抽柱后形成的非规则框架抗水平荷载研究

抽柱后形成的非规则框架抗水平荷载研究

*王开栋，李安起，刘哲, 马明杰

（山东建筑大学工程鉴定加固研究所,济南，250014）

摘  要： 本文针对框架结构采用腹板柱钢筋混凝土托换体系进行底部抽柱后形成的不规则框架，提出了几种抗震加固的方法：增大柱截面法，增加刚性支撑，并用SAP2000有限元软件进行分析比较。最后得出增加刚性支撑的方法效果明显，为以后的加固设计提供了依据。

关键词： 抽柱托换结构； 非规则框架； 刚性支撑； 抗震加固[free]

Study for resisting horizontal load of irregular structure

WANG Kai-dong,LI An-qi,LIU Zhe,MAMing-jie

（Institute of Engineering Appraisal and Strengthening, Shandong Jianzhu University, Jinan 250014,China）

Abstract: This paper proposes several methods of seismic strengthening the irregular framework with a batten system after removing the bottom of column frame structure,such as increasing the column section or adding rigidity brace, and makes analysis and comparison using the finite element software SAP2000. In conclusion,adding rigidity brace could make apparent effects, and this may provide some basis for strengthening design.

Key words: reformed structures, irregular framework, rigid support, seismic strengthening

1 前言

随着社会和经济的发展，旧房改造日益受到重视。在房屋改建、改造中，经常会遇到框架结构局部抽柱的情况。山东建筑大学工程鉴定加固所李安起，张鑫，王继国等以某框架结构抽柱托换为例，通过对不同计算程序内力计算结果的比较，阐述了该类工程确定截面设计内力的方法，探讨了腹板柱的位置、刚度（截面尺寸）对肋板托换结构构件内力的影响^[1]。华侨大学张云波等对底部两层抽柱后所形成的非规则框架，采用6种不同的计算简图(模型)进行力学计算,分析其对建筑功能的影响，最后得出结论：在满足建筑功能要求的情况下．适当增设一些斜柱对结构较为有利^[2]。淮北市建筑设计院王勇以某商店底层抽柱的设计方案比较分析，提出了采用新增钢筋混凝土框架托柱以抽除底层柱子的一种行之有效的设计方法^[3]。上海世博会园区浦西综艺大厅系由原工业厂房改建而成。设计要求对原结构进行托梁抽柱，变小跨度为大跨度。通过托梁抽柱技术创新及信息化施工监测，改建工程圆满成功，为世博园区及其它工业厂方的改建提供了宝贵的经验^[4]。建筑物的抽柱托换有大量的工程实例，但目前大多数的研究都是研究改造后的竖向荷载对建筑物的影响，很少有对抵抗水平荷载的研究，鉴于这种状况，本文主要对在抽柱托换工程加固设计中形成的不规则框架其抗水平荷载的研究，采用几种不同的加固方法，进行分析比较。

2 局部抽柱的结构加固方案

对于抽柱加固方案，应根据设计规范的相关要求进行结构可行性分析，在尽量减少对整个结构影响

前提下选择合适的加固方法一般说来，主要涉及以下几个方面：

(1)局部抽柱后，原来由被抽柱所承担的竖向荷载需要转移到相邻的柱上，相邻的柱以及其柱下基础是否有足够的强度、刚度等储备。如不满足，需要采用合理可行的结构加固方法。

(2)局部抽柱后的结构整体性能是否满足设计规范的相关要求。如抗震规范对结构的振型情况、地震作用下位移控制指标、层刚度变化均匀、柱的最大轴压比等有着详细的要求。

(3)局部抽柱后，除相邻的柱外，其余各构件的受力情况也会发生变化，需要验算这些构件是否也能满足要求或具备结构加固的条件^[5]。

3 抽柱不规则框架抗水平荷载的加固思路

                     图 1  框架结构平面图及立面图

如图1所示的框架结构，拟对底层柱3-B、3-C、3-D抽出，抽出后，形成非规则框架。原来由被抽柱所承担的竖向荷载及水平荷载需要转移到相邻的柱上。为保证结构形式不变，在二层相应结构增设腹板柱，承担原结构的竖向荷载，如图7、图8所示。为了保证结构具有足够的水平抗侧刚度，满足抗震规范要求，需要对其进行加固处理。因此提出以下两种处理方法：

(1) 加大截面法：直接对相邻的柱子进行处理，通常采取的方法是外粘型钢加固法和增大截面加固法。  

     (2) 刚性支撑法：在抽柱后，在1-2柱间增加刚性支撑，支撑为钢结构或混凝土结构，以增强整个框架结构的抗抗侧移能力。

4 软件分析

4.1软件简介

SAP2000是通用的结构分析设计软件，适用范围很广，主要适用于模型比较复杂的结构，如桥梁，体育场，大坝，海洋平台，工业建筑，发电站，输电塔，网架等结构形式，当然高层等民用建筑也能很方便的用SAP建模、分析和设计，它具有建模方便快捷、单元类型多、分析功能强大、分析结果精确等优点，已在多个行业得到了广泛应用，并取得了良好的效果。

4.2模型分析

本文的分析模型为一个三层的钢筋混凝土框架结构，计算采用的主要设计参数如下：

梁、柱混凝土强度：C30 ,板混凝土强度等级：C20  ,板厚：100mm ；

梁、柱钢筋类别：HRB335，梁、柱箍筋：HPB235；刚性支撑参数：型钢（Q235） YB-WH200×100×5×8 ；

分别对原结构（图1），抽柱后加刚性支撑（图2），抽柱后的结构（图3、图4），抽柱后加大相邻柱的截面（图5）其框架立面图、平面图如下。

截面尺寸：1-柱 400400 ,2-梁250500 ,3-腹板柱200600

图 2  抽柱后增加刚性支撑                   图 3   抽柱后立面图  

             图 4 二层平面图（加腹板柱）                    图 5 底层平面图（抽柱后加大柱截面）

    为满足《建筑抗震设计规范》(GB50011一2010)的要求，本文选取的三条强震记录为：El-Centro波、Taft波和一组人工模拟波,对上述结构形式进行时程分析，El-Centro波产生的地震效果较明显，比较各种结构形式产生的最大层间位移见表1。

                      表 1   各个结构形式在地震作用下的最大层间位移

由上表可知：工况B : 底层局部抽柱后，地震作用下结构X方向、Y方向的一层最大位移量相比原结构增大，二层位移量相比原结构减小，三层位移量减小。说明一层结构由于抽柱，其抗侧移能力变差，而二层结构由于增设腹板柱抗侧移能力增强。

工况C D E F :底层局部抽柱后，对底层周边柱的进行加固，随着加固柱截面的逐渐增大，地震作用下结构X方向、Y方向的一层最大位移量逐渐减小，二、三层位移量增加不大。说明底层结构由于采用增大截面法加固后，抗侧移能力增强。

工况G:增加刚性支撑后，地震作用下X方向一层最大位移量明显减少，二层、三层位移量减少，地震作用下Y方向各层最大层间位移量几乎没有变化。说明增加刚性支撑是一种非常有效的抗侧移手段，但是只对支撑的平行方向效果明显，但对支撑的垂直方向几乎没有作用。

另外增加支撑方法可避免湿式施工造成的环境污染，减轻对居民的影响。

   5 结语

      本文讨论了钢筋混凝土框架结构局部抽柱后形成不规则框架，为提高其抗水平荷载所提出的几种加固思路，并利用SAP2000有限元软件进行分析了加大截面法及刚性支撑法均能增强结构的抗侧移能力，分析表明刚性支撑在平行方向抗侧移能力效果非常明显。

参考文献：

[1]  李安起，张鑫，王继国.某框架结构抽柱托换工程实践[J].四川建筑科学研究，2004，30（3）：56-58.

[2]  张云波，欧阳煜.底部抽柱非规则框架计算简图的合理选取[J].工程力学，1996，378-381.

[3]  王勇.某商店底层抽柱的设计方案及比较[J].淮南职业技术学院学报，2004，4（3）：116-118.

[4]  周华林. 上海世博浦西综艺大厅改建工程中的抽柱托梁施工技术[J].建筑施工.，31（5）：344-346.

[5]  高峰，任晓崧，陈敏.框架结构局部抽柱的结构加固思路与实例分析[J].四川建筑，2007，27（6）：128-132.