框架结构房屋抽层后地震反应分析

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1、精品论文框架结构房屋抽层后地震反应分析罗绮，金国芳，朱来新（同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092）5摘要：某 3 层钢筋混凝土框架结构车间,因使用功能改变,需要将第二层楼面拆除，保留边梁,改建为 2 层框架结构的车间(即房屋抽掉 1 层)。该结构抽层后需要解决的问题有:新底层框架 柱配筋不满足现行规范;层间位移角超过抗震设计规范规定限值;新底层抗侧刚度不足等。为此对该房屋进行了抗震鉴定、加设短肢剪力墙进行加固以及结构抗震加固前后的时程分析,10经抗震加固后,取得了良好的效果,结构满足现行设计规范，可为类似的抽层结构提供改造经 验。关键词：结构工程；抗震鉴定；时程分析；抗震加固中图分

2、类号：TU375.415Seismic Response Analysis of Frame Structure afterExtracting StoreyLUO Qi, JIN Guofang, ZHU Laixin(Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction,Tongji University,Shanghai200092)20Abstract: A reinforced concrete frame structure workshop with three layers, due to the

3、 change of function, needs to be removed the second floor and retained the boundary beam, then becomes a new frame structure workshop with two layers. After extracting storey, there are some problems to be solved: frame column reinforcement unsatisfies the current specification; layer displacement a

4、ngle exceeds the limit value in Code for seismic design; the stiffness of the first layer is not25enough. After the seismic evaluation、setting up shearwall and the time history analysis on theworkshop, seismic strengthening was completed. The good effect has been obtained and the current specificati

5、on has been satisfied . This engineering can provide some reforming experience for the similar structure.Key words: structure engineering;seismic appraisal;time history analysis;seismic strengthening300引言近年来，由于房屋使用功能改变、生产发展的需要，既有建筑物结构改造项目较多，对 于房屋结构改造必须进行综合抗震能力分析。目前，关于钢筋混凝土框架结构加层改造及抗 震加固的分析研究较多，而对于抽层

6、结构的抗震分析还不多见。我国的房屋抗震鉴定标准中35的综合抗震能力是基于结构抗震强度进行计算的。框架结构的抗侧刚度较小,在地震作用下 会产生较大侧向位移1,抽层改造后，原来的底层和二层合二为一，使之成为层高很高的新 底层，而新底层相比相邻的楼层，抗侧移刚度大大减小，导致整个楼层沿高度方向的刚度产 生突变，从而大大增加了楼盖在地震作用下的动力反应，产生较大的剪切位移角，这对抗震 较为不利。本文针对某钢筋混凝土框架结构抽层工程，通过提高新底层的抗侧移刚度，控制40结构的侧向位移，并综合考虑其结构强度的原则，进行抗震加固来解决抽层后结构抗震能力 的不足，弥补了新底层刚度突变对抗震的不利影响。采用本文

7、提出的通过控制层间位移的方 法进行抗震加固，效果较好，可为今后抽层结构工程的加固提供借鉴。作者简介：罗绮(1988-),女,硕士，工程抗震与结构加固通信联系人：金国芳(1952-),女,教授,工程抗震与防灾,建筑物鉴定与加固. E-mail: tjjinguofang- 6 -1工程概况45某化工厂的硫酸钾车间原为3层钢筋混凝土框架结构，建筑面积约为6000m2。由于该厂 功能需求的改变，需要将第二层楼面拆除，保留边梁,改建为2层框架结构房屋(即房屋抽掉1 层)。对房屋抽层改造应进行抗震鉴定及相应的抗震加固。原结构柱网长46.5m，宽43m，纵向基本柱距为6.5m，结构平面示意见图1。原底层至

8、三 层层高依次为3.58m、3.85m 、3.75m 。框架柱截面为500mm500mm ，框架梁截面为25050mm650 mm。现浇钢筋混凝土楼板厚为140mm。本工程采用先张法预应力混凝土空心方桩 基础，桩竖向承载力设计值为565KN，承载力极限值为905KN。框架结构的填充墙原设计采 用240厚MU10混凝土空心砌块，孔洞用C20混凝土灌实，用MU10水泥砂浆砌筑。552抗震性能分析图 1 结构平面示意图Fig.1 Structure plan sketch2.1结构计算分析为了评估该结构的抗震性能，首先验算抽层后未加固结构的抗震强度是否满足抗震设计 规范的要求，并获取一些基本参数。本

9、文采用中国建筑科学研究院编制的PKPM通用设计系列60软件进行结构分析，如图2。基本设计参数如下，修正后风荷载标准值：0.55KN/m2；抗震设防烈度7度；抗震设防类别为丙类；框架按三级抗震等级设计。荷载按现行荷载规范2的 要求取值。计算结果表明，框架梁的实际配筋面积满足抗震规范的要求,但新底层框架柱的实际配 筋面积不满足承载力要求，抽层结构配筋计算结果见表1。结构的层间位移反应较大,振型分65解反应谱法计算得到的地震荷载作用下结构最大层间位移角为1/494，也不满足抗震设计规 范。图 2 结构模型图Fig.2 Structure model diagram70表1 配筋计算结果（mm2）Ta

10、b.1 Reinforcement calculation results中柱角柱KL 正筋KL 负筋新楼层计算值实配值计算值实配值计算值实配值计算值实配值17806618210830725410801420136317682185428122630504212301753120514502.2结构地震时程反应分析计算结果表明，新底层的抗侧移刚度过小和层间位移角过大。结构的层间位移角成为影75响抽层工程能否满足要求的重要因素。要改变结构的地震反应，必须优化结构的动力特性, 上海地区场地的卓越周期较长,改善自振周期成为结构加固的关键。为了方便分析,本文采用 了时程分析方法，选取三条地震波进行分析

11、, 以下为计算过程和结果。2.2.1计算依据按照建筑抗震设计规程 GB50011-20103 输入三条地震波SHM2-4 、SHM3-4 和80TH4TG090，输入烈度相当于7度多遇烈度(地面运动加速度峰值为35gal)。楼层质量按实际的 恒载+50%的活荷载。不考虑填充墙对结构刚度的贡献作用,刚度计算按我国现行规范混凝 土结构设计规范GB50010-20104、高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-20105的规定。 结构按弹性分析。2.2.2计算结果85抽层后结构的自振周期及频率见表2。该结构由于新底层较柔,在刚度计算过程中还发 现，新底层层间抗侧刚度小于二层层间抗侧刚度的70%，不能满足

12、现行抗震设计规范关于楼 层刚度比的要求，属于竖向不规则的结构，因此，抗震加固应该针对结构相对薄弱的新底层， 改善新底层的抗侧刚度。表2 抽层结构的周期及频率90Tab.2 Period and frequency of the extracted layer structure振型号123456周期0.81950.80970.63600.18210.18160.1629频率1.221.2351.5725.4915.5076.139在地震动作用下，横向结构的层间位移反应见表3，纵向结构的层间位移反应见表4。从计算结果来看，结构在两个方向的最大层间位移反应分别为1/423（横向）和1/432（纵向

13、）， 时程分析法得到的层间位移角要大于按振型分解反应谱法的计算结果，同时也表明结构在多 遇烈度地震动作用下就要开裂,并且刚度退化严重。这是因为该结构太柔，尤其是新底层的95100刚度较小，结构的自振周期较长，使得结构的自振周期与上海地区场地土的卓越周期（0.9秒）基本接近，引起较大的地震反应。从表中可以看到，SHM2-4地震波和TH4TG090地震 波引起的弹性地震反应更强烈一些。在SHM3-4地震波作用下,虽然结构的地震反应要小些， 但是当结构开裂、刚度退化后，结构的自振周期与SHM3-4的卓越周期接近，塑性地震反应 会愈演愈烈。总之，该结构抽层后的结构布置是极不利于结构抗震的。表3 横向地

14、震动作用下结构层间位移反应（mm）Tab.3 Layer displacement reaction of structure under horizontal ground motionSHM2-4SHM3-4TH4TG090新楼层层间位移位移角层间位移位移角层间位移位移角23.081/12181.631/23012.431/1546116.201/4238.631/79212.791/535表4 纵向地震动作用下结构层间位移反应（mm）Tab.4 Layer displacement reaction of structure under longitudinal ground motio

15、n新楼层层间位移位移角层间位移位移角层间位移位移角23.031/12381.641/22392.401/1563115.781/4328.561/79712.441/548SHM2-4SHM3-4TH4TG0901051102.2.3抽层后抗震评价根据抗震计算结果，该房屋的抗震性能不能满足现行规范的要求。在结构不能满足位移 限值的情况下，仅仅通过提高结构强度的手段是难以实现的，这是因为：（1）加固框架梁、 柱工作量大；（2）抗震验算是基于设防烈度地震动，在大震情况下，结构开裂后侧移会更 大，无法确保框架结构具备足够的延性。3结构抗震加固验算3.1抗震加固方案本文的抗震加固处理目的是减小结构的侧

16、移,在侧移合理的情况下满足强度要求。通过 在新底层角部加设3m长的短肢剪力墙提高抗侧刚度6,7，加固位置见图3，使房屋在多遇地震 作用下的抗震变形能满足规范要求，有效地传递地震荷载。1153.2抗震加固后结构时程分析图3 剪力墙布置示意图Fig.3 Shear wall arrangement120抗震加固后结构自振周期及频率见表5。在地震动作用下，结构横向的层间位移反应见 表6，结构纵向的层间位移反应见表7。可见加固后，提高了结构的抗侧刚度，降低了自振周 期，从而避开了场地的卓越周期，极大地减小了结构的地震反应。计算结果表明，结构在两 个方向的最大层间位移反应分别为1/1363（横向）和1/

17、1368（纵向），结构在地震动作用下 的位移反应和层间位移反应均能满足规范要求。表5 加固后结构的周期及频率Tab.5 Period and frequency of the reinforced structure振型号123456周期0.49120.48890.32170.16910.16610.1350频率2.03582.04543.10855.91376.02057.4074125新楼层表6 横向地震动作用下结构层间位移反应（mm）Tab.6 Layer displacement reaction of structure under horizontal ground motionS

18、HM2-4SHM3-4TH4TG090层间位移位移角层间位移位移角层间位移位移角22.211/16942.161/17332.651/141714.681/15884.501/16535.461/1363表7 纵向地震动作用下结构层间位移反应（mm）Tab.7 Layer displacement reaction of structure under longitudinal ground motion层间位移位移角层间位移位移角层间位移位移角22.121/17732.061/18232.561/146414.571/16254.371/17025.431/1368新楼层SHM2-4SHM3

19、-4TH4TG090130随后采用PKPM软件进行结构分析，计算结果表明，由于结构动力特性的优化，原有框架结构的承载能力满足规范要求,相较于其他传统加固方法8更加简便易行，同时避免了大规 模加固处理工程。1351401451504结论（1）在建筑物进行抽层改造之前，应对其进行抗震鉴定，检测出原房屋的结构现状、 材料强度及构件损伤情况，并进行结构抗震验算；把检测及计算结果作为制定建筑物加固方 案的依据9。（2）本文的工作证实，通过控制结构位移反应进行抗震加固，可以有效改善不合理的 动力特性，减弱地震反应，从而减少原有结构加固工程量，缩短改造工程周期。（3）结构抗震加固通过增设适当的短肢剪力墙来提

20、高房屋的抗侧移刚度，从而保证了 房屋层间位移满足现行抗震的要求。（4）对于框架结构等对层间位移极其敏感的结构来说，采用本文提出的通过控制层间 位移的方法进行抗震加固，效果较好。参考文献 (References)1 徐磊,袁勇.钢筋混凝土框架加层结构抗震反应分析J.工程抗震与加固改造, 2005,27(2):46-49.Xu L, Yuan Y. Earthquake Response Analysis of Extension- story Reinforced Concrete Frame StructureJ. Earthquake Resistant Engineering and Re

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