套建增層預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)研究

周 俊 羅輝輝 胡鵬飛

(1.揚州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127; 2.揚州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

隨著加固改造技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，套建增層作為一種新的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在工程實踐中得到了越來越多的研究和應(yīng)用。套建增層指在不妨礙既有建筑及基礎(chǔ)的前提下，通過外側(cè)框架柱的支承越過原有建筑，在其上實現(xiàn)增層的目的的新技術(shù)。套建增層可分為分離式和協(xié)同式兩種結(jié)構(gòu)型式。

分離式套建增層作為一種與既有建筑分離、不影響既有建筑正常使用，可避免將施工階段荷載傳至既有房屋的屋蓋，既保證了既有房屋的安全，又保證了既有房屋的正常使用。

對于建筑高度較高的既有建筑，宜采用協(xié)同式套建增層結(jié)構(gòu)。用連桿連接增層結(jié)構(gòu)柱與原結(jié)構(gòu)各層的結(jié)點，使原建筑與套建增層建筑構(gòu)成水平協(xié)同變形、豎直方向相對自由變形的結(jié)構(gòu)型式。可以縮小套建增層結(jié)構(gòu)柱的截面尺寸，套建增層結(jié)構(gòu)“高雞腿”效應(yīng)[1]得到了緩解。

本文介紹了國內(nèi)套建增層預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土框架結(jié)構(gòu)近年來的研究進(jìn)展，主要包括分離式套建增層框架的相關(guān)問題研究和協(xié)同式套建增層框架的相關(guān)問題研究，最后提出了既有房屋套建增層的套建增層功能改造存在的主要問題。

1 分離式套建增層框架相關(guān)問題

我國雖然開展了一些既有房屋的套建增層實踐，但系統(tǒng)的理論與試驗研究尚需進(jìn)一步深入。

高劍平[2]對磚混結(jié)構(gòu)的建筑外套框架四層(在原2層磚混建筑結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上套建增層增加到4層)進(jìn)行縮尺比例為1/5的振動臺地震模擬模型試驗。利用了模態(tài)識別技術(shù)測了建筑結(jié)構(gòu)模型的動力特性，觀測到了裂縫開展形態(tài)和地震響應(yīng)。試驗結(jié)果與理論分析都說明：對于外套增層建筑層數(shù)較低、高寬比較小建筑結(jié)構(gòu)的振動與破壞均以結(jié)構(gòu)的剪切變形為主，新舊結(jié)構(gòu)交接相鄰的上下樓層有可能成為薄弱環(huán)節(jié)。

王琨等[3,4]基于兩榀配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架試件在水平低周往復(fù)荷載作用下的試驗研究，主要對其力學(xué)性能非線性分析和抗震性能進(jìn)行了研究；對型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架恢復(fù)力模型特性進(jìn)行了研究，相關(guān)研究可為簡化結(jié)構(gòu)彈塑性動力分析提供參考[5]。

計靜等[6]構(gòu)建了一種帶預(yù)應(yīng)力以內(nèi)置H型鋼混凝土組合梁作為框架梁、以內(nèi)置4個或8個角鋼混凝土柱為框架柱的新型框架結(jié)構(gòu),該框架適用于既有房屋的套建增層改造工程。給出這種新型框架結(jié)構(gòu)的施工方案和節(jié)點構(gòu)造,可為套建增層工程提供設(shè)計參考。

宋健[7]闡述了外套框架加層設(shè)計的一些基本要求并給出外套—支撐框架的加層結(jié)構(gòu)、外套框架—剪力墻的加層結(jié)構(gòu)、外套框架—舊框架的短梁連接加層結(jié)構(gòu)的彈性設(shè)計方法和施工方法。

張春梅[8]提出了采用空腹疊置桁架進(jìn)行外套增層的方案，并對一榀跨度為19 m，底層結(jié)構(gòu)層高為22.55 m，上部結(jié)構(gòu)層高為4 m，上部增加層數(shù)為三層的外套空腹疊置桁架進(jìn)行了抗震性能分析。結(jié)果表明，采用空腹的疊置桁架外套增層框架在常遇地震作用下轉(zhuǎn)角、位移較小，同時具有方案合理、經(jīng)濟(jì)可行、方便施工的優(yōu)點。

鄭文忠等[9]完成兩榀型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架水平低周反復(fù)荷載試驗，考察這類框架滯回特性、骨架曲線、剛度退化、耗能能力、殘余變形、破壞形態(tài)等抗震性能，并采用Opensees軟件對兩榀框架進(jìn)行滯回模擬分析。考察柱軸壓比、長細(xì)比、梁內(nèi)型鋼截面抵抗矩、柱含鋼率、梁配筋率及預(yù)應(yīng)力度等參數(shù)的框架結(jié)構(gòu)骨架曲線的影響。研究結(jié)果表明，此類框架具有很好的抗震性能，為套建增層在抗震區(qū)推廣使用提供了參考依據(jù)。

孫緒杰等[10]為解決套建增層巨型框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的倒塌分析以及與施工相結(jié)合的設(shè)計方法等方面研究滯后于工程實踐的問題，利用彈塑性分析程序IDARC2D分析現(xiàn)行的抗震規(guī)范規(guī)定的三類場地土、第一、二、三地震分組、7度和8度設(shè)防烈度的套建增層巨型框架結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)，研究其結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制。結(jié)果表明，底層巨型框架的設(shè)計是控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)梁鉸機(jī)制的關(guān)鍵。提出通過適當(dāng)提高框架抗震等級的措施來避免倒塌。結(jié)合施工的實際情況，凝煉了套建增層巨型框架的施工技術(shù)措施。彈塑性地震分析結(jié)果提出與施工相結(jié)合的設(shè)計方法，為套建增層巨型框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

陸雙武[11]在套建增層混凝土框架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)控制理論。將一榀外套混凝土框架結(jié)構(gòu)跨度12 m，結(jié)構(gòu)底層層高12.2 m，其上增加2層(層高3 m)，將隔震支座設(shè)置成橡膠的，有效地減弱了輸入的地震能量，減輕了整個框架結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。通過對框架進(jìn)行動力時程分析，減小了地震作用下各層結(jié)構(gòu)的加速度、層間位移和剪力，得出了套建增層預(yù)應(yīng)力混凝土框架結(jié)構(gòu)采用隔震措施是有效的結(jié)論。

另外，四川省建筑科學(xué)研究院主持編制了CECS 78:96磚混結(jié)構(gòu)房屋加層技術(shù)規(guī)范。在該規(guī)范中論述了加層的基本原則、直接加層法和外套結(jié)構(gòu)加層法等內(nèi)容。其中外套結(jié)構(gòu)加層法中論述了可采用的幾種結(jié)構(gòu)體系：如可采用在原房屋外套“底層框架—剪力墻，上部各層為磚混結(jié)構(gòu)”“底層框架—剪力墻，上部各層為框架結(jié)構(gòu)”“底層及上部各層均為框架結(jié)構(gòu)”等，并對外套結(jié)構(gòu)房屋總高度和總層數(shù)進(jìn)行了限制。但所提限值是根據(jù)全國各地已建成的分離式加層結(jié)構(gòu)的實踐經(jīng)驗并參考相關(guān)規(guī)范而制定的，沒有可靠的理論依據(jù)。

2 協(xié)同式套建增層框架相關(guān)問題

張昊宇[12]針對與既有房屋協(xié)同工作的套建增層框架應(yīng)采用怎樣的設(shè)計原則這一問題,提出應(yīng)當(dāng)根據(jù)原房屋的使用要求和質(zhì)量,分別采用不同的設(shè)計原則和施工順序的觀點。針對與原房屋結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的套建增層框架的不同工程條件和受力特點,介紹了四種新舊建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的連接構(gòu)造,說明了套建增層框架結(jié)構(gòu)節(jié)點上下柱端彎矩在分配過程中應(yīng)注意哪些問題。以一個與原房屋協(xié)同工作的套建增層框架結(jié)構(gòu)為例,說明了將套建增層框架結(jié)構(gòu)與原房屋協(xié)同工作的優(yōu)越性。

韓圣章[13]通過三榀鋼框架結(jié)構(gòu)模型試驗，探討了在套建框架與原框架結(jié)構(gòu)之間設(shè)置連接件后,整個增層框架是否影響剛度、動力響應(yīng)和動力特性。結(jié)果表明：

1)整體框架結(jié)構(gòu)設(shè)置連接件后可以改善抗震性能。

2)連接件的剛度、阻尼比和新舊結(jié)構(gòu)剛度比影響既有框架和套建框架。

鄭文忠等[14]針對如何確保協(xié)同式套建增層框架“大震不倒”這一問題，采用IDARC(2D)非線性分析程序?qū)f(xié)同式套建增層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行罕遇地震作用下的非線性時程分析。研究表明，協(xié)同式套建增層框架結(jié)構(gòu)的薄弱層大多在新增樓蓋以下的樓層；部分原建筑結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞程度比新增結(jié)構(gòu)嚴(yán)重；部分在罕遇地震的按規(guī)范設(shè)計的協(xié)同式套建增層框架作用下發(fā)生倒塌破壞。根據(jù)計算結(jié)果提出了協(xié)同式套建增層框架結(jié)構(gòu)的適用范圍、外套框架的柱軸壓比限值和柱端彎矩增大系數(shù)及相關(guān)的構(gòu)造措施，時程分析表明采用以上措施的套建增層結(jié)構(gòu)能夠做到“大震不倒”。

3 結(jié)語

由于套建增層改造技術(shù)及其功能改造技術(shù)新增的基礎(chǔ)大多為樁基礎(chǔ),所以著重對上部結(jié)構(gòu)展開下述問題的研究。

1)盡管開展了一些原建筑套建增層結(jié)構(gòu)改造的工程實踐,但對套建增層框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下倒塌機(jī)制和防倒塌措施研究依然很少。雖然協(xié)同式套建增層框架結(jié)構(gòu)依然被工程界看好,但是對協(xié)同式套建增層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)則、連接構(gòu)造、其在罕遇地震作用下能夠協(xié)同工作的新舊建筑結(jié)構(gòu)而不發(fā)生倒塌的抗震設(shè)計理論的研究仍然太少。

2)既有房屋套建增層改造結(jié)構(gòu)設(shè)計理論急需形成。將砌體建筑改造成套建增層框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)則、改造后梁柱的受力機(jī)理、房屋結(jié)構(gòu)改造后的抗震性能仍然需要研究。

3)對既有房屋套建增層改造采用哪種套建增層結(jié)構(gòu)形式更為合理,以及對于具體改造工程是采用“套建改造”還是“拆除重建”的問題,引起建設(shè)單位和設(shè)計單位的關(guān)注。改造后能否達(dá)到預(yù)期效果是業(yè)主和設(shè)計者關(guān)注的問題。所以,研究原房屋套建增層改造與拆除重建決策系統(tǒng)是必要的。編制出能使設(shè)計單位、施工單位和監(jiān)理單位有可循之規(guī)的套建增層改造的技術(shù)措施和決策系統(tǒng),能夠推進(jìn)我國既有房屋套建增層改造事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn):

[1] 張昊宇.協(xié)同式套建增層預(yù)應(yīng)力混凝土框架抗震性能與設(shè)計方法[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2009.

[2] 高劍平.磚混房屋整體式外套結(jié)構(gòu)加層研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2003.

[3] 王 琨,袁沈峰,曹大富,等.配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2013,34(6)：103-112.

[4] 王 琨,袁沈峰,智海祥,等.配置核心鋼管的鋼筋混凝土柱—鋼骨混凝土梁組合框架力學(xué)性能非線性分析[J].工程力學(xué),2016,33(10):197-207,217.

[5] 王 琨,袁沈峰,曹大富,等.型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架恢復(fù)力模型特性研究[J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2014,34(10):1012-1017.

[6] 計 靜,鄭文忠,姜良芹.預(yù)應(yīng)力鋼骨混凝土框架在套建增層中應(yīng)用[J].低溫建筑技術(shù),2007(6):43-44.

[7] 宋 健.外套框架加層房屋抗震設(shè)計與研究[D].南京：東南大學(xué)碩士學(xué)位論文,1997.

[8] 張春梅.外套框架增層改造設(shè)計方案研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2003.

[9] 鄭文忠,王 琨.型鋼混凝土梁—角鋼混凝土柱框架抗震性能試驗研究[J].土木工程學(xué)報,2011,44(3):49-60.

[10] 孫緒杰,鄭文忠,李成河.套建增層巨型框架抗震設(shè)計方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,42(12):1860-1865.

[11] 陸雙武.外套框架增層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔振在舊房改造中的應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2001.

[12] 張昊宇,鄭文忠.既有房屋與套建增層框架協(xié)同工作的相關(guān)問題[J].建筑結(jié)構(gòu),2007(3):36-39.

[13] 韓圣章,邱奎寧,楊建江.增層結(jié)構(gòu)的抗震試驗研究[J].建筑科學(xué),2001(6):29-32.

[14] 鄭文忠,張昊宇.協(xié)同式套建增層框架時程分析及防倒塌措施[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,43(4):6-11.