某大跨正交斜放鋼網格樓蓋-鋼框架結構加固后力學性能分析

胡 宏,閆翔宇,郭紅云,李進軍

(1.中國建筑西南區域總部，四川成都 610000；2.中建長江建設投資有限公司，四川成都 610000；3.天津大學建筑設計研究院，天津 300072))

1 工程概況

隨著國民經濟的發展，生產力大幅提高，建筑結構材料從古代的木料、石材等傳統材料發展到現今的混凝土材料，鋼結構。建筑的高度和跨度隨著計算理論和材料的發展而向著高度更高、跨度更大的方向發展。

建筑結構在設計、施工、管理過程中不能完全按預想進行，遭受災害損壞以及耐久性不足等原因，常常需要對既有結構進行加固改造[1]。目前針對鋼結構的加固設計方法主要包括減輕荷載、改變計算簡圖、加大原有結構構件截面、連接和節點的加固、纖維增強復合材料加固法、預應力加固法、阻止裂紋開展等[2][3]。

某綜合樓采用鋼結構主體，其平面尺寸為：25.2 m×33.6 m，主體工程高16.43 m，考慮使用功能需求，采用了大跨度樓蓋和屋蓋，其平面尺寸為25.2 m×25.2 m(圖1)。

圖1 某圖書館綜合樓工程施工現場

該項目設計時采用Q345B鋼材，但在實際建造時受各種條件限制，擬采用Q235B進行替代，結合項目實際情況，需進行加固設計。

2 加固措施設計與分析

本項目結構形式為框架-支撐結構，其中柱采用H型鋼混凝土柱，梁和支撐采用H型鋼。大跨樓蓋采用正交斜放單層鋼網格結構，特別是在Y方向大跨樓蓋僅設置單排框架柱，受力狀態較為不利。結構平面圖如圖2所示。

采用有限元軟件midas Gen855，建立主體結構分析有限元模型，柱間支撐選用桁架單元，樓板采用板單元，其他梁和柱構件均選用梁單元，整體計算模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

當材料改為Q235B后，經過分析發現，部分型鋼混凝土柱應力比較大，最大達到1.30，不滿足規范要求。

通過對比研究分析，提出了將部分應力比較大和超過1.0的型鋼混凝土結構中H型鋼翼緣處焊接鋼板，形成箱型鋼骨，并適當增加配筋的方案，加固方式如圖4所示。

圖4 型鋼混凝土柱加固方案

加固前后柱應力比如圖5所示，可以發現，加固前很多柱應力比超限，經過加固處理，應力比有了明顯的減小且滿足規范要求。

圖5 加固前后柱應力比

將部分應力比較大的鋼梁增大截面，同時對應力比較小的構件進行優化設計，優化鋼梁位置詳見圖2。

3 加固前后抗震性能分析

本項目抗震設防烈度為8度，基本地震加速度0.20g，標準設防類，場地土類別II類，地震分組為第二組。

綜合考慮分析結果，考慮改進后的結構布置建立模型，采用有限元軟件，把構件自重、恒載和活載轉化為節點質量，建立動力分析模型。

3.1 周期與振型

采用反應譜分析方法，由特征值分析得到結構頻率變化曲線如圖6所示。

圖6 頻率變化曲線

據有有限元軟件分析結果可知，結構前6階振型頻率較低，總體來看自振頻率較為密集，整體振動振型較多，表明結構剛度分布較為合理。

查看前3階的周期與振型和模態圖可知(圖7、圖8)，加固前后第1 階振型為X向平動;第2 階振型為Y向平動;第3 階振型為扭轉，且周期比=T3/T1分別為：優化后0.823、優化前0.507 ，均小于0.85。

圖7 加固前前3階振型與周期

圖8 加固后前3階振型與周期

在本加固設計的過程中，對應力比超限的柱進行了加固，其方式主要為型鋼混凝土結構中H型鋼翼緣處焊接鋼板，形成箱型鋼骨，并適當增加配筋的方案，對比加固前后頻率，可以發現加固后結構各階頻率均較加固前變大，結構周期變小，剛度增加。

3.2 層位移

采用振型分解反應譜法，加固前后X向地震作用下X方向各層位移如圖9所示。分析計算結果可知，頂層位移不超過35 mm，滿足頂層質心側移不超過建筑高度1 /250 的要求[4]。

圖9 振型分解反應譜法X方向最大位移

通過加固措施，頂層加固前位移由34.8 mm減少到29.1 mm，X向地震作用下X方向頂層位移減小19.6 %左右，可見所采取的加固措施起到了較好的加固效果。

加固前后地震作用下Y方向各層位移如圖10所示。由圖可知，滿足頂層質心側移不超過建筑高度1 /250 的要求[4]。通過加固，頂層加固前位移由56.5 mm減少到47.9 mm，EY向地震作用下Y方向頂層位移減小18.0 %左右，可見所采取的加固措施起到了較好的加固效果。

圖10 振型分解反應譜法Y方向最大位移

3.3 層剪力

樓層剪力是判定結構受地震作用影響大小的重要指標，在多余地震作用下，通過振型分解反應譜法求解得層剪力如圖11所示。

圖11 振型分解反應譜法樓層剪力

對比分析加固前后樓層剪力，加固后各樓層剪力均有所增大，表明加固后結構剛度變大，受地震作用增大。

4 結論

通過對本大跨樓蓋正交斜放鋼網格-鋼框架整體結構體系加固前后靜力性能分析、小震下抗震性能分析可以得出如下結論：

(1)對柱的加固可以有效降低應力比，同時有效減小豎向位移。加固后X方向頂層位移減小19.6 %左右,Y方向頂層位移減小18.0 %左右。可有效提高結構安全性。

(2)通過對柱的加固和梁的優化，使結構的剛度增大，周期減小，從而使結構受地震作用略有增大。