某鋼框架廠房抗震加固設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討

劉 一 凡

(上海建安化工設(shè)計(jì)有限公司，上海 200437)

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某鋼框架廠房抗震加固設(shè)計(jì)中的問(wèn)題探討

劉 一 凡

(上海建安化工設(shè)計(jì)有限公司，上海 200437)

結(jié)合工程實(shí)例，論述了原有建筑抗震構(gòu)造措施不滿足現(xiàn)行規(guī)范時(shí)，采用增加隅撐、增加橫梁等方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)的可行性[5]，并提出了改建建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，結(jié)構(gòu)加固計(jì)算和設(shè)計(jì)建議，供類似加固設(shè)計(jì)工程參考。

鋼框架結(jié)構(gòu)，抗震加固設(shè)計(jì)，隅撐，改建

1 工程概況

某化工生產(chǎn)車間為一幢3層(局部夾層)鋼框架結(jié)構(gòu)生產(chǎn)用房，位于奉賢區(qū)目華路88號(hào)上海化學(xué)工業(yè)區(qū)內(nèi)，靠近北銀河路，設(shè)計(jì)單位為上海亞新工程顧問(wèn)有限公司，施工單位為上海廣廈(集團(tuán))有限公司，該建筑平面不規(guī)則，局部有凹凸，東西向總長(zhǎng)47.8 m，南北向總寬31.15 m，在房屋的西南部和東北部設(shè)置室內(nèi)樓梯間，在房屋的中西部設(shè)置電梯間，在④軸～⑥軸/?軸～軸設(shè)置夾層。1層樓面標(biāo)高為7.5 m，2層樓面標(biāo)高為15.0 m，屋面標(biāo)高為24.0 m。結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1，圖2。現(xiàn)因擴(kuò)大產(chǎn)能需要,欲在圖1，圖2云線范圍內(nèi)增加設(shè)備，增加設(shè)備區(qū)域縱向柱距為8 500 mm，橫向柱距為9 500 mm。

該結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)時(shí)抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度為7 度，地震加速度值為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s。阻尼比取為0.04，抗震等級(jí)為四級(jí)，基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2。現(xiàn)因增產(chǎn)后該房屋生產(chǎn)易燃易爆物質(zhì)，根據(jù)GB 50223—2008建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[2]，抗震設(shè)防類別應(yīng)定為乙類建筑，地震作用按7度設(shè)防烈度計(jì)算，抗震措施按三級(jí)框架考慮。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件及模型

結(jié)構(gòu)空間整體計(jì)算分析軟件采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件PKPM[3]計(jì)算，該軟件采用空間桿系計(jì)算梁、柱等桿件內(nèi)力。

3 抗震計(jì)算分析

1)該生產(chǎn)車間為空間鋼框架結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[4]第8.1.1 條規(guī)定，設(shè)防烈度為7 度時(shí)鋼框架的最大適宜高度為90 m，本生產(chǎn)車間從室外地面到主要屋面板高度為24.2 m，滿足抗震規(guī)范要求。2)該車間長(zhǎng)度為47.8 m，寬度為31.15 m，高寬比為0.776，遠(yuǎn)小于GB 50011—2010第8.1.2 高寬比6.5的限值。3)結(jié)構(gòu)沿豎向主要樓層共3層，每層主樓層內(nèi)均有局部夾層。樓蓋為鋼筋混凝土樓板，并與梁有可靠連接，主樓層開(kāi)洞面積不大于該樓層面積的30%，可假定為平面內(nèi)無(wú)限剛性。4)本生產(chǎn)車間按三級(jí)鋼框架進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.3.1 條規(guī)定，框架柱的長(zhǎng)細(xì)比不應(yīng)大于82.5。經(jīng)驗(yàn)算，3.75 標(biāo)高以下，軸上軸處、軸上軸處、?軸上①軸處柱子x向長(zhǎng)細(xì)比分別為102.3，94.8，109.3；7.5 m標(biāo)高和3.75 m標(biāo)高之間、7.5 m和11.25 m標(biāo)高之間，軸上軸處、軸上軸處x向鋼柱長(zhǎng)細(xì)比均為87.5；15 m標(biāo)高與11.25 m標(biāo)高之間，軸上軸處、軸上軸處框架柱長(zhǎng)細(xì)比為86.1；19.35 m標(biāo)高與15.0 m標(biāo)高之間，軸上軸處、軸上軸處框架柱長(zhǎng)細(xì)比為95.5；23.7 m標(biāo)高與19.35 m標(biāo)高之間，軸上軸處框架柱長(zhǎng)細(xì)比為102.1。5)根據(jù)GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]及GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)車間用PKPM 軟件建立空間模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出在設(shè)計(jì)荷載組合下，按7 度設(shè)防考慮地震作用，所得每標(biāo)準(zhǔn)層最不利的梁和柱應(yīng)力比見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)層最不利的梁和柱應(yīng)力比表

4 結(jié)構(gòu)加固改造方案選用[7，8]

針對(duì)部分框架柱長(zhǎng)細(xì)比不足，部分框架梁應(yīng)力比超標(biāo)的問(wèn)題,現(xiàn)有兩種加固方案，第一種方案為采用外包鋼筋混凝土加固長(zhǎng)細(xì)比不足的框架柱，替換應(yīng)力比不足的框架梁，第二種方案為在長(zhǎng)細(xì)比不足的框架柱間設(shè)置橫梁以減小柱的長(zhǎng)細(xì)比，在應(yīng)力比不足的框架梁下設(shè)置隅撐。這兩個(gè)方案從結(jié)構(gòu)體系受力來(lái)講都能起到提高框架柱長(zhǎng)細(xì)比，增加框架梁承載力的作用。

但因方案一需要較大操作空間,施工難度大,總體費(fèi)用高,故在此項(xiàng)目中我們選用方案二進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

5 加固布置原則及結(jié)構(gòu)加固分析

由于原設(shè)計(jì)按丙類建筑、四級(jí)框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，而本單體需按乙類建筑、三級(jí)框架進(jìn)行改造。根據(jù)PKPM計(jì)算結(jié)果，本單體位移、承載力等基本都滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，僅部分框架柱長(zhǎng)細(xì)比不滿足現(xiàn)行抗震構(gòu)造規(guī)定，少部分框架梁應(yīng)力比超標(biāo)。故可采用“哪里不足，加固哪里”的原則，僅需對(duì)長(zhǎng)細(xì)比不足的柱及應(yīng)力比不足的梁加固即可。

加固設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì)具體的結(jié)構(gòu)部位具體分析，對(duì)于框架柱，要明確長(zhǎng)細(xì)比具體是繞哪個(gè)軸不足，若是單向不足，僅在一個(gè)方向加固即可，對(duì)于框架梁，要確定增加隅撐之后是否對(duì)工藝管道走向以及行人通行產(chǎn)生影響。例如：?軸上①軸處的柱子繞x軸向長(zhǎng)細(xì)比超標(biāo)，可在①軸上軸，?軸線間標(biāo)高3.75 m，11.25 m和19.35 m處增設(shè)橫梁以減小框架柱在y向的計(jì)算長(zhǎng)度，從而減小框架柱繞x向長(zhǎng)細(xì)比。軸上軸處和軸上軸處柱子繞x軸長(zhǎng)細(xì)比不滿足規(guī)范要求，可通過(guò)在軸和軸的框架柱和框架

梁之間加設(shè)隅撐，以減小框架柱在y向的計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)滿足要求，同時(shí),與軸柱相連的y向框架梁應(yīng)力比超限，加設(shè)隅撐可以起到對(duì)該軸框架梁的支撐作用，增加框架梁的承載力，使框架梁的應(yīng)力比達(dá)標(biāo)。隅撐的下端可設(shè)置于被加固的框架柱中間，上端位于軸和軸上的框架梁上，隅撐角度以45°為宜(見(jiàn)圖3)。

6 結(jié)構(gòu)加固后對(duì)原有結(jié)構(gòu)的影響

由于采取“哪里不足，加固哪里”的原則，該改造方案僅對(duì)原有結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造不滿足要求的構(gòu)件進(jìn)行加固，經(jīng)PKPM軟件計(jì)算，加固改造后，該廠房的剛度、位移、承載力都未產(chǎn)生大的變化，同時(shí)，由于僅僅增加了部分橫梁及隅撐，而不需拆除原有的梁柱，施工難度大大降低，對(duì)原有設(shè)備的布置也未產(chǎn)生影響，是一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的加固方案。

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)抗震構(gòu)造不滿足規(guī)范要求的既有的框架結(jié)構(gòu)建筑物，在合理的部位增設(shè)隅撐與橫梁，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的加固方法。它改變了以往的大范圍替換梁柱承載結(jié)構(gòu)的方法。增設(shè)隅撐及橫梁后使框架柱的計(jì)算長(zhǎng)度減小，滿足了規(guī)范要求的最小長(zhǎng)細(xì)比要求，同時(shí)，隅撐的設(shè)置增加了框架梁的承載力，使舊有建筑在不傷筋動(dòng)骨的情況下，達(dá)到現(xiàn)行的抗震標(biāo)準(zhǔn)，保證了生產(chǎn)及人員的安全。

[1] 宋 鋒.鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術(shù)及其工程應(yīng)用研究[D].北京：清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

[2] GB 50223—2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.PKPM系列——STS用戶手冊(cè)及技術(shù)條件[Z].2010.

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] 王 東，馬彩紅.鋼結(jié)構(gòu)支撐在某框架結(jié)構(gòu)廠房抗震加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].甘肅科技縱橫，2006，35(1)：100-102.

[6] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 戚振安.建筑結(jié)構(gòu)抗震加固方法探討[J].科技傳播，2010，9(上)：89-90.

[8] 李愛(ài)文，黃奕輝，楊勇新.結(jié)構(gòu)抗震加固方法概論[J].福建建筑，2010(7)：110-111.

Inquiry on anti-seismic reinforcement design of the steel frame workshop

Liu Yifan

(ShanghaiJian’anChemicalIndustryDesignCo.,Ltd,Shanghai200437,China)

Combining with engineering example, the paper discusses the feasibility of applying the methods of increasing knee-bracing and horizontal beam for structural reinforcement design when the existing building seismic structure failing to current norms, and puts forward structural reinforcement computation and design suggestions when the rebuilt building seismic standards are improved, which will provide some guidance for similar reinforcement design engineering.

steel frame structure, anti-seismic reinforcement design, knee-bracing, reconstruction

1009-6825(2016)13-0043-02

2016-02-24

劉一凡(1982- )，男，工程師

TU352

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