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鋼結構直接加層中柱腳剛度對結構抗震性能的影響

作者：楊曉明等    
時間：2009-12-22 20:26:03 [收藏]
由于自重輕、抗震性能好等優點，鋼結構直接在混凝土結構上加層，正越來越多的應用到實際工程中。
    摘 要: 由于自重輕、抗震性能好等優點，鋼結構直接在混凝土結構上加層，正越來越多的應用到實際工程中。加層后形成的混合結構由于原結構和加層結構采用不同的結構形式，存在質量和剛度的突變，從而柱腳剛度將影響結構的整體性能，本文結合工程實例，采用有限元分析程序從層剪力、層間位移等方面比較分析剛性柱腳和半剛性柱腳對結構抗震性能的影響。
    關鍵詞: 鋼結構直接加層；(半)剛性柱腳；層剪力；層間位移

    鋼結構直接加層是一種常見的改建形式，是指以下部砌體結構或鋼筋混凝土結構的頂層為基礎，新建鋼結構樓層，兩者采用必要連接措施形成混合結構，是超限結構的一種。本文采用SAP程序結合工程實例比較分析不同柱腳處理方式對結構抗震性能的影響。
    1、工程概況

    2、 模型建立的細節處理
    柱腳可分為鉸接、剛接和半剛接三種。由于豎向荷載的存在，即使采用兩個螺栓固定的柱腳實際上對柱也能產生一定的約束作用[1]，圖2為文獻[2] [3]所提到工程中常用柱腳處理方式，顯然鉸接不能夠準確的反映實際受力情況，所以本文在模型的建立過程中僅采用剛性、半剛性兩種柱腳方式。

    3 、加層前后結構的模態分析
    由表三可見：鋼結構加層后結構自振周期變長，第一周期由原結構的0.8435s，變為剛性加層的1.2808s和半剛接加層的1.3164s，半剛性加層后的周期要稍大于剛性加層后結構周期。加層前后結構的第一振型均為沿y軸的平動，第二振型為結構的扭轉，第三振型為沿x軸的平動。剛接加層的后前四階振型如圖3。



    4、 結構地震反應分析
    鋼結構直接加層形成的混合結構，由于原結構和加層部分之間采用不同的結構形式，質量、剛度發生突變屬于豎向不規則結構，地震作用下多變形突然加大現象。振型分解反應譜法計算能較準確地反映結構地震反應，本文在振型分解反應譜的基礎上補充結構在Y向（框架平面內）EL.centro波激勵下的彈性時程分析，EL.centro波加速度曲線如圖4：記錄時間間隔0.02S，持時30.0 S，峰值加速度為34.2cm/s2。


    4.2柱腳剛度對結構位移的影響
    圖7振型分解法計算結構層間位移角表明，加層后結構層間位移角均由不同程度的增大，頂層增大現象最為明顯，加層前結構的最大層間位移角0.69‰出現在第二層，加層后由于結構剛度和質量的突變，最大層位移角出現在加層鋼結部分的底層層間位移角分別為剛性加層的0.83‰，半剛性加層的1.2‰，半剛性加層的層間位移角為剛性加層層間位移角的150%。
    圖8EL.centro 波作用下加層鋼結構底部層間位移角時程曲線顯示：剛接加層后當t=2.08s時，結構出現最大位移角1.06‰；半剛接加層后當t=2.16s時，結構出現最大位移角1.73‰。半剛接加層的層間位移角明顯大于剛接層間位移角，其最大層間位移角約為剛接加層的160%。
    圖9 EL.Centro作用下加層前后樓層位移包絡圖表明：在EL.Centro地震波作用下加層后原結構各層位置處最大位移均有不同程度的減小，其中原結構頂層位置處位移減小程度最明顯，剛性和半剛性加層對下部結構最大層位移影響差別不大，但半剛性加層對加層后結構頂層的最大位移的影響要明顯大于剛性加層。


    5、 EL.Centro作用下結構的加速度反映譜比較
    從圖10 EL.Centro波作用下結構加速度反映譜的比較可以看出，當地震波經過下部混凝土結構傳至鋼結構加層部分后，地震波的基本特性發生一定的變化：最大振幅被放大；地震波的主要頻譜發生變化。就是說鋼結構加層部分受到的是經下部混凝土結構放大的地震波，原結構對地震波的放大程度大于加層后結構對地震波的放大程度，半剛性加層對地震波的放大程度要稍強于剛性加層。
    6 、結論
    6.1鋼結構加層后由于原結構和加層結構結構形式的不同，在兩者相接處存在剛度和質量的突變，地震作用下加層鋼結構底層和原結構頂層變形明顯加大，半剛性加層變形增大程度要要明顯大于剛性加層。
    6.2 通過對本工程計算分析，當加層層數為2層時，多遇地震下剛性柱腳和半剛性柱腳對加層后形成的整體結構的層剪力的影響區別不。
    6.3 采用振型分解法和時程分析法計算加層前后鋼結構部分層剪力表明：加層后鋼結構部分的層剪力小于其直接作用于地面時的層剪力，采用半剛性加層或剛性加層，鋼結構部分的層剪力相近。

    參考文獻：
    [1] 陳紹蕃.鋼結構設計原理（第三版）.科學技術出版社.
    [2] 楊曉明,周東明,李海峰.某高層建筑加層鋼框架柱腳節點的抗震構造.工業建筑.
    [3] 張濤,王元清,石永久,麻建索.多層建筑頂部輕鋼加層柱腳節點的設計與構造.施工技術.
    [4] 張濤,王元清,石永久,麻建索.鋼筋混凝土框架頂部鋼結構加層的抗震性能的時程分析.四川建筑科學研究.
    [5] 林同炎.結構概念和體系.中國建筑工業出版社.
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