薄鋼板剪力墻加固框架結構的地震反應分析

劉芮汐 郭洪曄 劉坦

關鍵詞：抗震加固；薄鋼板剪力墻；時程分析

摘要：對唐山市玉田縣某中學宿舍樓采用薄鋼板剪力墻加固法進行加固改造，運用PKPM軟件和SAP2000有限元軟件對加固前后的結構進行地震反應分析，分析結果表明加固改造后結構的抗震性能有大幅度提高，可以滿足規范的要求，采用薄鋼板剪力墻加固既有結構具有良好的減震效果和社會經濟效益，具有很好的可應用性，在建筑抗震加固領域將會有更長遠的發展。

0 引 言

由于自然災害、長期疲勞等使建筑結構在使用過程中可能發生損傷，導致建筑不能達到正常安全使用的要求，嚴重時還可能使結構發生整體性破壞，造成人身、經濟損失。因此，有必要對某些超過設計使用年限、改變使用功能或有安全隱患的已有建筑結構進行抗震鑒定加固。薄鋼板剪力墻加固法的主要特點[1]是施工工藝簡單，現場濕作業少，施工過程中對生活和生產影響小，加固后對原結構外貌、凈空、使用功能無明顯改變，就地取材容易，加固成本低，易于大范圍推廣，加固后墻體可以作為剪力墻，能夠提高結構的側向剛度從而提高抗震能力，使得原有建筑達到國家抗震設計規范的要求。

1 工程概況

本工程是2002年設計并施工的一棟四層框架結構中學宿舍樓，位于河北省唐山市玉田縣，建筑結構質量、剛度分布基本均勻規則，層數為4，跨數為6×2，層高均為3.0m。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度0.15g，抗震等級為三級，Ⅱ類場地，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.35s。汶川地震后我國頒布了新的建筑抗震設計規范，將中小學校、幼兒園、醫院等建筑的設防標準由丙類提升為乙類重點設防，唐山地區考慮本地的實際情況，根據地方標準將上述建筑的抗震設防烈度提高一度考慮，因此就要對本工程進行抗震能力評估，經評估該工程在8度區多項抗震構造措施不能滿足抗震鑒定標準的要求，采用SAP2000有限元軟件對原工程進行非線性時程分析，本工程最大層間位移角為1/489，大于規范要求的層間位移角限值1/550，因此結構需要進行抗震加固改造。

2 結構抗震分析及加固方案設計

2.1 結構地震反應分析

根據結構實際尺寸、材料、荷載等，按照現行規范標準在PKPM軟件中進行建模計算。進行SATWE有限元分析，計算結果顯示，結構在地震作用下 X方向的最大值層間位移角為1/507大于規范限值。進行結構承載力計算，發現結構一層柱B/2、B/3、B/4、B/5、B/6（共5根）軸壓比分別為0.93、0.87、0.86、0.87、0.93大于規范規定的軸壓比限值0.75，一層16根柱、二層21根柱、三層18根柱現有配筋不能滿足設計要求，因此，結構需要進行加固改造。

2.2加固方案設計

貼薄鋼板剪力墻加固將原有建筑由框架結構改變成框架剪力墻結構，結構的受力性能更加合理，同時新增加的剪力墻可以承擔結構的大部分內力，增大結構側向剛度，有效控制結構的側向位移。根據規范的要求，剪力墻應沿結構全高布置，避免產生剛度突變，盡量布置在結構周邊、樓梯間附近，各剪力墻之間的距離不宜太大，應均勻、分散、對稱布置。本工程采用2mm厚的Q235B薄鋼板沿結構全高貼在A-D軸交1軸、4軸、7軸，A軸交1-2軸、3-5軸、6-7軸，D軸交1-2軸、3-5軸、6-7軸之間的墻體上形成薄鋼板剪力墻加固框架結構，鋼板通過魚尾板與周邊框架連接，有洞口的墻體在洞口周邊布置水平、豎向邊緣加固構件來減小洞口對鋼板承載能力的削弱。

由于薄鋼板在水平荷載作用下非常容易發生屈曲，水平荷載主要以拉力方式傳遞，為了簡化分析，當鋼板的長細比大于1500時，可以把薄鋼板簡化成等間距交叉布置的斜拉帶模型[2]，進行模擬地震作用有限元分析。根據以往研究[3]中得出的公式計算，在本工程中可以將每片加固的薄鋼板簡化成20條傾角為45°交叉布置的斜拉帶，斜拉帶可以由拉桿來進行模擬，拉桿的材料屬性與薄鋼板相同，對每根拉桿桿端釋放彎矩和扭矩來實現拉桿與周邊框架梁、柱的鉸接。

3 加固效果分析

3.1 模態分析

加固前后結構的模態分析周期和頻率對比結果見表1。

從以上對比中可以看出，貼薄鋼板剪力墻加固后結構的周期減小，頻率增大，結構的剛度有大幅度增加，結構的動力能有很大改善。

3.2 非線性時程分析

采用SAP2000有限元軟件在8度0.2g條件下對加固前后的結構分別進行常遇地震作用下的非線性動力時程分析，地震波選用唐山波-南北向，加速度峰值為55.49cm/s?，步長取0.01s，持續時間15s。由分析結果可以看到，薄鋼板剪力墻加固后結構的側向剛度明顯增大，層間位移角得到了很好的控制，降幅在71%到92%之間，最大層間位移角為1/1726，能夠滿足規范的要求，加固前后結構在地震波作用下的層間位移角對比見圖1。

圖1 唐山波作用下樓層位移角

4 結 語

通過對本工程的加固改造設計，證明了薄鋼板剪力墻加固技術具有以下優點：施工工藝簡單，施工現場基本無濕作業，造價低，工期短。可以在保持原建筑外貌、使用空間不變的條件下，對結構進行加固，提高結構的抗震能力。薄鋼板剪力墻加固技術的確能取得良好的加固效果和社會經濟效益，具有很好的可應用性，在日后的建筑抗震加固中將會有廣闊的應用空間。

參考文獻：

[1] 蔡克栓，林盈成，林志翰.鋼板剪力墻抗震行為與設計[J].建筑鋼結構進展，2007，9（5）：19-25.

[2] 蘇幼坡，劉英利，王紹杰.薄鋼板剪力墻抗震性能試驗研究[J].地震工程與工程振動，2002， 22 （4）： 81-84.

[3] 孫國華，顧強，何若全，方有珍.基于等效拉桿模型的薄鋼板剪力墻結構滯回性能分析[J]建筑科學與工程學報，2013，30（1）：38-48.