异形钢支撑加固钢筋混凝土框架的设计研究

    对于钢筋混凝土框架结构的加固，采用常规的加固方式，从构件加固层次提高建筑的抗震性能，造价高、施工复杂，而且效果也不明显。须从改变结构体系层次进行加固设计，在框架中合适位置加设钢支撑种改变建筑结构体系，能有效地提高建筑物的抗震能力，增加结构的冗余度和抗震第二道防线。文章结合工程实例，从设计的角度，分析了钢支撑加固的设计原则及加设钢支撑后原结构的性能变化。分析表明，利用加设钢支撑改变结构的受力体系，可以明显改进结构的刚度和延性。提高建筑物的抗震能力。
0 前言
    随着中小学建筑抗震设防等级的提高，中小学校舍工程抗震鉴定和加固设计过程中，发现现有的框架结构校舍，存在着较大的安全隐患，尤其是校舍中存在大量的底层架空、单跨框架结构。对于框架结构的加固，采用常规的加固方式，从构件加固层次提高建筑的抗震性能，不但造价高、施工复杂，而且效果也不明显。须从改变结构体系层次进行加固设计，例如采用加设剪力墙、加设减震阻尼支撑、加设钢支撑、加设混凝土翼墙、悬挑走廊加柱等体外加固方法改变结构型式。与其它加固方法相比，后加钢支撑加固框架结构，具有费用少、自重轻、布置灵活、占用室内空间小等优点，是一种经济和功能效果俱佳的加固方法。目前，国内外对钢框架的偏心钢支撑研究较为成熟，并陆续提出了一些理论。但钢支撑加固钢筋混凝土框架的研究和工程实例相对较少，本文就采用异形钢支撑进行底层架空框架抗震加固的实例分析。
1 工程简介
    巢湖二中教学综合楼为五层钢筋混凝土框架结构，建筑面积8948m2(按抗震缝分A区：4178m2，B区：4770m2)，(A区)建筑平面布置示意图如图1所示，抗震设防烈度为6度，设计基本加速度为0．05g，设计地震分组为一组。建筑原设计抗震设防类别为丙类，根据《建筑抗震鉴定标准》现抗震设防类别提高为乙类。
    巢湖二中教学综合楼(A区)加固工程为例分析异形钢支撑加固钢筋混凝土框架结构的效果。

    图1 (A区)建筑平面布置示意图
2 加固设计方案选择
2．1抗震加固思路
    结构体系是决定房屋综合抗震能力的关键因素，当原结构的结构体系明显不合理时，首先采取措施改变、改善或优化结构体系，着重于提高承载力和变形能力，即采取减小地震作用的方法。使加固后的结构质量和刚度分部较均匀、对称，能大限度地改善构件的受力状况，避免大范围对构件进行加固处理。
2．2加固设计方案
    根据工程工程鉴定情况，巢湖二中教学综合楼(A区)按C类钢筋混凝土框架进行抗震鉴定，综合楼建筑平面及竖向刚度不规则，底层较高且架空，使底层侧向刚度相对薄弱，地震作用下的位移角大于1，550，底层部分框架柱轴压比等多项指标不满足规范要求。根据鉴定及建筑实际情况，通过比较多种加固方式，如加设混凝土翼墙、加设屈曲约束支撑、加设异形钢支撑。
2．2．1加设混凝土翼墙
    通过计算分析，在结构竖向荷载较大处加设混凝土翼墙能有效降低抗震能力薄弱的框架柱、梁的地震作用，减少水平方向的侧移，提高结构的整体性。但加设混凝土翼墙存在诸多不利因素。首先，新增剪力墙应对称、均匀布置在建筑平面的各个区段，且竖向应连续布置，避免上部楼层刚度突变；第二，施工中新增剪力墙与原框架梁柱的连接及基础处理问题；第三，对本工程来讲，工程量较大，工期较长，且影响上部楼层的正常教学使用。
2．2．2加设屈曲约束支撑
    加设屈曲约束支撑是一种非常好的加固方法。对于本工程也非常适用，通过计算分析，在A区底部架空层局部设置人字形屈曲约束支撑(同异形钢支撑布置方式)，即可满足抗震加固要求。但屈曲约束支撑工艺及节点连接较为复杂，应由厂家加工、制作、安装，造价较高。
2． 2．3加设加设异形钢支撑
    本工程采用的异形钢支撑加固底部架空层，适度的减小薄弱层的框架柱、梁的地震作用，提高侧向刚度，即满足抗震加固要求。相对于屈曲约束支撑，异形钢支撑结构布置灵活，构件加工方便，节点连接简单，对原结构影响较小，施工难度低，节省材料。
    综合考虑加固效果、施工及经济等方面因素，选择在柱间增设异形钢支撑方案进行加固，通过在一层横向及纵向布置角钢组合截面的异形钢支撑，支撑布置尽量对称。钢支撑布置示意图如图2所示，钢支撑立面布置图如图3、4所示。

    图2 钢支撑平面布置示意图(阴影区域为支撑布置位置)

    图3 异形钢支撑立面布置示意图

    图4 支撑节点示意图
3 异形钢支撑加固效果分析
3．1抗震承载力验算
    本文选取A区采用PKPM软件建模计算，按巢湖地区6度抗震设防进行多遇地震作用下的弹性分析，建筑抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为三级。支撑加固对底层梁柱配筋有较大影响，与支撑相连接的部分梁柱的配筋量大幅降低，对比首层框架梁柱支撑加固前后的配筋，未加支撑榀的框架梁柱配筋都满足要求，加固效果非常明显，选取②～③轴计算结果比较如图5所示。

    图5 支撑加固前后的梁柱配筋对比
3．2地震作用下层问位移角和楼层位移比
    由表1、2可知，在水平地震力作用下，x、Y方向层间位移角分别为1／645、1／462，其中Y向超过规范要求，框架抗侧移刚度不足。支撑加固后层间位移角显著减小，层间位移角控制在规范限值内。

    表1  地震作用下楼层大层间位移角

    表2  大层间位移与平均层间位移比
3．3支撑加固前后楼层刚度比及地震周期
    原结构二层为薄弱层，采用钢支撑加固，结构刚度提高显著，消除了薄弱层；底层x、Y向刚度增加了近1倍。地震作用下结构自震周期及相应的振型特性如表3。

    表3  结构自震周期及相应的振型特性
4 结语
    通过对A区底部架空层增设异形钢支撑，解决了A区的底层薄弱层及位移角过大的问题，有效减小了结构的侧移，对结构配筋信息的分析，采用支撑加固后相对于加固前(均按二级框架计算)，各层层间剪力虽然略有增加，但消除了底层薄弱层，框架梁柱配筋反而减小10％～30％；改善了体系的扭转效应，使构件的内力分布更加合理，提高结构抗震性能。同时较大地提高框架结构的抗侧刚度和承载力，并有效调节结构构件的内力分配。这种门式异形钢支撑外形美观，对底层大空间的功能没有影响，同时具有施工简单、方便、造价低和扰动小等优点。