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阅读 318 次 浅谈钢支撑对钢筋混凝土框架结构的影响

摘要:与传统的建筑结构形式相比,钢结构是一种最符合“绿色建筑”特征的结构形式。而根据钢结构的特点,把钢构件应用到已有建筑结构的加固改造中,也能较好的改善原始建筑的结构性能。近年来国内外已经开始采用后加钢支撑的方法,来加固钢筋混凝土框架结构。与后加翼墙或者剪力墙加固法相比,该方法具有费用少、自重轻、布置灵活、占用室内空间小等优点。基于此,本文以三种不同截面形式的钢支撑,来研究钢支撑对已有钢筋混凝土框架结构的影响。 ...

 浅谈钢支撑对钢筋混凝土框架结构的影响

焦瑞敏 宇文娟

(陕西省建筑科学研究院 设计院)

一、引言

随着我国社会生产力的发展和建筑科技进步的趋势,变革传统的建筑理念,使建筑具备“环保、节能、工业化”即“绿色建筑”的特征,已经开始成为人类的共同理想。与传统的建筑结构形式相比,钢结构是一种最符合“绿色建筑”特征的结构形式。而根据钢结构的特点,把钢构件应用到已有建筑结构的加固改造中,也能较好的改善原始建筑的结构性能。近年来国内外已经开始采用后加钢支撑的方法,来加固钢筋混凝土框架结构。与后加翼墙或者剪力墙加固法相比,该方法具有费用少、自重轻、布置灵活、占用室内空间小等优点。基于此,本文以三种不同截面形式的钢支撑,来研究钢支撑对已有钢筋混凝土框架结构的影响。

二、研究方案

原结构为6层钢筋混凝土纯框架结构,首层层高为5.8m,其余层均为5.2m,平面图如图1所示。在该框架结构的基础上,分别在结构1轴和7轴的AB跨、DE跨,A轴和E轴的1~2跨、6~7跨,后加十字交叉型中心钢支撑,钢支撑的截面分别为无缝圆钢管250mm×12mm、箱型截面250mm×250mm×14mm和焊接工字型截面300mm×300mm×12mm×24mm三种截面尺寸,支撑与原结构的连接为铰接。结构梁、板、柱的混凝土强度等级均为C35,钢支撑采用Q235级钢材,各材料物理、力学性能等均按照现行国家规范取值。结构模型中各层楼面恒荷载标准值为5kN/m2,活荷载标准值为2.0kN/m2,屋面板恒荷载标准值为9kN/m2,活荷载标准值为0.5kN/m2。假设结构位于抗震设防烈度为8度0.2g、场地类别为Ⅲ类、地震分组为第一组的地区。该结构1~2层柱截面为800mm×800mm,3~6层柱截面为700mm×700mm,1~6层框架梁均为300mm×600mm,次梁均为250mm×500mm,屋面板厚为120mm,其余板厚均为100mm。

图 1 结构平面图

三、计算结果

1、结构自振周期和位移

    经过SATWE分析得原结构以及加支撑后结构的自振周期,当钢支撑的最大应力比在0.95左右时的自振周期以及最大位移见表1:

表 1 结构自振周期及位移

模型编号

支撑截面

回转半径i(mm)

支撑最大应力比

最大位移

平动周期T1

扭转周期Tt

T1/Tt

模型O

——

——

——

1/458

1.2250

1.1126

0.91

模型C

ø 250mm×12mm

84.25

0.95

1/804

0.8355

0.5556

0.66

模型H

H 300mm×300mm×12mm×24mm

ix=129.2

iy=78.7

0.94

1/920

0.7526

0.4740

0.63

模型R

□250mm×250mm×14mm

96.5

0.95

1/859

0.7990

0.5186

0.65

    从表1中可以看出,加钢支撑后的结构平动周期和扭转周期都有所减小,周期比T1/Tt也有了明显的减小。位移也有了很大的改善,原模型O的位移大于1/550,位移不满足规范要求,而加支撑后位移减小,且在相同最大应力比控制下,模型C、模型H和模型R的位移分别减小了43.03%、50.22%和46.68%,表明在最大应力比相同的情况下,H型钢对结构的位移改善效果最好。

2、底层框架承受的弯矩

经过SATWE分析得到各模型中底层框架承受的弯矩,见表2。由表2中可以看出支撑最大应力比在0.95左右时,模型H底层框架承受的弯矩百分比最小,即模型H的钢支撑所承受的弯矩百分比最大,而模型C和模型R中底层框架承受的弯矩百分比则相差不多,说明在抗震情况下H型钢能够很好的发挥第一道防线的作用。但是与此同时,模型H的支撑截面积也是最大的,其次是模型R,模型C的支撑截面积最小。从物理性能来看,H型钢(模型H)支撑存在强轴和弱轴方向,当Y方向回转半径满足时,X方向赋予较多;而无缝圆钢管(模型C)和箱型截面(模型R)均为封闭截面,该方面的物理性能较好,相对较为经济。对比模型C和模型R,可以看出这两种类型的支撑在最大应力比均为0.95时,模型C所采用的无缝圆钢管的截面积最小,最为经济。

表 2 底层框架承受的弯矩百分比

模型编号

支撑截面

截面积(mm2)

回转半径i(mm)

支撑最大应力比

底层框架承受的弯矩百分比

模型O

——

——

——

——

100%

模型C

ø 250mm×12mm

8972.4

84.25

0.95

47.16%

模型H

H 300mm×300mm×12mm×24mm

17424.0

ix=129.2

iy=78.7

0.94

38.06%

模型R

□250mm×250mm×14mm

13216.0

96.5

0.95

43.24%

3、柱内力

    该结构的立面对称,取结构中1轴的一榀框架进行分析,立面如图2所示,以与钢支撑相连的ZA、ZB两根柱子为研究对象,其在地震作用下的轴力见表3,各模型中柱子轴力随楼层的变化趋势见图3。

图 2 结构1轴立面图

表 3 (a)柱ZA各层轴力(kN)

层号

模型O

模型C

模型H

模型R

1

455.2

2529.8

2831.5

2674.6

2

364.1

1773.4

1902.0

1840.5

3

262.6

1067.0

1108.3

1089.6

4

167.1

531.2

534.7

533.0

5

88.1

189.8

183.3

185.8

6

31.7

49.5

61.2

54.2

表 3 (b)柱ZB各层轴力(kN)

层号

模型O

模型C

模型H

模型R

1

561.9

1023.0

1330.5

1147.4

2

446.1

890.0

1172.5

1004.7

3

318.2

692.7

900.2

780.0

4

200.6

486.2

623.4

546.0

5

104.0

282.1

356.8

315.7

6

36.0

94.4

116.1

104.5

 图 3 (a)柱ZA各层轴力变化图   图 3 (b)柱ZB各层轴力变化图

由图3可以看出,加钢支撑后柱子的轴力有明显的增大,并且结构层数越低其轴力的提高幅度越大。在同一楼层处模型H的柱轴力增加最多,其次是模型R,模型C的柱子轴力增加最少,结合表2中各模型中支撑的截面面积,可以得出,在最大应力比基本相同的情况下,钢支撑的截面越大,则与其相连的框架柱的轴力增加越多。

产生这种现象的原因是由于加钢支撑后结构的侧移刚度、质量的增加导致地震反应随之增大,大部分的水平地震作用会通过梁柱节点传递至钢支撑,然后再由钢支撑传递至框架柱,从而使得框架柱的轴力随之增大。

四、结论

通过上述分析,可以得到在类似于本文的结构方案条件下,十字交叉中心钢支撑的采用会对钢筋混凝土纯框架结构产生如下影响:

1、十字交叉中心钢支撑能够有效地减小结构位移、平动周期以及扭转周期,且在最大应力比相同的情况下,H型钢支撑对结构的位移改善效果比无缝钢管和箱型截面的支撑好;

2、在最大应力比相同的情况下,与无缝钢管和箱型截面的支撑相比,H型钢截面的支撑所承受的抗倾覆弯矩更多,即在抗震情况下,H型钢截面的支撑能够较好地发挥第一道防线的作用;

3、在最大应力比相同的情况下,无缝钢管和箱型截面这种封闭截面比H型钢的截面尺寸小,经济性较好。

4、钢支撑截面尺寸对与其相连接的结构构件内力有较大影响,在最大应力比相同的情况下,钢支撑的截面越大,与其相连的框架柱轴力越大。故而在抗震加固设计时应在满足抗震措施的前提下,尽量选用较小的支撑截面,以避免过大的地震作用。

(本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)