某工程加固设计与网架结构共同作用分析
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作者: 善忠海
摘 要：某钢筋混凝土框架结构，由于建筑功能的改变，屋面部分拆除后更换为钢结构网架，通过对原有工程进行加固设计，提高了原有结构的安全度，并按现行规范对加固后的混凝土结构与钢网架进行整体共同作用分析，比较了是否考虑网架和混凝土共同作用两种计算结果，得到网架和混凝土的共同作用程度。同时分析了网架和混凝土的阻尼不同取法对地震响应的影响程度。
关键词：抗震加固；钢网架；整体计算
1 工程概况
某工程原设计为农贸市场，改造后为三维数字社会服务管理中心，项目1993年施工建设，原农贸市场主体结构原设计为下部混凝土柱排架结构+屋面轻型钢屋架结构（角钢三角形桁架），房屋高度为6.00m，总长为43m，总宽为30m，中间设一排混凝土柱。原有工程抗震设防分类为丙类，抗震设防烈度为8度0.20g，设计分组为三组，场地特征周期为0.45s，结构阻尼比为0.05。原有工程基础采用柱下钢筋混凝土独立基础，地基处理为局部结合整片的2：8灰土垫层，处理后的地基承载力为180kpa。
根据结构检测鉴定报告，农贸市场结构评价为B级（维修），经现场检测，原柱混凝土强度设计为C20，角柱推定值为20.6，满足原设计要求，评定为C20，其余混凝土柱推定值为16.2，低于原设计要求，评定为C15。
原农贸市场西侧改造设计为汽车库，东侧改造为三维数字社会服务管理中心，由于屋面原设计不带保温，由于本次建筑功能改变，屋面改造为带保温彩钢岩棉复合保温板，拆除中间一排混凝土柱，跨度原设计15m增加到30m，对原建筑物按现行规范进行加固设计后，屋面结构结构形式为钢结构网架，屋面为不上人屋面，根据《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009，本工程为C类（适用后续使用年限50年建筑），按2010系列规范采用设计内力调整系数。
2 对原有建筑结构加固改造
目前很多工程设计中将屋盖与下部结构分开进行计算分析，对屋盖下部钢筋混凝土框架部分常用PKPM，YJK等软件，上部屋盖网架采用3D3S，MST，STWJ（PKPM模块）等，本工程网架部分采用MST进行计算，整体计算采用YJK软件。在对网架部分用MST计算中，考虑下部混凝土柱的刚度，按支座按弹性支承考虑。计算中网架部分杆件的控制应力比不大于0.85，网架跨中部分挠度小于短向跨度的1/250。
用YJK整体计算时对于网架等空间结构，在建模计算时在支座处设一根斜杆来模拟支座。在采用模拟施工时，必须注意施工次序的合理顺序。YJK软件在布置荷载时，可以采用蒙皮导荷（蒙皮导荷是指沿着杆件或者墙面边界形成一个面，在该面赋值面荷载）功能，可将面荷载沿着该面的投影方向或法向进行荷载导算，将荷载导算到面的周边节点上。根据《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010第10.2.8条规定，屋盖钢结构和下部支承结构协同分析时，阻尼比应符合下列规定：（1）当下部支承结构为钢结构或屋盖直接支承在地面时，阻尼比可取0.02。（2）当下部支承结构为混凝土结构时，阻尼比可取0.025～0.035。本工程计算参数取值中结构阻尼比按振型阻尼比法。振型阻尼比是指针对于各阶振型所定义的阻尼比。组合结构中，不同材料的能量耗散机理不同，因此相应构件的阻尼比也不相同，钢构件取0.02，混凝土构件取0.05。对于每一阶振型，不同构件单元对于振型阻尼比的贡献认为与单元变形能有关，变形能大的单元对该振型阻尼比的贡献较大，反之则较小。所以，可根据该阶振型下的单元变形能，采用加权平均的方法计算出振型阻尼比ζi。经对原有结构增加网架后整体计算，并提取前6阵型下的周期及结构阻尼比（表1），通过分析表明第一振型以下部钢筋混凝土框架为主，2～6振型为混合结构为主。地震作用下X向框架层间位移角满足规范要求，Y向框架层间位移角1/406不满足规范，钢筋混凝土柱配筋不满足。
针对以上验算结果，结构加固分为直接加固与间接加固两类，直接加固主要为增大截面加固法、置换混凝土加固法或复合截面加固法，间接加固主要采用体外预应力加固法、增设支点加固法、增设耗能支撑法或增设抗震墙法等。由于原有建筑框架柱强度等级评定为C15，本工程后续使用年限50年，为满足混凝土结构的耐久性，综合考虑原结构上部框架柱采用增大截面法进行加固。采加大截面法是指采用增大原构件截面面积并增配钢筋，以提高其承载力和刚度，或改变其自振频率的一种直接加固法。该方法施工工艺简单，且具有成熟的设计和施工经验，可用于本工程。框架梁采用外包型钢加固法，对钢筋混凝土梁、柱外包型钢及钢缀板焊成的构架，以达到共同受力并使原构件受到约束作用的加固方法。经加固后，结构整体计算分析，结构位移、位移比，配筋均满足要求。对下部基础不满足部分采用加大基础底面积法，该方法适用于当既有建筑物荷载增加、地基承载力或基础底面积尺寸不满足设计要求，且基础埋置较浅，基础具有扩大条件时的加固，可采用混凝土套或钢筋混凝土套扩大基础底面积。设计时，应采取有效措施，保证新、旧基础的连接牢固和变形协调。
3 网架单独计算与整体建模分析
通过网架部分网架单独计算采用MST进行计算，与整体计算采用YJK软件对比分析，在网架支座刚度对内力影响很大，固定铰支座与滑动铰支座相比，明显减少上弦跨中杆件的内力，支座处杆件内力变化，下弦内力变化不明显，网架和下部钢筋混凝土结构整体计算模型与网架单独模型内力相差较大，支座刚度越大，相差越大，支座刚度越小，相差越小。下部支承网架的混凝土结构刚度对网架内力的影响，在地震工况下的影响较大，在正常使用荷载下影响较小，支承结构的刚度越大，整体模型内力越接近单独模型相同支座的内力。因此，在进行网架下部结构的抗震设计时，应合理考虑网架的抗弯、面内剪切及轴向刚度，对改造工程，在条件允许的条件，宜进行整体分析设计。
4 结语
综上所述，针对原有工程改造加固设计，首先应分析结构承载力不足的结构构件，在概念上对建筑进行总体上的加固概念设计，通过空间计算软件对加固概念设计进行复核和优化调整，使得加固方案达到安全可靠、经济，从而满足建设单位的使用要求，也能够满足后续使用年限50年的目标要求，通过对原有框架柱通过加大截面的加固方法，提高了原有结构的安全度，并按现行规范对加固后的混凝土结构与钢网架进行整体共同作用分析，复核加固后方案可靠性，并在考虑网架结构与整体结构共同作用与分别建立模型两种模型进行计算包络设计，确保结构安全，
参考文献
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