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鋼結(jié)構(gòu)直接加層中柱腳剛度對結(jié)構(gòu)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(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)直接在混凝土結(jié)構(gòu)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(yōu)點，鋼結(jié)構(gòu)直接在混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)由于原結(jié)構(gòu)和加層結(jié)構(gòu)采用不同的結(jié)構(gòu)形式，存在質(zhì)量和剛度的突變，從而柱腳剛度將影響結(jié)構(gòu)的整體性能，本文結(jié)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(jié)構(gòu)抗震性能的影響。
    關鍵詞: 鋼結(jié)構(gòu)直接加層；(半)剛性柱腳；層剪力；層間位移

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

    2、 模型建立的細節(jié)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
    由表三可見：鋼結(jié)構(gòu)加層后結(jié)構(gòu)自振周期變長，第一周期由原結(jié)構(gòu)的0.8435s，變?yōu)閯傂约訉拥?.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(jié)構(gòu)周期。加層前后結(jié)構(gòu)的第一振型均為沿y軸的平動，第二振型為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)地震反應分析
    鋼結(jié)構(gòu)直接加層形成的混合結(jié)構(gòu)，由于原結(jié)構(gòu)和加層部分之間采用不同的結(jié)構(gòu)形式，質(zhì)量、剛度發(fā)生突變屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu)，地震作用下多變形突然加大現(xiàn)象。振型分解反應譜法計算能較準確地反映結(jié)構(gòu)地震反應，本文在振型分解反應譜的基礎上補充結(jié)構(gòu)在Y向（框架平面內(nèi)）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(jié)構(gòu)位移的影響
    圖7振型分解法計算結(jié)構(gòu)層間位移角表明，加層后結(jié)構(gòu)層間位移角均由不同程度的增大，頂層增大現(xiàn)象最為明顯，加層前結(jié)構(gòu)的最大層間位移角0.69‰出現(xiàn)在第二層，加層后由于結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的突變，最大層位移角出現(xiàn)在加層鋼結(jié)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(jié)構(gòu)底部層間位移角時程曲線顯示：剛接加層后當t=2.08s時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移角1.06‰；半剛接加層后當t=2.16s時，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)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(jié)構(gòu)各層位置處最大位移均有不同程度的減小，其中原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)最大層位移影響差別不大，但半剛性加層對加層后結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的加速度反映譜比較
    從圖10 EL.Centro波作用下結(jié)構(gòu)加速度反映譜的比較可以看出，當?shù)卣鸩ń?jīng)過下部混凝土結(jié)構(gòu)傳至鋼結(jié)構(gòu)加層部分后，地震波的基本特性發(fā)生一定的變化：最大振幅被放大；地震波的主要頻譜發(fā)生變化。就是說鋼結(jié)構(gòu)加層部分受到的是經(jīng)下部混凝土結(jié)構(gòu)放大的地震波，原結(jié)構(gòu)對地震波的放大程度大于加層后結(jié)構(gòu)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(jié)論
    6.1鋼結(jié)構(gòu)加層后由于原結(jié)構(gòu)和加層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的不同，在兩者相接處存在剛度和質(zhì)量的突變，地震作用下加層鋼結(jié)構(gòu)底層和原結(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)的層剪力的影響區(qū)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(jié)構(gòu)部分層剪力表明：加層后鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)部分的層剪力相近。

    參考文獻：
    [1] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)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(jié)點的抗震構(gòu)造.工業(yè)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(jié)點的設計與構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)概念和體系.中國建筑工業(yè)出版社.
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