淺談加插層改造的結(jié)構(gòu)措施

淺談加插層改造的結(jié)構(gòu)措施

1構(gòu)造改造性修繕隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，許多早期的輕工業(yè)房屋經(jīng)常被改造成商業(yè)空間。為了增加使用面積,業(yè)主或租用者往往要進(jìn)行一些改造性修繕,在一些具有較高層高的樓層中插層或加層是改造性修繕的常用手段。這些早期建造的建筑,一般都未考慮抗震設(shè)計或當(dāng)初的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低于目前的國家設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),故抗震加固是改造性修繕的重要內(nèi)容。增設(shè)抗震墻和增大構(gòu)件截面方法是這種改造性修繕的常用傳統(tǒng)方法。本文以一個實際的改造工程為背景,擯棄傳統(tǒng)的抗震加固方法,探討在舊工業(yè)廠房使用功能改變的加層改造中,采用隔震、消能減震技術(shù)進(jìn)行抗震加固的可能性。2插、加層結(jié)構(gòu)改造該廠房車間位于上海地區(qū),設(shè)防烈度為7度,Ⅳ類場地。房屋長(南北向)67.0m,寬32.5m?；窘Y(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架,樓屋面為密肋板,板總厚度為400mm,共4層,底層層高7.5m,二、三層層高6.0m,四層層高4.5m?；局酁?0.5m(南北向)×6.2m,主要柱截面為500mm×500mm,主要板帶梁尺寸為760mm×400mm～1380mm×400mm(寬×高)。標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖見圖1。廠房設(shè)計建造于20世紀(jì)80年代末,原為織布車間,未考慮抗震設(shè)防。現(xiàn)擬在此房屋的1～3層的每層之間各插一層,頂層上再加一層,由此成為8層,用途變?yōu)檗k公用房。其中,1～3層中間的插層為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(樓面為壓型鋼板上鋪鋼筋混凝土),頂部加層可設(shè)置為不上人的輕型屋面的鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu)。插、加層后各層的樓面高度依次為3.9m,7.5m(原一層),10.5m,13.5m(原二層),16.5m,19.5m(原三層),24m(原屋面),27.6m。對該廠房進(jìn)行抗震鑒定后,得到結(jié)果為混凝土材料強(qiáng)度約C40,框架構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯的承載力不夠的變形、裂縫等。插、加層后的結(jié)構(gòu)應(yīng)該按抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核其強(qiáng)度和變形要求。原廠房設(shè)計荷載情況如表1。表1中的樓面恒載中吊頂、管網(wǎng)荷載各為0.5kN/m2,屋面恒載中除吊頂、管網(wǎng)荷載外,還有保溫層和防水層重量1.6kN/m2(該部分荷載在房屋改造后有的將被鏟除),插層及加層后,吊頂、管網(wǎng)荷載將減輕些。在插層及加層改造后的新結(jié)構(gòu)中,樓面活載將統(tǒng)一為2.0kN/m2,原樓面恒載統(tǒng)一為5.5kN/m2,新樓面恒載統(tǒng)一為4.5kN/m2。盡管如此,插層和加層后結(jié)構(gòu)總的重量還是略有增加,為此可以沿現(xiàn)有房屋各層的X向大梁下增設(shè)部分鋼筋混凝土柱或鋼柱傳遞部分重量至基礎(chǔ),減輕已有柱、大跨度梁承受的重量,如圖3所示。為了方便連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造處理,這些新增柱與梁的連接可以做成鉸接。增設(shè)柱后的廠房標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖見圖2。該工程采用增大截面法加固存在的困難之一就是原結(jié)構(gòu)梁都是扁梁,其寬度(760～1380mm)遠(yuǎn)大于柱的截面尺寸,扁梁中的縱向鋼筋布置非常密,如增大柱截面或外包鋼構(gòu)架,則柱的新增鋼筋、角鋼穿過扁梁存在很大困難。3鋼支撐及阻尼器基于以上考慮,本文擯棄傳統(tǒng)的加固方法,采用新的結(jié)構(gòu)體系。對原結(jié)構(gòu)一、二、三層的插層(即新一層、新三層、新五層)及頂部加層(即新八層)采用隔震體系,其中,插層梁板與原結(jié)構(gòu)通過設(shè)置在原結(jié)構(gòu)柱及X向新加柱的牛腿上的滑移支座隔離開來,同時在原結(jié)構(gòu)X,Y向端部的梁上設(shè)置鋼支撐,該鋼支撐與加層梁通過阻尼器部件連接。該體系可同時具有隔震和消能的作用。插層結(jié)構(gòu)豎向荷載可以通過設(shè)置在原結(jié)構(gòu)柱及X向新加柱上的牛腿向基礎(chǔ)傳遞。插層結(jié)構(gòu)鋼支撐及阻尼器平面布置位置如圖2所示(設(shè)置在端部梁跨內(nèi)緣),插層結(jié)構(gòu)X向、Y向立面示意簡圖分別如圖3、圖4所示。頂部加層(新八層)為設(shè)置輕型屋面的鋼結(jié)構(gòu)或鋼混組合結(jié)構(gòu),其梁板與柱可剛接在一起,滑移支座可設(shè)置在柱下端,通過該滑移支座將新八層與原結(jié)構(gòu)頂層(新七層)隔離開來。在新七層的X,Y向端部的梁上設(shè)置鋼支撐,該鋼支撐與新八層梁通過阻尼器部件連接。該體系亦同時具有隔震和消能的作用。新八層豎向荷載可以通過原結(jié)構(gòu)柱及X向新加柱向下傳遞。新八層鋼支撐及阻尼器平面布置位置如圖2所示(設(shè)置在端部梁跨內(nèi)緣),其X向、Y向立面示意簡圖分別如圖5、圖6所示。采用新的加、插層隔震結(jié)構(gòu)體系后,原廠房樓(屋)面及頂部加層的平面布置如圖2所示,中間插層的平面布置圖如圖7所示。以上減震體系相對于增大截面法加固改造的優(yōu)點(diǎn)在于:①加、插層結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)隔離開,當(dāng)?shù)卣饝T性力大于滑動橡膠支座的滑動靜摩擦力的時候,加、插層結(jié)構(gòu)可以與原結(jié)構(gòu)發(fā)生相對運(yùn)動,從而減少地震能量向加、插層結(jié)構(gòu)的傳遞,同時能夠利用阻尼器消耗振動能量。②不對原結(jié)構(gòu)傷筋動骨,減少了對原結(jié)構(gòu)的損害,在施工工藝上也比較容易處理。同時,在原結(jié)構(gòu)柱的半高處設(shè)置鋼牛腿,柱所受的附加水平剪力僅是很小的滑移摩擦力,其受力狀態(tài)不會出現(xiàn)明顯惡化情況。當(dāng)然,插層梁板和原結(jié)構(gòu)之間的空隙會帶來房屋構(gòu)造處理上的困難和使用上的一些限制,需要采用耐久性好、防火、防水、隔聲、隔熱的柔性材料作為這些空隙的蓋板,但這在施工上是不難處理的。為了減小隔震層的震后殘留位移,該加、插層結(jié)構(gòu)隔震體系應(yīng)再配置少量的普通橡膠支座(該普通橡膠支座可起到彈簧恢復(fù)作用,同時防止支撐平面外變形);為保證安全,頂部加層尚應(yīng)設(shè)置安全鎖位構(gòu)造,以防止產(chǎn)生過大位移。需要注意的是,該加、插層結(jié)構(gòu)隔震減震體系在地震作用下可能產(chǎn)生相對于原主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)。在實際設(shè)計過程中,可適當(dāng)分配各加層設(shè)置于端部梁跨間的消能部件和普通橡膠支座的水平剛度,盡量使阻尼器的剛度中心與加層的質(zhì)心相接近,以減少扭轉(zhuǎn)的不利影響。除此之外,由于原結(jié)構(gòu)不符合抗震要求,尚需在原廠房結(jié)構(gòu)梁柱間繼續(xù)設(shè)置鋼支撐及阻尼器進(jìn)行加固,以增大原結(jié)構(gòu)剛度,同時利用阻尼器耗能。該消能支撐體系可設(shè)置在原結(jié)構(gòu)X,Y向端部梁跨間。由于原結(jié)構(gòu)X,Y向端部梁跨間已存在加層梁板,隔斷了鋼支撐及阻尼器的設(shè)置,為此,可適當(dāng)增大與消能支撐體系相連接的梁柱的截面,將該消能支撐體系與加層隔震體系并行放置。當(dāng)?shù)卣鹱饔贸鲈O(shè)防上限時,這些柱由于適當(dāng)增大了截面還可承擔(dān)新增滑動樓面的撞擊力。對原結(jié)構(gòu)布置消能支撐進(jìn)行加固的位置如圖2所示(設(shè)置在樓層平面端部梁跨外緣),加固立面示意圖如圖8所示。對原結(jié)構(gòu)加固后,并行放置的原結(jié)構(gòu)消能支撐與插層隔震單元立面示意圖如圖9所示,其所在平面位置見圖2。4各層信息、阻尼器、滑動橡膠支撐等參數(shù)的選擇4.1加、插層隔震體系的確定及原結(jié)構(gòu)的設(shè)置使用PKPM軟件對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性分析,樓(屋)面活載統(tǒng)一取為新結(jié)構(gòu)的2.0kN/m2,恒載統(tǒng)一取為新結(jié)構(gòu)的5.5kN/m2,原結(jié)構(gòu)各層信息如表2所示。在加層改造后的新結(jié)構(gòu)中,新結(jié)構(gòu)的第一層(原結(jié)構(gòu)第一層中的插層)、新結(jié)構(gòu)的第三層(原結(jié)構(gòu)第二層中的插層)、第五層(原結(jié)構(gòu)第三層中的插層)的集中質(zhì)量分別近似取為原結(jié)構(gòu)第一層、第二層、第三層相應(yīng)活載質(zhì)量加上恒載質(zhì)量的三分之二;新結(jié)構(gòu)第八層(原結(jié)構(gòu)頂部加層)為設(shè)置輕型屋面的鋼結(jié)構(gòu),其質(zhì)量可按3.5kN/m2近似取為630t。新加結(jié)構(gòu)各層信息如表3所示。為與后文中加、插層后新結(jié)構(gòu)中的原結(jié)構(gòu)各層層間位移角及層剪力進(jìn)行比較,以說明加、插層隔震體系的減震作用,現(xiàn)將各加層質(zhì)量向原結(jié)構(gòu)各層進(jìn)行分配,其中,新一層、新三層、新五層質(zhì)量各向其上下原結(jié)構(gòu)各層分配二分之一,將新八層質(zhì)量分配給原結(jié)構(gòu)第四層,剛度仍沿用原剛度,將該結(jié)構(gòu)編號為結(jié)構(gòu)1。結(jié)構(gòu)1的1～4層計算質(zhì)量分別為4080t,3962t,2965t,2646t。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加層改造(采用隔震體系),但原結(jié)構(gòu)層未設(shè)置消能支撐加固的結(jié)構(gòu)編號為結(jié)構(gòu)2。結(jié)構(gòu)2各層信息如表4所示。新一層(原結(jié)構(gòu)第一層加層)不與主體結(jié)構(gòu)相連,其地震水平力可直接傳入基礎(chǔ),故本文中不考慮其對主結(jié)構(gòu)的影響。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加層改造(采用隔震體系),且對原結(jié)構(gòu)層增設(shè)消能支撐的結(jié)構(gòu)編號為結(jié)構(gòu)3(即最終結(jié)構(gòu))。對原結(jié)構(gòu)各層設(shè)置消能支撐,勢必要對與消能支撐相聯(lián)系的梁柱進(jìn)行加固,增大其截面,則原結(jié)構(gòu)各層的質(zhì)量和剛度將發(fā)生變化。通過PKPM計算原結(jié)構(gòu)層,各加層集中質(zhì)量近似取相應(yīng)原結(jié)構(gòu)各層活載質(zhì)量加上恒載質(zhì)量的2/3,得結(jié)構(gòu)3各層信息如表5所示。4.2加、插層結(jié)構(gòu)體系的數(shù)值試驗結(jié)果分析本工程選用國產(chǎn)粘滯阻尼器,其耗能性能穩(wěn)定。該阻尼器的力學(xué)性能可以用如下數(shù)學(xué)公式表達(dá):Fd=Cvsgn(V)|V|αFd=Cvsgn(V)|V|α式中Cv——根據(jù)需要設(shè)計的阻尼常數(shù)(kN/(mm/s)α);V——阻尼器推力桿端活塞相對阻尼器外殼的相對運(yùn)動速度(mm/s);α——根據(jù)需要設(shè)計的常數(shù),變化范圍可為0.1～1.0。經(jīng)過試算,加、插層結(jié)構(gòu)各層X,Y向阻尼器參數(shù)按表6取值。根據(jù)以往的試驗結(jié)果和工程經(jīng)驗,滑移橡膠隔震支座的靜摩擦系數(shù)為0.01～0.03,本文取加、插層隔震樓面的滑動臨界力為0.02mg(m為支座承受的質(zhì)量)。根據(jù)該體系的構(gòu)造特性,可以認(rèn)為加層結(jié)構(gòu)滑動前隔震裝置水平總剛度k1→∞,這里取其初始剛度為500kN/mm。為了達(dá)到較好的隔震效果,產(chǎn)生相對滑動后水平總剛度k2應(yīng)該盡可能得小,此處取為0.1kN/mm(注:對于滑移支座實際可以不計)。與新二層、新三層及新八層阻尼器相連接的X,Y向鋼支撐的剛度均取為200kN/mm。結(jié)構(gòu)3中原結(jié)構(gòu)各層阻尼器最大阻尼力取為中震下各層最大剪力的50%左右,經(jīng)計算,阻尼器X,Y向參數(shù)按照表7取值。結(jié)構(gòu)3中原結(jié)構(gòu)各層X,Y向所設(shè)置的鋼支撐的總側(cè)向剛度每層均取為400kN/mm。5原結(jié)構(gòu)的設(shè)計模型以及存在的問題現(xiàn)分別比較未加固的原結(jié)構(gòu)的SATWE模型和SAP模型(采用表2數(shù)據(jù))以及結(jié)構(gòu)3中加固后的原結(jié)構(gòu)的SATWE模型和SAP模型(采用表5中的原一層至原四層數(shù)據(jù))分別在X向和Y向的第一平動周期,如表8、表9所示,可以看出層串模型能夠滿足工程設(shè)計分析的精度要求。5.1原結(jié)構(gòu)模型的比較分別對結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3建立SAP層串模型。在小震、中震及大震下分別沿X向、Y向輸入上海DGJ08—9—2003《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》規(guī)定的shw1時程曲線,進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的計算分析,考慮7度設(shè)防,地震波峰值的最大加速度分別取為35cm/s2,100cm/s2,200cm/s2,其中原結(jié)構(gòu)層的小震及中震采用彈性模型,大震采用pivot彈塑性模型。以下分別就結(jié)構(gòu)1～3這三種模型在三種地震波下原結(jié)構(gòu)(4層)所在層處的最大層間位移角及層剪力進(jìn)行比較分析,如表10所示。從表10中可以看出,結(jié)構(gòu)2在各種地震下,無論是對于層間位移角,還是對于層剪力,都取得了較好的減震效果,層間位移角最大減小量達(dá)35%,層剪力最大減小量達(dá)34%(原第四層在個別情況下結(jié)構(gòu)2的層間位移角及層剪力稍微大于結(jié)構(gòu)1);結(jié)構(gòu)3在結(jié)構(gòu)2的基礎(chǔ)上,減震效果得到了更明顯的提升,層間位移角最大減小量達(dá)71%,層剪力最大減小量達(dá)64%。結(jié)構(gòu)3中原結(jié)構(gòu)各層在小震下的最大層間位移角均小于規(guī)范要求的1/550,在大震下的最大層間位移角均小于規(guī)范要求的1/80。圖10為三種結(jié)構(gòu)模型的原結(jié)構(gòu)層分別在小震、中震及大震下沿X,Y向的最大層間位移及層剪力。5.2小震、中震及大震下阻尼器參數(shù)分析結(jié)構(gòu)3在大震下各加、插層的滑動橡膠支座的最大滑動位移及阻尼器的最大相對位移如表11所示。從表中可以看出,橡膠支座和阻尼器最大變位均不超過90mm,這么大的位移在建筑構(gòu)造方面也是不難處理的。結(jié)構(gòu)3在小震、中震及大震下X,Y向原結(jié)構(gòu)層各層最大剪力與消能支撐體系最大阻尼力比較如表12所示。從表中可以看出,各層阻尼力與最大層剪力的比值比較大,最大值分別達(dá)到90%(小震)、55%(中震)和55%(大震)。阻尼器設(shè)置較為合理,各層阻尼器出力較接近設(shè)計期望值。圖11為大震下結(jié)構(gòu)3的各加、插層X,Y向滑動橡膠支座滑移曲線及阻尼器滯回曲線。從圖中可以看出,新三層和新五層阻尼器活塞行程較小,耗能曲線相對較窄;新八層阻尼器活塞行程較大,耗能曲線比較飽滿,能夠比較充分地消耗地震能量。各層阻尼器出力