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    鋼結(jié)構(gòu)直接加層中柱腳剛度對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

    作者:楊曉明等    
    時(shí)間:2009-12-22 20:26:03 [收藏]
    由于自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),鋼結(jié)構(gòu)直接在混凝土結(jié)構(gòu)上加層,正越來(lái)越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。
      摘 要: 由于自重輕、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),鋼結(jié)構(gòu)直接在混凝土結(jié)構(gòu)上加層,正越來(lái)越多的應(yīng)用到實(shí)際工程中。加層后形成的混合結(jié)構(gòu)由于原結(jié)構(gòu)和加層結(jié)構(gòu)采用不同的結(jié)構(gòu)形式,存在質(zhì)量和剛度的突變,從而柱腳剛度將影響結(jié)構(gòu)的整體性能,本文結(jié)合工程實(shí)例,采用有限元分析程序從層剪力、層間位移等方面比較分析剛性柱腳和半剛性柱腳對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。
      關(guān)鍵詞: 鋼結(jié)構(gòu)直接加層;(半)剛性柱腳;層剪力;層間位移

      鋼結(jié)構(gòu)直接加層是一種常見(jiàn)的改建形式,是指以下部砌體結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的頂層為基礎(chǔ),新建鋼結(jié)構(gòu)樓層,兩者采用必要連接措施形成混合結(jié)構(gòu),是超限結(jié)構(gòu)的一種。本文采用SAP程序結(jié)合工程實(shí)例比較分析不同柱腳處理方式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。
      1、工程概況

      2、 模型建立的細(xì)節(jié)處理
      柱腳可分為鉸接、剛接和半剛接三種。由于豎向荷載的存在,即使采用兩個(gè)螺栓固定的柱腳實(shí)際上對(duì)柱也能產(chǎn)生一定的約束作用[1],圖2為文獻(xiàn)[2] [3]所提到工程中常用柱腳處理方式,顯然鉸接不能夠準(zhǔn)確的反映實(shí)際受力情況,所以本文在模型的建立過(guò)程中僅采用剛性、半剛性兩種柱腳方式。

      3 、加層前后結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
      由表三可見(jiàn):鋼結(jié)構(gòu)加層后結(jié)構(gòu)自振周期變長(zhǎng),第一周期由原結(jié)構(gòu)的0.8435s,變?yōu)閯傂约訉拥?.2808s和半剛接加層的1.3164s,半剛性加層后的周期要稍大于剛性加層后結(jié)構(gòu)周期。加層前后結(jié)構(gòu)的第一振型均為沿y軸的平動(dòng),第二振型為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn),第三振型為沿x軸的平動(dòng)。剛接加層的后前四階振型如圖3。



      4、 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析
      鋼結(jié)構(gòu)直接加層形成的混合結(jié)構(gòu),由于原結(jié)構(gòu)和加層部分之間采用不同的結(jié)構(gòu)形式,質(zhì)量、剛度發(fā)生突變屬于豎向不規(guī)則結(jié)構(gòu),地震作用下多變形突然加大現(xiàn)象。振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算能較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)地震反應(yīng),本文在振型分解反應(yīng)譜的基礎(chǔ)上補(bǔ)充結(jié)構(gòu)在Y向(框架平面內(nèi))EL.centro波激勵(lì)下的彈性時(shí)程分析,EL.centro波加速度曲線如圖4:記錄時(shí)間間隔0.02S,持時(shí)30.0 S,峰值加速度為34.2cm/s2。


      4.2柱腳剛度對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響
      圖7振型分解法計(jì)算結(jié)構(gòu)層間位移角表明,加層后結(jié)構(gòu)層間位移角均由不同程度的增大,頂層增大現(xiàn)象最為明顯,加層前結(jié)構(gòu)的最大層間位移角0.69‰出現(xiàn)在第二層,加層后由于結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量的突變,最大層位移角出現(xiàn)在加層鋼結(jié)部分的底層層間位移角分別為剛性加層的0.83‰,半剛性加層的1.2‰,半剛性加層的層間位移角為剛性加層層間位移角的150%。
      圖8EL.centro 波作用下加層鋼結(jié)構(gòu)底部層間位移角時(shí)程曲線顯示:剛接加層后當(dāng)t=2.08s時(shí),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移角1.06‰;半剛接加層后當(dāng)t=2.16s時(shí),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移角1.73‰。半剛接加層的層間位移角明顯大于剛接層間位移角,其最大層間位移角約為剛接加層的160%。
      圖9 EL.Centro作用下加層前后樓層位移包絡(luò)圖表明:在EL.Centro地震波作用下加層后原結(jié)構(gòu)各層位置處最大位移均有不同程度的減小,其中原結(jié)構(gòu)頂層位置處位移減小程度最明顯,剛性和半剛性加層對(duì)下部結(jié)構(gòu)最大層位移影響差別不大,但半剛性加層對(duì)加層后結(jié)構(gòu)頂層的最大位移的影響要明顯大于剛性加層。


      5、 EL.Centro作用下結(jié)構(gòu)的加速度反映譜比較
      從圖10 EL.Centro波作用下結(jié)構(gòu)加速度反映譜的比較可以看出,當(dāng)?shù)卣鸩ń?jīng)過(guò)下部混凝土結(jié)構(gòu)傳至鋼結(jié)構(gòu)加層部分后,地震波的基本特性發(fā)生一定的變化:最大振幅被放大;地震波的主要頻譜發(fā)生變化。就是說(shuō)鋼結(jié)構(gòu)加層部分受到的是經(jīng)下部混凝土結(jié)構(gòu)放大的地震波,原結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的放大程度大于加層后結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的放大程度,半剛性加層對(duì)地震波的放大程度要稍強(qiáng)于剛性加層。
      6 、結(jié)論
      6.1鋼結(jié)構(gòu)加層后由于原結(jié)構(gòu)和加層結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的不同,在兩者相接處存在剛度和質(zhì)量的突變,地震作用下加層鋼結(jié)構(gòu)底層和原結(jié)構(gòu)頂層變形明顯加大,半剛性加層變形增大程度要要明顯大于剛性加層。
      6.2 通過(guò)對(duì)本工程計(jì)算分析,當(dāng)加層層數(shù)為2層時(shí),多遇地震下剛性柱腳和半剛性柱腳對(duì)加層后形成的整體結(jié)構(gòu)的層剪力的影響區(qū)別不。
      6.3 采用振型分解法和時(shí)程分析法計(jì)算加層前后鋼結(jié)構(gòu)部分層剪力表明:加層后鋼結(jié)構(gòu)部分的層剪力小于其直接作用于地面時(shí)的層剪力,采用半剛性加層或剛性加層,鋼結(jié)構(gòu)部分的層剪力相近。

      參考文獻(xiàn):
      [1] 陳紹蕃.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理(第三版).科學(xué)技術(shù)出版社.
      [2] 楊曉明,周東明,李海峰.某高層建筑加層鋼框架柱腳節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造.工業(yè)建筑.
      [3] 張濤,王元清,石永久,麻建索.多層建筑頂部輕鋼加層柱腳節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與構(gòu)造.施工技術(shù).
      [4] 張濤,王元清,石永久,麻建索.鋼筋混凝土框架頂部鋼結(jié)構(gòu)加層的抗震性能的時(shí)程分析.四川建筑科學(xué)研究.
      [5] 林同炎.結(jié)構(gòu)概念和體系.中國(guó)建筑工業(yè)出版社.
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