整体式外套框架增层结构抗震性能研究
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摘要
我国现存大量兴建于20世纪80年代以前的多层砖混房屋,随着城市建设的不断发展,其建筑功能已不能满足使用要求,但受用地紧张和经济发展水平的制约,无法大量拆除重建,因而对其进行增层改造经济效益明显,符合我国现在的基本国情。特别是年代较长的多层砖混房屋,由于结构承载能力有限,对其采用外套结构增层改造越来越普遍。
外套结构增层分为分离式和整体式两种,其中整体式外套结构增层是将新旧房屋连接,增加外套底层的侧向刚度,避免分离式外套结构增层存在的“高鸡腿”现象,提高了结构的整体性和刚度均匀性,因而更利于抗震。外套结构增层时,往往要设计转换结构来承担新增部分的竖向荷载,避免对原结构的影响,即实现上部小空间向底部大空间的转换,因而转换结构的形式对外套增层结构的受力性能和整体抗震性能也有重要影响。目前整体外套增层结构存在传力不明确,新旧结构连接形式对结构整体抗震性能的影响等问题需要进一步研究。本文以某实际工程为背景,采用“加腋墙”转换结构,研究了整体外套框架增层结构的抗震性能以及新增外套结构对原结构的影响程度。
运用SAP2000有限元软件,对实际工程中的原砖混结构部分和增层加固后整体结构分别进行有限元分析,研究了竖向静力荷载和水平地震作用下弯矩、剪力,并对应力等值线进行分析,新旧结构连接采用钢管混凝土短梁具有足够的抗剪和抗弯承载力,并且有良好的抗震耗能能力,能够保证新旧结构间连接不至过早破坏,进而确保整体结构的安全。研究了增层前后结构的自振特性,增层后结构柔性增大,周期变长,符合实际结构特性。通过弹性时程分析,对比分析了顶层加速度、层间剪力、层间位移及扭转位移角等参数,研究结果表明：①采用“加腋墙”转换结构使新增框架的内力分布更有利,有效减少框架梁的截面高度,增大了使用空间,同时增加了新增外套部分的侧向刚度。②整体外套结构增层后,原结构的顶点最大位移、层间位移和层间剪力等都有明显增加,因此说明对原结构进行抗震加固是必要的。③增层后原结构的楼层加速度幅值减少,说明增层部分对原结构的加速度反应有一定的限制作用。④新旧结构间采用一端固接一端铰接的钢管混凝土短梁连接比两端铰接时更有利于结构的整体性能。
With the development of city construction,multi-storied brick buildings constructed in the 1980's massively can't meet the demands of function application.at the same time,the limited economic ability and land resource in present stage impede the demolition and reconstruction work.So storey-adding to these buildings has significant social and economic benefits. Especially to the longer multi-layer brick houses, bearing ability is limited, so the extension-storey-adding is widely used.
Extension-storey-adding reform is divided further into disunion type and union type,the Integral type connect the old buildinngs with newly added frames, in order to increase extension ground floor's stiffness and reduce the column's effective length factor. And then it can improve the structure of the integrity and stiffness uniformity, the earthquake resistant ability has also been raised greatly. The transfer structure is successfully applied to extension-story engineering of building in order to ensure the security of new added structure 's load transfer. More research on its stress performance and overall seismic performance is significant. At present, The integral storey adding is not explicit in force transmission and the connections have some effection on the seismic behaviour. To these questions, we need further study. This paper based on the actual engineering using "axillary-adding wall"transfer structure, studies the seismic performance of the whole structure and the effects on the extisting building.
Using SAP2000 to research both the old masonry structure and the new structure after extension-storey-adding reform.Fristly the momen、shear force and the stress distribution are analysed to know the concrete filled steel tube have enough bearing capacity and have a good anti-seismic capacity, ensuring connections between the old and new structure will not damage prematurely, and then keep the safety of the whole structure. Then researching the vibration characteristics of the structure before and after storey adding, the flexibility become higher and the period become longer after storey adding reform, so it meets the actual structure property. Thirdly elastic time-history analysis were conducted to analyse the inter-layer stresses、layer-displacement and torsion angle comparatively.The results of studies show, after extension-storey-adding reform, the new adding frame using "axillary-adding wall "transfer structure distributes of stress more uniformity and effectively reduce the beams' section height, so it not only increase the use of space, but also increase the extension adding frame of the lateral stiffness; the maximum lateral displacement、interstory drift and the inter-layer stresses increase obviously, so effective earthquake-resistant improvement measures are needed; maximal accelerations in erery storey decrease significantly, then the new adding part have obviously limite to the acceleration factor; using the concrete filled steel tube pined in one side and fixed in another as combination of the young and old structure is most lucrative.
外套结构增层分为分离式和整体式两种,其中整体式外套结构增层是将新旧房屋连接,增加外套底层的侧向刚度,避免分离式外套结构增层存在的“高鸡腿”现象,提高了结构的整体性和刚度均匀性,因而更利于抗震。外套结构增层时,往往要设计转换结构来承担新增部分的竖向荷载,避免对原结构的影响,即实现上部小空间向底部大空间的转换,因而转换结构的形式对外套增层结构的受力性能和整体抗震性能也有重要影响。目前整体外套增层结构存在传力不明确,新旧结构连接形式对结构整体抗震性能的影响等问题需要进一步研究。本文以某实际工程为背景,采用“加腋墙”转换结构,研究了整体外套框架增层结构的抗震性能以及新增外套结构对原结构的影响程度。
运用SAP2000有限元软件,对实际工程中的原砖混结构部分和增层加固后整体结构分别进行有限元分析,研究了竖向静力荷载和水平地震作用下弯矩、剪力,并对应力等值线进行分析,新旧结构连接采用钢管混凝土短梁具有足够的抗剪和抗弯承载力,并且有良好的抗震耗能能力,能够保证新旧结构间连接不至过早破坏,进而确保整体结构的安全。研究了增层前后结构的自振特性,增层后结构柔性增大,周期变长,符合实际结构特性。通过弹性时程分析,对比分析了顶层加速度、层间剪力、层间位移及扭转位移角等参数,研究结果表明：①采用“加腋墙”转换结构使新增框架的内力分布更有利,有效减少框架梁的截面高度,增大了使用空间,同时增加了新增外套部分的侧向刚度。②整体外套结构增层后,原结构的顶点最大位移、层间位移和层间剪力等都有明显增加,因此说明对原结构进行抗震加固是必要的。③增层后原结构的楼层加速度幅值减少,说明增层部分对原结构的加速度反应有一定的限制作用。④新旧结构间采用一端固接一端铰接的钢管混凝土短梁连接比两端铰接时更有利于结构的整体性能。
With the development of city construction,multi-storied brick buildings constructed in the 1980's massively can't meet the demands of function application.at the same time,the limited economic ability and land resource in present stage impede the demolition and reconstruction work.So storey-adding to these buildings has significant social and economic benefits. Especially to the longer multi-layer brick houses, bearing ability is limited, so the extension-storey-adding is widely used.
Extension-storey-adding reform is divided further into disunion type and union type,the Integral type connect the old buildinngs with newly added frames, in order to increase extension ground floor's stiffness and reduce the column's effective length factor. And then it can improve the structure of the integrity and stiffness uniformity, the earthquake resistant ability has also been raised greatly. The transfer structure is successfully applied to extension-story engineering of building in order to ensure the security of new added structure 's load transfer. More research on its stress performance and overall seismic performance is significant. At present, The integral storey adding is not explicit in force transmission and the connections have some effection on the seismic behaviour. To these questions, we need further study. This paper based on the actual engineering using "axillary-adding wall"transfer structure, studies the seismic performance of the whole structure and the effects on the extisting building.
Using SAP2000 to research both the old masonry structure and the new structure after extension-storey-adding reform.Fristly the momen、shear force and the stress distribution are analysed to know the concrete filled steel tube have enough bearing capacity and have a good anti-seismic capacity, ensuring connections between the old and new structure will not damage prematurely, and then keep the safety of the whole structure. Then researching the vibration characteristics of the structure before and after storey adding, the flexibility become higher and the period become longer after storey adding reform, so it meets the actual structure property. Thirdly elastic time-history analysis were conducted to analyse the inter-layer stresses、layer-displacement and torsion angle comparatively.The results of studies show, after extension-storey-adding reform, the new adding frame using "axillary-adding wall "transfer structure distributes of stress more uniformity and effectively reduce the beams' section height, so it not only increase the use of space, but also increase the extension adding frame of the lateral stiffness; the maximum lateral displacement、interstory drift and the inter-layer stresses increase obviously, so effective earthquake-resistant improvement measures are needed; maximal accelerations in erery storey decrease significantly, then the new adding part have obviously limite to the acceleration factor; using the concrete filled steel tube pined in one side and fixed in another as combination of the young and old structure is most lucrative.
引文
[1]江世永.地震动作用下既有建筑物柔性连接外套框架增层结构体系的控制分析[D].同济大学博士论文,1994.9
[2]孙澄潮.纺织工业部办公大楼加固加层结构设计[J].建筑结构,1993(6)：10-16
[3]程懋堃,寿光,张美励.北京日报社综合业务楼接层结构设计简介[J].建筑结构,1993,6
[4]唐业清.建筑物移位纠倾与增层改造[M].北京：中国建筑工业出版社,2008
[5]陈仲颐,叶书麟.基础工程学[M].北京：中国建筑工业出版社,1995
[6]FullerMoore.结构系统概论[M].沈阳：辽宁技术技术出版社,2001
[7]高剑平,王茜.我国既有房屋加层改造工程实践和研究现状[J].华东交通大学学报,2004(8)：7-9
[8]高剑平. 既有房屋加层改造发展概况与研究进展[J].四川建筑科学研究,2009(10)：61-65
[9]高剑平. 国内外既有房屋加层改造发展概况[J].华东交通大学学报,2006(4)：14
[10]张祥顺,吴辉琴,彭少民.CFRP对无构造柱墙体抗震加固试验研究[J].华中科技大学学报,2002,19(3)：13-16
[11]张祥顺,谷倩,彭少民.CFRP对砖墙杭震加固对比试验研究与计算分析[J].世界地震工程,2003,19(1)：77-82
[12]徐彤,周云,李良.结构减震控制技术在抗震加固改造中的应用[J]..建筑结构,2000,30(20)：63-66
[13]高剑平,刘礼君.既有房屋外套结构加层方案选型[J].华东大学学报,2007,10(5)：49-53
[14]孙伟民,韩选江,任国华.外套框架加层结构方案及关键问题[J].建筑技术,1995(6)：339-341[15]刘应祥.二汽旧房加层改造尝试[J].建筑结构,1993,6：33-36
[16]汪恒在,汪勇跃.整体式外套框架结构增层建筑的合理计算方法[J].建筑结构,1996(9)：32-36
[17]韩选江.房屋增层改造外框结构体系设计方法研究[J].工业建筑,2004(6)：4-6
[18]张琴凤,杨素琴. 砖混结构外套整体式增层的地震力作用分析[J].广东土木与建筑,2008,3(3)：49-53
[19]高剑平.砖混房屋整体式外套结构加层研究[D].哈尔滨工业大学博士论文,2003,12
[20]高剑平.砖混房屋整体式外套框架加层结构分析[J].华东交通大学学报,2007(2)：40-43
[21]高剑平.砖混房屋整体式外套框架加层结构动力特性有限元分析[J].四川建筑科学研究,2007(6)：40-43
[22]郑文忠,张昊宇.协同式套建增层框架时程分析及防倒塌措施[J].哈尔滨工业大学学报,2011(4)：6-11
[23]曹双寅,周屹.多层砖混结构抗震加固与加层设计研究及应用[J].东南大学学报,1997(增刊)：81-85
[24]曹双寅,周屹.整体式框架剪力墙结构加层房屋的抗震计算分析[J].东南大学学报,1999,1(1)：94-96
[25]苏志德.外套增层结构体系抗震性能研究[D].天津大学硕士论文.2007(5)
[26]吕志涛,陈健.外套框架结构加层设计研究[J].建筑结构,1997,27(5)：21-23
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[30]李宏男,殷永炜,林立岩.采用摩擦垫层和消能装置的加层结构振动台试验研究[J].建筑结构学报,2001,(8)：67-71
[31]李宏男,刘光磊,林立岩. 采用摩擦垫层及阻尼器对外套加层结构体系的减振研究[J].地震工程与工程振动,2000,(12)：127-13
[32]樊长林,张善元,路国运. 某房屋外套框架加层摩擦减震的设计研究[J].工程抗震与加固改造,2009(8)：82-86
[33]李德荣.采用环形减震器外套框架加层结构减震耗能的可行性研究[A].全国第三届建筑物鉴定与加固论文集(第三册).云南·昆明.1998,11：934-938
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[35]徐培福,吴廉仲,郝锐坤.底层大空间剪力墙结构十二层模型的试验研究[J].建筑结构学报,1984,(2)：1-8
[36]徐培福,郝锐坤,吴廉仲,黄宝清,皮绍刚,邵弘.底层大空间剪力墙结构抗震设计[J].建筑科学.1985,(1)：28-37
[37]徐培福,郝锐坤,吴廉仲.底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构的抗震设计[J].建筑科学,1986,(4)：3-8
[38]赵西安,郝锐坤,龚炳年.高层建筑转换层结构设计建议(上)[J].建筑科学,1992,3：3-6
[39]娄宇,魏琏,丁大钧.高层建筑中转换层结构的应用和发展[J].建筑结构,1997.1,(1)：21-26
[40]王明,周宇.大跨转换梁同上部结构共同工作的性能分析[J]..山西建筑,2010,10(4)：53-54
[41]娄宇,魏琏,丁大钧.梁式转换层设计中的一些问题探讨[J].四川建筑科学研究,1996,1：7-11
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[45]娄宇,丁大钧,魏琏.上部开洞剪力墙转换大梁结构的试验研究[J].东南大学学报,1996,26(6B)：115-120
[46]赵兰子,张惠英,邱玥.开大洞转换结构的局部破坏分析[J].建筑结构学报,2001,22(5)：43-47
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[50]赵玉星,李安起.用附加剪弯杆改善框架的承载性能[J].工业建筑,2001,31(6)：81-82
[51]赵玉星,韩克胜,徐若娅.设置附加剪弯杆的大跨度框架及其设计[J].工业建筑,2001,31(7)：12-14
[52]张鑫,吕西林,李安起. 新型转换结构的试验研究及其在建筑物外套框架增层工程中的应用[J].建筑结构学报,2008,8(4)：118-126
[53]张鑫,吕西林.外套框架增层结构抗震性能的试验研究[J].工业建筑,2006(3)：59-62
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[60]任利民.矩形钢管混凝土框架结构抗震性能研究[D].内蒙古科技大学硕士论文,2007(5).
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