模采用的单元形式见表 2 。 图 2 有 限元模 型 Fi g ． 2 F EA mo d e 马志刚， 等 砖混结构顶部钢结构加层的抗震性能分析 2 3 1 表2 A N S Y S计算所用到的单元类别及其说明 Ta b l e 2 Th e u n i t t y p e a n d d e s c r i p t i o n u s e d b y ANS YS c a l c u l a t i o n 将楼面及屋面恒 载和活载按照荷载规范 ， 计算 出重力荷载标准值， 再计算楼板的折算密度。 结构 的低阶振 型起到控制作用 ， 对位移 和内力 贡献较大 ， 故本次计算仅对低阶振型分析 ， 忽略高阶 振型的影响。 A N S Y S提供的模态提取方法有子空间法 、 B l o c k L a n c z o s法 、 P o w e r D y n a mi c s 法 、 R e d u c e d法等 ， 本 文 算例采用 B l o c k l a n c z o s法。 2 ． 2 结构模态分析 表 3为整体结构 的前 8阶 自振周期。由表 3可 知， 原结构增加一层钢框架后， 整体结构的自振周期 变化不大 ， 原结构第一周期为 0 ． 1 6 3 0 S ， 加层后周期 加长为 0 ． 1 6 6 4 S 。 表 3 结构前 8阶振型 的 自振周 期 Tabl e 3 Fr e e vi br a t i o n pe r i od o f s t r uc t u r e’ S fir s t e i ght mod e s 原 3层砖 混结构 加层后整体结构 加层前第一阶振型为 y轴方 向平动振型 ， 第二 、 三阶振型为扭转振型。加层后结构的前 3阶振型为 加层部分 、 Y轴方 向的平动及加层部分构件的局部 屈曲 ， 所 以加层设计时 ， 应适 当增加柱间支撑 以提高 加层的刚度 。同时 ， 应 考虑加层 的两端 山墙及横墙 对加层横向刚度的提高 ， 墙体应与钢框架可靠连接 ， 本1 程加层 山墙墙体为 1 2 0 mm厚水泥钢丝网夹芯 板 ， 采用 6 6 U型钢筋与钢柱连接 ， 中距 4 0 0 mm。 2 ． 3谱分析 由于结构 的 方 向尺度远远大于 Y方 向， Y方 向的地震 力起 控制 作用 。按 照 建筑 抗震设 计规 范 ， 多遇地震取地震影 响系数 0 ． 0 8 ， 取结构的阻尼 比 为 0 ． 0 3 5， 计算 5 一 曲线 ， 其 中， ．s 为结构最 大加速度反应 ， 为周期 。得到 的最大绝对加速度 反应谱曲线如图 3所示。 周期 0 图 3 S 一T曲线 Fi g． 3 S 一T c ur v e 采用振型分解反应谱时， 不进行扭转耦联体系 计算 ， 求 出各振型的作用效应 ， 应用平方和开平方方 法进行组合， 求出水平地震作用效应。底层层剪力、 底层层轴力、 Y方向楼层水平位移如图 4所示。 0 5 0 0 1 00 0 1 50 0 2 00 0 2 5 0 0 3 0 0 0 方向剪力／k N a 层剪力 0 1 0 00 20 0 0 3 0 00 4 0 00 5 0 0 0 60 0 0 层轴力／ k N b 层轴力 0 2 0 4 0 ． 6 0． l 1 ． 2 r h - 向水平位移／ mm c y 方 向水平 位移 图 4 加 层前 后结构地震反应 Se i s mi c r e s po ns e s o f s t r uc t ur e s be f or e a n d a fte r a d d i n g s t o r e y 加层后底层 的层剪力和层轴力有较大增加 ， 所 以加层设计时应采用轻质材料 ， 以减少加层对下部 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 。 0 器靛 瑙 Ⅱ一 5 4 3 2 O 啮 5 4 3 2 l O 噬鍪 5 4 3 2 0 嗵帮 2 3 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 结构的影响 ， 并应验算底层砌体 的强度 ， 当不满足设 计要求时 ， 应进行加固。加层后 ， 原结构的 Y方 向的 水平位移有所减小。由于钢框架的刚度 比下部砖混 结构的刚度小很多， 顶层有很大 的刚度突变 ， 故顶部 加层的水平位移较大， 加层后整体结构水平位移由 加层顶部控制。 3时程分析及 其结果 3 ． 1 地震波的选用 在时程 分 析 中 ， 地 震 波 选 用 E 1 C e n t r o波 和 N o r t h r i d g e 波 ， 图 5为输 入两条地 震波 的加 速度 曲 线。分别计算 了原结构和加层后 的整体结构在地震 波沿 y轴激励下的弹性 和弹塑性地震 反应 ， 计算 的 时间步长为 0 ． 0 2 S 。在多遇地震下 ， 与抗震设 防烈 度 7度 0 ． 1 g 对应 的加速度峰值为 3 5 c m／ s 。罕 遇地震下 ， 对应的加速度峰值 为 2 2 0 c m ／ s ， 并考 虑 了阻尼的影响 采用 R a y l e i g h阻尼 。 时间／ s a E l C e n t r o 地震波 。 。 ‘ 1 ． t II-I l 6 ． ～ ．⋯ I f W ’ ’ 。 ＼ 时Ihq ／ s b No r t h r i e 地震波 图 5 输入 的地震波 Fi g． 5 I np ut s e i s mi c wa ve 3 ． 2时程 分析 结果 地震作用是一个 时间过程 ， 反应谱 法无法反映 结构在震动过程中的经历 ， 而时程分析法可根据选 定的地震波和结构恢 复力特性 曲线 ， 对动力方程进 行逐步积分 ， 求得结构在地震过程 中每一瞬时 的位 移、 速度和加速度反应 ， 从而观察结构在强震作用下 从弹性到非弹性阶段 的内力 变化 以及构件开裂 、 损 坏直至结构倒塌破坏的全过程。 表 4、 表 5 列 出 了 结 构 在 E 1 C e n t r o 波 和 N o r t h r i d g e波作用下各层最大水平位移的弹性时程 分析结果。 表 4 原结构弹 性时程分析 Ta b l e 4 Th e e l a s t i c t i me - h i s t o r y a n a l y s i s o f t h e o r i g i nal s t r u c t ur e 表 5 加层后弹性 时程分 析 Ta b l e 5 Th e e l a s t i c t i l ne - hi s t o ry a n aly s i s o f a dd i ng s t o r e y s t r uc t ur e 计算结果表明 ， 在 E 1 C e n t r o波 和 N o r t h r i d g e波 作用下 ， 加层后整体结构 的各楼层 的水平位移较加 层前的水平位移稍小。每种地震波在结构各楼层引 起的地震反应的强烈程 度不同， 出现最大位移 的时 间基本一致 。对于本工程 ， 水平位移在 E 1 C e n t r o波 作用下 的较 N o r t h r i d g e波作用下 的大 ， 说 明同一结 构在不同的地震波作用下， 其地震反应是不同的， 如 图 6所示。结构在地震作用下的变形 为弯 曲型 ， 即 顶层层 问位移角较下部楼层大， 因此结构设计时 ， 应 控制结构顶层层间位移角。 ＼ 14 m ▲ ．‘ j } 一 。 ． ’ ’ ． ． 一 ， I _ - - r _ 一 加层后 N 波 负向 _ 1 卜一 加层后 N 波 正向 ⋯▲ ． ’加层前 N 波 负向 ⋯ ⋯加层前 N 波 正向 ◆ 一加层后 E 波 负向 一 Ill 一加层后 E 波 正向 ⋯ 加层前 E 波 负向 ⋯ I I ⋯加层前 E 波 正向 图 6 楼层 最大水平位移 F i g ． 6 F l o o r ma x i m u m h o r i z o n t a l d i s p l a c e me n t 下转第 2 6 0页 ∞ o o 瑙景 ．重、 捌嚣 2 6 0 四川建筑科学研究 第 4 O卷 逐渐降低， “ 屈服段” 起点应变几乎不变； 随着应变 速率的增加， 混凝土的“ 屈服段” 长度逐渐减小， 峰 值应变的出现也逐渐提前 ； 混凝土应力_ 府变曲线 中 没有 明显的峰值应力点 出现， 随着应变速率的增加 ， 混凝土的峰值应力更加明显， 下降段曲线更加陡峭， 混凝土是塑性减弱。 3 结 论 1 随着应变速率的不断增加， 混凝土极限抗压 强度呈增加的趋势 ， 混凝 土的极 限抗压强度与应变 速率的对数成线性增加关系。 2 随着应变速率的不断增加 ， 混凝土的峰值应 变呈减小的趋势。随着应变速率的增加 ， 混凝土的 峰值应变也在增加， 但增加幅度逐渐减小。 3 随着应变速率的增加 ， 单轴受压状态下混凝 土的动态弹性模量比静态弹性模量陡然减小。 参 考 文 献 [ 1 ] 陈磊， 陈太林． 混凝士动态力学性能的试验研究[ J ] ． 低温建 筑技术 ， 2 0 0 4 0 3 l 2 1 3 ． [ 2 ] 杨克荣 ， 彭刚 ， 柏巍． 基于 A NS Y S的混凝土微 观层次 开裂 演化数值模 拟[ J ] ． 混凝土 ， 2 0 0 9， 2 3 2 0 2 8 一 l 0 ． [ 3 ] A B R A MS D A ． E f f e c t o f r a t e of a p p l i c a t i o n o f l o a d o n t h e c o mp r e s s iv e s t r e n g t h of c o n c r e t e [ J ] ． 1 9 1 7 1 7 3 6 4 - 3 7 7 ． [ 4] WAK A B A Y A S HI M， N A K AMU R A T， Y O S HI D A N， e t a 1 ． D y n a mi c l o a d i n g e ff e c t s o n t h e s t r u c t u r a l p e r f o r ma n c e o f c o n c r e t e a n d s t c e l m a t e r i a l s a n d b e a m s [ J ] ． 1 9 8 0 0 6 2 7 1 - 2 7 8 ． [ 5 ] A T C H L E Y B L， F U R R H L ． S t r e n g t h a n d E n e r g y A b s o r p t i o n Ca p a - b l i t i e s o f P l a i n C o n c r e t e U n d e r D y n a m i c a n d S t a t i c L o a d i n g s [ J ] ． A C I ， 3 4 ， 1 9 6 7 ． [ 6 ] Z H A N G B， P H I L L I P S D V， WU K ．F u r t h e r res e h o n f a t i g u e p r o p e rt i e s o f p l a i n c o n c r e t e[ J ] ． Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 7， 4 9 1 8 0 ． [ 7 ] B I S C H OF F P H， P E R RY S H． I m p a c t b e h a v i o r o f p l a i n c o n c ret e l o a d e d i n u n i a x i a l c o mp r e s s i o n [ J ] ． J o u r n a l of e n g i n e e ri n g me c h a n i c s， 1 9 9 5， 1 2 1 6 8 5． [ 8 ] R OS S C A， T E D E S C O J W， K U E NN E N S T ． E ff e c t s o f s t r a i n r a t e o n c o n c r e t e s t r e n gth [ J ] ． A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 5， 9 2 1 ． [ 9 ] R OS S I P， VA N MI E R J G M， T O U T L E MO N D E F， e t a1． E ff e c t o f l o a d i n g r a t e O i l t h e s t ren gt h o f c o n c r e t e s u b j e c t e d t o u n i a x i a l t e n s i o n [ J ] ． M at e r i a l s a n d s t r u c t u r e s ， 1 9 9 4 ， 2 7 5 2 6 0 - 2 6 4 ． [ 1 O ]董毓利 ， 谢和平 ， 赵鹏 ． 不 同应变率 下混凝 土受 压全过 程 的 实验研究及其本构模型[ J ] ． 水利学报 ， 1 9 9 7 7 7 3 - 7 8 ． [ 1 1 J温世游 ， 李夕兵． 混凝土材料动力特性 试验[ J ] ． 中南 工业大学 学报 自然科学版 ， 2 0 0 0 2 l 1 3 一 l l 6 ． 上接 第2 3 2页 4 结 论 1 模态分析结果表明， 在地震作用下， 加层后 整体结构 的 自振周期变化不大 ， 加层后结构 的前 3 阶振型为加层部分的沿 、 Y轴方向的平动及加层部 分杆件的局部屈 曲， 所以加层设计时， 应适当增加柱 间支撑 以提高加层的刚度 。 2 谱分析结果表明， 对于本工程， 加层后底层 的层剪力和层轴力有较大增加 ， 所以加层设计时， 加 层墙体宜采用轻质材料以减小对下部原结构的影 响， 并验算原结构底层砌体的强度， 当不满足设计要 求时 ， 应进行加 固。 3 时程分析结果表明， 结构变形为弯曲型， 在 E 1 C e n tr o 波和 N o r th r i d g e 波作用下， 加层后整体结 构的各楼层的水平位移较加层前的水平位移 略小 ， 结构变形为弯曲型， 因此结构设计时， 应控制结构顶 层层 间位移角。 参 考 文 献 [ 1 ] 王燕． 轻钢增层结构地震反应高振型影响研究[ J ] ． 工业建 筑 ， 1 9 9 9 ， 2 9 5 2 1 - 2 4 ． [ 2 ] 吴培成． 轻钢增层结构抗震设计方法的研究[ D ] ． 兰州 兰州 理工大学 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 骆甜． 轻钢加层结构的地震反应分析与研究[ D ] ． 合肥 合 肥工业大学 。 2 0 0 7 ． [ 4 ] 马飞飞． 框架结构轻钢加层的地震反应分析研究[ D ] ． 青岛 山东科技大学 ， 2 0 1 0 ． [ 5 ] 王达诠， 武建华． 砌体 R V E均质过程的有限元分析 [ J ] ． 重庆 建筑大学学报， 2 0 0 2 ， 2 4 4 3 5 - 3 9 ． [ 6 ] 李保德 ， 杜文丽 ， 姚伟． D M2 3 型模 数多孑 L 砖砌体 的力学性 能试验研究 [ J ] ． 武汉理工大学学报 ， 2 0 0 1 ， 2 3 6 7 2 - 7 5 ． [ 7 ] G B 5 0 0 1 1 2 O 1 0建筑抗震设计规范[ s ] ． [ 8 ] 尚晓江． 有 限元 高级分析 方法与 范例应 用 [ M] ． 北京 中 国水 利水电出版社 ， 2 0 0 8 ．