张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

某综合楼的加层改造和抗震性能分析研究

张 瑾

(中核新能核工业工程有限责任公司，山西 太原 030012)

以某综合楼项目为研究背景，在已建的八层框架—剪力墙结构基础上，新加三层钢框架—屈曲支撑结构，从技术可行性和经济合理性两方面确定了较为合理的加层方案,同时运用两种软件对该工程实例进行抗震分析，验证了结构的安全性，在结构安全的前提下，进一步对结构作了罕遇地震下的结构分析，为类似工程提供参考。

框架剪力墙结构,加层改造,抗震分析,软件

在全球经济迅速发展的背景下，我国城镇化程度不断加快，对建筑的需求也越来越大，但是土地资源稀缺，无法占用大量农田新建建筑，此时对旧建筑进行加层改造就成了较为适合的方法。对既有房屋进行加层改造的优势很明显，世界发达国家已经进行了大量的研究，并且出台了相关的规范政策[1-3]；我国学者对加层改造的研究起步较晚，但同样也取得了不小的进展，如高剑平[4]初次尝试了砖混房屋整体式加层振动台试验；吕志涛院士等进行了钢结构—框架模型静力试验[5]。

本文在前人研究的基础上，结合具体的工程实例，对框架剪力墙结构的加层改造设计及相关问题进行了探讨，运用PKPM和MIDAS两种软件对加层后的混合结构进行了静力分析、模态分析、振型分解反应谱分析和时程分析，并且对两种软件的结果进行对比，同时进行了该结构在罕遇地震下的结构分析。

1 工程概况

加层工程对象为山西某综合楼，建于2001年，主体结构为框架—剪力墙结构，共8层，地下1层，地上7层，层高为3.6 m；采用钢筋混凝土独立基础，基地标高为-6.6 m，素混凝土垫层强度为C10，基础C35，地下1层框架梁板柱、剪力墙混凝土强度为C35，地上7层框架梁板柱、剪力墙强度为C30，其原结构平面图见图1。由于该工程处于黄金地段，现有的使用面积已不能适应社会快速发展的需要，根据甲方的意愿，拟对该工程进行规模扩大，若将原结构进行全部拆除，不仅浪费人力物力且会影响该楼的正常使用，综合考虑采用在原框架—剪力墙结构上增加钢框架—屈曲支撑结构的加层方法，使用功能与原结构相同。

2 加层改造设计

2.1 材料选用

加层结构材料的钢材选用Q345-B，该钢种强度高，综合力学性能较好，塑性和焊接性良好，用钢量较省，其中框架柱与支撑采用宽翼缘H型钢，框架梁采用窄翼缘H型钢，焊条采用E50系列。

2.2 加层方案

由于加层建筑的使用功能和平面位置与原建筑相同,而且加层层数没有超过3层，所以采用直接加层的方法，但是该工程加层难度较大，若在原结构基础上增加混凝土框架—剪力墙结构，则混凝土的自重较大，对下部结构的影响较大，加固量较大，所以加层结构体系采用“钢框架+屈曲支撑体系”，外墙采用空心砌块，可以减轻自重。采用PKPM-STS软件，结合甲方所提供的原设计图纸等相关资料，对综合楼不同的加层方案从结构承载力、周期、位移、位移角、轴压比超限、用钢量和经济效益方面进行分析对比，结合现行规范及相关文献，选用“H型钢柱+H型钢梁+H型钢支撑”方案最为合理。其中，H型钢柱截面尺寸为500 mm×500 mm×18 mm×20 mm，H型钢梁截面为550 mm×200 mm×12 mm×16 mm，H型钢支撑截面尺寸为250 mm×250 mm×9 mm×16 mm。

2.3 加固设计

根据设计文件使用SATWE软件对原结构和加层后的结构进行模拟分析，通过对前后数据在结构内力、周期、层间位移、刚度、构件配筋等方面的对比分析，确定具体需要加固处理的结构构件。1)框架柱：对于加层后轴压比超限的框架柱采用增大截面法加固抗震承载力不足的混凝土框架柱，见图2。本工程中大多数柱连着剪力墙，构造上很复杂，对于连着剪力墙的一侧，本工程中采用扁钢代替角钢，并用对拉螺杆穿透剪力墙与角钢焊接。在原混凝土柱四个角各设置一个等边角钢，尺寸为75 mm×6 mm，用另一等边角钢与柱加固角钢焊接在一起，加固前将原柱的棱角打磨成半径为10 mm的圆角，待型钢钢架焊接完成后用M16普通螺栓结构胶植入原柱，与原混凝土粘结，注意结构胶表面要抹平填实。采用增大截面法时，新增混凝土应比原混凝土高一个标号，当新增受力钢筋与原受力钢筋采用短筋连接时，短筋直径不应小于20 mm。2)框架梁：对于加层后承载力不足的框架梁用粘贴钢板加固，见图3。粘贴钢板加固梁时，应将原结构截面的棱角打磨成半径不小于7 mm的圆角，在框架梁上下两面分别粘贴钢板，梁底用结构胶在框架中柱之间满粘一块钢板，梁顶沿梁中心对称粘贴两块钢板。在所粘钢板上面再粘贴一个12 mm厚的L形钢板，宽度与梁同宽，L形钢板用M14螺栓结构胶粘贴在墙上，植入深度为120 mm，中间用扁钢U形箍同L形钢板焊接，尺寸为10 mm×50 mm。

3 抗震性能分析

3.1 技术参数

1)该建筑安全等级为二级，抗震设防类别为丙类；

2)抗震设防烈度为8度，设计基本加速度值为0.20g；

3)阻尼比：SATWE中取0.035，MIDAS中钢结构部分取0.02，混凝土部分取0.05；

4)设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，特征周期为0.45 s；

5)抗震等级：混凝土框架结构为二级，剪力墙为一级，钢框架为三级。

3.2 结构分析结果

通过对加固之后的混凝土框架—剪力墙结构和新增上部钢框架—屈曲支撑结构整体建模，进行结构受力分析，PKPM，MIDAS两种软件结构整体信息对比见表1。

表1 PKPM与MIDAS分析结果对比

运用PKPM和MIDAS两种软件对该复杂混合结构进行静力分

析、模态分析、反应谱分析和时程分析，从表1可以得到，该混合结构在两种软件作用下的最大层间位移角及结构整体信息均满足现行国家规范要求，且两者分析结果相差不大。其中差别的原因可能是由于PKPM在混合结构设计中只能设置单一的阻尼比，而MIDAS是基于应变能因子计算得到各个振型下混合结构的阻尼比。

3.3 罕遇地震下的结构分析

本文在结构安全的前提下，进一步对结构作了罕遇地震下的结构分析，即抗震设防烈度为8度(0.3g)和9度(0.4g)下的抗震分析。

两个不同的抗震设防烈度下周期比在规范限值0.9之内，随着抗震设防烈度的提高，地震荷载作用下的结构层间位移逐渐增大，当结构抗震设防烈度提高到8度(0.3g)和9度(0.4g)时，混凝土结构部分的X方向与Y方向地震作用下的最大层间位移角均超过规范规定的1/800，钢结构部分仍满足规范要求。

4 结语

本文通过对山西某综合楼项目的加层改造设计和抗震性能分析，得到以下结论：

1)针对本工程的特殊性及复杂性，采用直接加层法对建筑进行加层，提出了三种不同的钢框架加层改造方案，从技术可行性和经济合理性两方面确定了较为合理的加层方案为H型钢柱+H型钢梁+H型钢支撑。

2)运用PKPM和MIDAS两种软件对该复杂混合结构进行静力分析、模态分析、反应谱分析和时程分析，该混合结构在两种软件作用下的最大层间位移角及结构整体信息均满足国家规范要求，且两者分析结果相差不大。

3)运用有限元软件分析结构在不同罕遇地震作用下的内力、位移等的反应，随着地震作用的增大，内力及变形逐渐增大，当地震达到8度(0.3g)和9度(0.4g)时，部分楼层最大层间位移角不满足规范要求，在罕遇地震下加层结构是不安全的。

[1] S.Kahraman, A.Saatci, S.Misir. Effects of adding illegal storeys to structural systems[J].Sadhana,2006,31(5):515-526.

[2] M.I.Enrique Cruz Gomez, Analytical and experimental study of real masonry buildings[J].12th WCEE,Aucklang,0026.

[3] Tatsuya Azuhata,Taiki Saito. Seismic performance estimation of asymmetric building based on the capacity spectrum method[J].12th WCEE,Aucklang,2322.

[4] 高剑平.砖混房屋整体式外套结构加层研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2003：12.

[5] 陈 健,宋 健,吕志涛.外套框架结构加层试验研究[A].建筑物鉴定与加固论文集[C].1998:920-927.

The research on stories adding design and seismic

performance analysis of a complex building frame shear wall structure

Zhang Jin

(NewEnergyNuclearNuclearEngineeringCo.,Ltd,Taiyuan030012,China)

Taking a complex building project for the study of the background, has been built in the eight-story frame-shear wall structure, based on the new eight-story steel frame plus-buckling support structure made of three different layers plus programs, and technical feasibility and economic rationality identified two more reasonable in floor plan. While the use of two kinds of software for seismic analysis of the engineering example, to verify the safety of the structure, in the structural safety of the premise of the structure were further structural analysis under rare earthquake, provide a reference for similar projects.

frame shear wall structure, story-adding transformation, seismic analysis, software

1009-6825(2015)02-0039-02

2014-11-04

张 瑾(1987- )，男，助理工程师

TU746.3

A