（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）钢筋混凝土框架顶钢结构加层抗震分析.pdf

中文摘要 近年来由于城市工业化和商业化的迅速发展，城市建设用地日趋紧张，许多 原有建筑物已经不能满足新的需求，需要进一步扩大使用面积。在这种情况下建 筑加层就成了扩大房屋面积的个很好手段，钢结构加层是目前逐步被推广的一 种房屋加固与改造形式。由于下部原结构多为砌体结构或钢筋混凝土框架结构， 因此组合成的结构属于混合结构。由于这种混合结构是由两种具有不同阻尼比的 材料组成，构成了非比例阻尼的结构体系。 对于加层结构，不仅要进行加层部分的设计，而且应进行结构的整体分析。 加层后整体结构的动力特性与原结构有较大变化。对于我国这样一个多地震国 家，加层结构的抗震性能的研究尤其不能忽视。 本文采用平面弹塑性时程分析软件n d a s 2 d ，对钢筋混凝土框架顶部加两层 钢框架的结构进行考虑非比例阻尼特性的弹性时程直接动力分析，并在此基础上 讨论了不同阻尼比和不同刚度对整体框架的抗震性能的影响。计算结果表明，这 种结构在顶部钢框架几层有较大的鞭梢效应。鞭梢效应是由于该部位刚度和阻尼 突然减小两个原因引起的，忽略其中任何一个都不能准确计算结构的位移和内 力，从而给设计带来安全隐患。设计计算中除应考虑这种结构两部分间刚度差异 影响外，还应考虑其阻尼差异的影响。算例计算结果还表明，因折算阻尼比法没 考虑钢框架部分阻尼比突然减小的因素，如用于设计计算，将带来不安全的结果。 通过用非经典振型迭加法对算例一的计算并将其内力和位移结果与直接积分法 结果比较，说明可以使用非经典振型迭加法来提高计算效率。最后，对这类结构 的设计提出几点建议。 关键词：钢结构加层；阻尼比；弹性时程分析；抗震性能；刚度；鞭梢效应 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ec i t yb u i l d i n gc o s ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r en e r v o u sd u et ot h e r a p i dd e v e l o p m e n to f t h ec i t yi n d u s t r i a l i z a t i o na n dc o m m e r c i a l i z a t i o n m a n yo r i g i n a l b u i l d i n g sn e e dt h ef u r t h e re x t e n s i o no fu t i l i z a t i o na r e ai no r d e rt os a t i s f yt h en e w d e m a n d i nt h i sc a s e ，a d d i n gs t o r i e so nt h eo r i g i n a lb u i l d i n gb e c o m e sag o o dm e t h o dt o e n l a r g et h ea r e aa n da d d i n gs t e e ls t o r i e si s t h ep o p u l a rf o r mi n r e i n f o r c i n ga n d r e b u i l d i n gt h eb u i l d i n g sa tt h ep r e s e n tt i m e a sm o s to ft h eo r i g i n a lb u i l d i n g sa r e , b r i c k i n g u p s t r u c t u r eo rt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ef r a m es t r u c t u r e ，t h ec o m b i n e d s t r u c t u r e sb e l o n gt ot h eh y b r i dc o n s t r u c t i o n t h i sh y b r i dc o n s t r u c t i o ni sc o m p o s e db y t w ok i n d so fm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n td a m p i n gr a t i o ，s oi ti sn o n c l a s s i c a l l yd a m p i n g s t r u c t u r a ls y s t e m f o ra d d i n gs t o r e ys t r u c t u r e s ，y o us h o u l dn o to n l yt oc a l c u l a t et h ea d d i n gs t o r e yp a r t , b u ta l s ot om a k et h eg l o b a la n a l y s i so f t h es t r u c t u r e a f t e ra d d i n gs t o r i e s ，t h ed y n a m i c p r o p e r t i e so ft h eo v e r a l ls t r u c t u r ev a r yf r o mt h eo r i g i n a ls t r u c t u r e o u rc o u n t r y , w h i c h i sac o u n t r yw i t hf r e q u e n te a r t h q u a k e s ，t h es e i s m i cp e r f o r m a n c er e s e a r c ho fa d d i n g s t o r e ys t r u c t u r e sc a n tb en e g l e c t e dp a r t i c u l a r l y i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo ft w o s t o r e ys t e e lf r a m e sa d d i n go nt h et o po fo r i g i n a l c o n c r e t ef r a m ei ss e l e c t e di nt h ed i r e c t e l a s t i cd y n a m i ct i m e h i s t o r ya n a l y s i sw h i c h t h en o n - c l a s s i c a l l yd a m p i n gi sc o n s i d e r e db ys o f t w a r en d a s 2 d o nb a s eo ft h e a n a l y s i s ，t h es e i s m i cp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e st ot h ei n t e g r a lf r a m ea r ec o m p a r e db y c h a n g i n gt h ed a m p i n gr a t i oa n ds t i f f n e s s t h er e s u l mi n d i c a t et h a tt h e r ei sar a t h e r l a r g ew h i p l a s he f f e c to nt h es t e e lf r a m eo nt o po f c o n c r e t ef r a m e t h ew h i p l a s he f f e c t i sc a u s e db yt h es u d d e nd e c r e a s eo ft h es t i f f n e s sa n dd a m p i n g ，w ec a n tc a l c u l a t et h e d i s p l a c e m e n ta n di n t e r n a lf o r c eo ft h es t r u c t u r ee x a c t l yi fw en e g l e c to fe i t h e ro ft h e r e a s o n s ，a n di tw i l lb r i n gi n c i p i e n tf a u l tt ot h ed e s i g n s oi nt h es t r u c t u r ed e s i g n ，w e s h o u l dn o to n l yc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h es t i f f n e s sb u tc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo ft h e d a m p i n g t h er e s u l t sa l s oi n d i c a t et h a ti ft h er e d u c e dd a m p i n gm e t h o dw h i c hh a s n o t c o n s i d e r e dt h es u d d e nd e c r e a s eo fd a m p i n gr a t i oo ft h es t e e lf r a m ei su s e dt od e s i g n ， i tw i l lb r i n gu n s a f er e s u l t s c o m p a r et h er e s u l t so fi n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n t w h i c ha r ec a l c u l a t e db yt h en o n - c l a s s i c a l l ym o d a ls u p e r p o s i t i o nm e t h o dw i t ht h e r e s u l t sa r ec a l c u l a t e db yt h ed i r e c ti n t e g r a t i o nm e t h o da n dy o uw i l ls e et h a tt h e n o n c l a s s i c a l l ym o d a ls u p e r p o s i t i o nm e t h o dc a nr a i s et h ee f f i c i e n c y a tl a s t ，s o m e s u g g e s t i o n sa b o u tt h es 缸u c n l r ed e s i g na r ep u tf o r w a r d k e yw o r d s ：s t e e la d d i n gs t o r e y ；d a m p i n gr a t i o ；e l a s t i ct i m eh i s t o r ya n a l y s i s ； s e i s m i cp e r f o r m a n c e ；s t i f f n e s s ；w h i p l a s he f f e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞苤鲎或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 习蓬、签字日期：2 哪年箩月巧e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特 授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：习袈 签字日期：2 口呷年岁月万日 订 3 厂 孔 j ，覆年。 0 7 可沙 飙 辄 汨 戳 泞 秘 签 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 近年来由于城市工业化和商业化的迅速发展，城市建设用地日趋紧张，有 些已建成的建筑物已经不能适应日益繁荣的物质、文化需求，使用功能受到限制， 需要进一步扩大使用面积。在这种情况下建筑加层就成了扩大房屋面积的一个很 好手段。首先，在旧建筑物上加层，不占用土地或占用很少一部分土地，加层可 以缓解现今土地资源紧张的形势。其次，加层比新建房屋的投资要少得多。这在 资金紧缺时，加层不失为一种很好的举措。因此在原有建筑物上加层与加固技术 的研究，越来越受到设计人员与业主的重视。 在我国经济迅速发展的今天，城市的结构性和功能性衰退将日益成为我国旧 城改造的关键。综合改造不是推倒重建，这既不经济也不现实，而是立足于现有 条件，新建与改造并重。近年来，许多城市在规划上采取两条出路：一是占用郊 区大量农田和耕地建新房，二是拆除旧的低层楼房，重新建高层楼房的大拆大建。 目前我国人均耕地奇缺，经济实力又很有限，特别是近几年的大拆大建和乱占农 田耕地之风，已经给国家和各地的经济建设造成了巨大的损失。土地资源的不可 再生性使土地的有效利用越来越引起人们的关注，而随着人口的激增，大量农村 剩余劳动力的涌入，城市化进程的不断加快，对本来已十分紧张的城市用地更是 “雪上加霜”。因此，除了根本上从法律、政策上限制违规占地、保护耕地和节 约用地以外，对既有建筑进行加层改造，向空中和地下要面积是充分利用国土的 良策，是解决现阶段住房问题经济有效的途径。 据有关部门统计，到1 9 8 5 年底，我国拥有城镇房屋面积4 6 亿平方米，按设 计基准期5 0 年计算，这些建筑物已进入了“中年或“老年”服役阶段，其中 约一半需分批分期鉴定、修缮、加固才能延长其使用寿命。另外，过去相当多的 城乡建设缺乏整体规划，环境设计、房屋布局、层高不合理等现象比比皆是，特 别是随着生产力的提高，建筑功能已经越来越不能满足人们的需要，因此，对占 地多而层数低的房屋进行加层改造的同时改善其使用功能是很有现实意义的举 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 措。加层改造对缓解城市建设用地紧张，改善人民居住条件，加快城区改造都具 有现实意义。因此，近年来，既有房屋的加层改造以其独特的技术经济优势赢得 了人们的青睐，成为既有房屋修缮改造中占比例很大的一块，加层改造的优势是 显而易见的【2 】： ( 1 ) 增加单位土地面积住房的容积率，缓解当前住房紧张，充分利用城市空间， 有效地保护耕地。 ( 2 ) 充分利用现有的城市设施，节省城市配套设施费；节省拆迁、建筑垃圾运 输和征地费用，而且审批程序简单快捷，施工周期较短。 ( 3 ) 将过去的简易住房改造成标准房，改善居住条件；加层改造的同时对建筑 平、立面进行调整和室内外装修，使旧房焕然一新，既保持了原建筑的特色和风 貌又美化了城市市容。 ( 4 ) 我国是一个地震频发的国家，有1 7 0 多个城市位于7 度以上的地质构造活 动带。七十年代以前的房屋大多未考虑抗震设计，因此可将抗震加固和加层改造 结合起来，既增加了使用面积，又增强了房屋抗震能力，延长建筑物使用年限， 获得一箭双雕的效果。 ( 5 ) 充分利用旧房屋在长期荷载作用下地基承载力的增长值，在地基不需要处 理或略微处理的情况下，实现房屋的直接加层，其经济效益十分显著。 ( 6 ) 对于生产生活急需扩大房屋使用面积的单位，在不影响正常生产、办公、 居住的条件下进行施工，可很好地解决住户临时安置问题。 综上所述，加层改造是适合我国国情和经济技术条件的一项利国利民的技术 政策。 1 2 国内外既有房屋加层改造发展概况 从第二次世界大战结束至今6 0 多年间，世界主要工业化国家的城市建设大体 经历了三个发展阶段f l 】= 大规模新建一新建与维修改造并重一对旧房屋更新改造 现代化。许多发达国家在上世纪7 0 年代末就已先后进入第三阶段，而且维修改造 工程量仍处于上升趋势。国外在二战后的恢复时期，就在大力投资新建房屋的同 时，开始了旧房屋维修改造技术的研究和实践。上世纪7 0 年代前后，各国在基本 解决住房困难问题之后逐渐重视旧建筑的修缮保养和更新改造。至上世纪8 0 年 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 代，欧州各国的建筑日常维修资金投入年递增6 卜1 0 ，旧住宅维修改造总额占 住宅建设总额的1 3 一l 2 。当前世界上不仅发展中国家，许多发达国家也十分重 视既有房屋的改造和利用。加拿大、日本、丹麦等国都制定了一整套系统完备的 涵盖了维修改造业方方面面的政策和法规。美国已把改造旧建筑和建造新建筑列 于同等重要的位置，着重研究维护旧城区建筑历史风貌，使旧房外部整修如旧而 内部设施不断现代化。日本于1 9 7 7 年制定了既有房屋改造的有关政策，致力于简 陋公产住宅改造和高层建筑修缮技术。前苏联也尽可能地压缩旧房屋的拆除量， 对有保留价值的建筑实行定期维修改造，并在莫斯科和圣彼得堡等城市设立专门 负责改造设计的建筑设计院，既有房屋的加层改造是其中一项较为重要的研究内 容。英国把旧住宅维修改造作为住宅发展计划的中心，从上世纪7 0 年代改变了大 规模拆旧建新的住宅建设模式，转为保护性维修改造和内部设施现代化，1 9 7 8 年改造维修投资是1 9 6 5 年的3 7 6 倍，1 9 8 0 年旧房维修改造工程占建筑工程总量 1 3 。瑞典的建筑业在上世纪8 0 年代就将既有建筑物的改造列为首要任务，1 9 8 3 年用于维修改造的投资占总投资的5 0 ，1 9 8 8 年旧房维修改造工程占4 2 。其它如 意大利、匈牙利、波兰、捷克、斯洛伐克、丹麦、德国等国家自上世纪七十年代 以来都先后提出住宅建设的新方针，将重点放在对既有房屋的现代化改造方面上 来。据有关资料显示，英、美两国在1 9 8 5 年的建筑维修改造市场就开始进入了全 盛时期，仅商业、工业及办公建筑的改造投资就达9 6 5 亿美元，其加层改造的房 屋已从多低层发展为高层建筑加层，其中比较有代表性的是美国的j u l s a o k l a h o m a 中州大楼( 图1 - 1 ) 的加层改造。它是在原1 6 层的建筑内构筑一个内筒来 承担新增的2 1 层建筑，成为世界上加层层数最多的加层改造工程。意大利n a p l e s 市政府办公楼( 图1 - 2 ) 也是比较有特色的加层工程。原建筑包括地下室在内共四 层，要求增加五层，同时要求施工期间不能停止使用，因此该工程在靠近原结构 基础采用树根桩，树根桩上做基础梁，基础梁上竖起钢柱，钢柱穿越原结构直通 屋面。白天办公楼不停止使用，施工在晚问进行，加建的五层钢框架完成后，拆 除原三层房屋并重建下面几层，并将有关楼板和整个结构连接起来形成整体。 国内既有房屋加层改造实践起步较早，比较有代表性的是建于1 9 1 5 年的上海 工艺美术品服务部的加层改造工程，它是我国最早的既有建筑加层改造工程之 一，同时也是加层次数最多的建筑物，如图1 - 3 。它由最初的两层现浇钢筋混凝 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 土框架结构，先后进行了三次加层改造，逐步成为四、五、六层结构，均在1 9 4 9 年以前完成，该工程为加层改造的理论研究和工程实践提供了宝贵的资料。随后， 我国既有房屋加层改造的发展速度较为缓慢，直到上世纪七十年代初，既有建筑 物的加层改造工程才迅速发展起来，全国各地纷纷开展对旧房的挖潜、改造、加 - 蝤期船嘲 “、l： o ， 曰j 图1 - 1 美国的j u l s ao k l a h o m a图卜2 意大利的n a p l e s 中州大楼的加层改造市政府办公楼加层改造 固、加层工作。上海、广州、武汉、重庆、成都、哈尔滨、昆明、贵阳等地先后 将旧房屋改造列入城市发展规划，颁布了有关旧城区现代化改造的文件和规定。 据不完全统计，全国已经建成的加层改造工程数千例，遍布二十余个省会、三大 直辖市和众多的大中城市。尤其是全国的政治、经济和文化中心一北京，加层改 造工程成绩蔚为大观。原纺织工业部办公楼、北京日报社办公楼、中国石油天然 气总公司( 原石油部) 办公楼、西单商场等这些包括国家政府机关在内的办公楼的 颇具影响的加层改造工程为今后加层改造工作起到了良好的示范和推动作用。 图l 一3 上海工艺美术品服务部的加层改造 天津大学硕士学位论文第一章绪论 总的来说，我国既有建筑加层改造出现了一系列新的发展方向1 3 】： ( 1 ) 由过去单个房屋加层发展到成片住宅区、数十栋建筑的加层改造。 ( 2 ) 由一般的民用建筑加层发展到大型公共建筑、工业建筑、商业建筑、办公 建筑增层。 ( 3 ) 由旧房屋加层发展到新建房屋加层，由使用若干年的房屋加层发展到施工 过程中加层。 ( 4 ) 由砖混结构加层发展到多种结构形式的加层，由单层加层发展到多层加层。 ( 5 ) 由室外加层发展到室内加层，由地上加层发展到地下加层。 ( 6 ) 结构加层方法趋于多样化，各种新工艺、新材料逐步应用于房屋加层改造。 ( 7 ) 轻钢结构加层技术的研究和工程实践取得了很大进展。 ( 8 ) 建筑物加层的建筑设计受到重视，既注重结构安全，又满足建筑功能和美 学功能的要求。 1 3 既有房屋加层改造研究现状 国外关于房屋加层改造的文献资料报导很少。前苏联和东欧国家在卫国战争 结束后曾进行了大量的房屋加固、改造、加层工程，在评价和确定既有房屋的地 基承载力方面作了一定的研究，但在结构研究方面，却没有突破性的进展。 建筑结构有木结构、砖混、框架等几种类型。一般来说，加层只考虑在框架 及砖混结构的建筑上进行。从整体结构上看，框架承载力较大，抗震性好，但目 前，框架结构加层较少，因砖混结构的建筑较多，所以，在砖混结构的建筑上加 层较多，目前我国的既有房屋加层改造主要是针对上世纪5 0 7 0 年代建造的、使 用了2 0 3 0 年、开间和进深一般都不大的2 4 层砖混结构房屋，现在在框架、 内框架和排架等结构中的应用也越来越广泛。 1 3 1 加层方法 1 3 1 1 规范推荐的加层方法 既有房屋的加层方法基本可以归结为二大类方式【4 】：直接加层法和外套结 构加层法。直接加层法是指在原有房屋上不改变结构承重体系和平面布置，直接 加层的方法。其适用条件是原结构和地基基础的承载力和变形满足加层的要求； 天津大学硕士学位论文第一章绪论 或仅局部加固处理即可直接加层。直接加层可比较充分地利用原建筑的承载潜 力，因此直接进行加层改建是扩大使用面积最经济、方便的手段。由于这种加层 方法受原建筑的制约较多，当建设单位希望将层数提高较多时，往往不能采用这 种方法。从国内大量的加层工程经验总结和技术经济分析来看，该方法加层层数 以不超过3 层为宜，加l 层技术经济效果不明显，故以加2 - 3 层为好。外套结构 加层法是直接加层法不可行情况下唯一的选择。外套结构的形式很多，但本质上 分别属于分离式或整体式两种。其中分离式是指新旧结构完全脱开，新旧结构 之问留有足够宽的抗震缝，各自独立地承担竖向荷载和抵抗侧力。分离式加层具 有传力路径明确，计算简图明晰，增加的结构平面布置灵活，不受原结构的限制 等优点，因而应用较广。然而，普通的分离式外套框架作为典型的底层柔性结构， 在地震区采用存在一系列技术问题，其中最大的缺陷是易形成“高鸡腿”结构， 底层框架柱计算长度很大，抗侧刚度低；其次是设计不当可能导致外套结构二层 以上层间刚度与底层的刚度比过大，整体结构抗侧刚度沿竖向分布很不均匀，柔 性底层容易形成抗震薄弱环节。为了克服分离式外套结构的这些弱点，一些研究 人员和工程设计人员提出可从提高外套结构的抗侧刚度和水平抗震能力入手，研 究了一些其它形式的外套结构，希望籍此减少地震能量输入，削减结构的地震反 应以改善结构的抗震性能。另一种克服分离式加层弱点的解决办法就是转变思 路，“另辟蹊径”采用整体式外套结构，即将新旧结构采用某种连接构造连 接起来形成整体，旨在通过连接的作用使新旧结构互相制约，彼此传递能量，共 同抵抗侧力，改善结构整体抗震性能。整体式加层后新旧结构之间作用不明确， 新旧结构交织在一起，竖向和水平传力路径复杂，难以形成清晰明确的计算简图。 对于整体式外套加层结构方案，也有研究者认为在地震区不宜采用，因既有结构 多建于上世纪7 0 年代以前，大多未考虑抗震设计，不利因素较多，其本身就需 要抗震加固。 1 3 1 2 实用加层方法 在大量房屋加层工程实践中，根据原房屋客观情况及加层工程实际要求，在 规范推荐方法基础上，工程技术人员采用了多种可行的房屋加层方法，如室内加 层、地下加层、悬挂加层等，并且取得了较好的社会效益和经济效益。 1 室内加层法 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 室内加层指在原建筑物室内增加楼层的方法。一般在原建筑物层高较大，加 层改造后又不需要较大层高的情况下采用。室内加层的基本结构形式一般有分离 式、整体式、吊挂式和悬挑式等四种。 ( 1 ) 分离式 分离式室内增层是指在室内增加新的承重结构体系，四周与旧房完全脱开， 新加部分可做成框架承重体系或砖混结构承重体系。这种体系一般将影响原建筑 物的使用效果，而且由于该体系为内套开口房屋，对抗震不利，不能用于抗震设 防地区。 ( 2 ) 整体式 整体式室内加层是指在室内加层时将室内新增承重结构与旧房结构连在一 起共同承担房屋加层后的总荷载，它可以利用旧房屋的墙、柱和基础的承载潜力， 整体性好，有利于抗震。其缺点是需对旧房进行鉴定加固，且梁柱节点处理较困 难。 ( 3 ) 吊挂式 吊挂式室内加层是采用吊挂式结构把加层荷载传至原建筑上一层楼( 屋) 盖。 采用悬挂结构进行室内加层是一种比较新颖的加层方法。悬挂轻质结构具有自重 轻、工期短、效益显著等优点，是在一定条件下进行室内加层的理想结构形式。 另外，由于悬挂结构可降低原结构的自振频率，增大地震时地面与结构的频率比， 因而还可减少地震对结构的作用。 ( 4 ) 悬挑式 悬挑式室内加层是指用悬挑结构把荷载传至原建筑物的加层方法。吊挂式和 悬挑式加层法均是在室内不允许立柱、立墙时采用，且需要对原建筑物进行大面 积加固处理。 2 地下加层法 地下加层法是指在原建筑的室内地下新增楼层的加层方法。主要有压入桩墙 法、锚杆静压桩法、墩柱式法等。 1 3 1 3 新型加层方法 房屋新型加层方法指随着现代科学技术的发展新型结构设计理论的逐步完 善，新型建筑材料的开发，近几年出现的房屋加层技术。目前，正处于研究开发 天津大学硕士学位论文第一章绪论 阶段。 1 结构控制加层 结构控制技术又称隔震减震控制技术。结构控制加层法指在利用既有建筑物 与加层部分之问设置耗能减震装置或隔震减震装置，耗散地震输入的能量，或合 理设计加层结构与原结构的刚度比值，减少原结构及新增结构地震反应的一种加 层方法。加层减震的关键技术在于合理确定耗能装置的布置、构造及其参数( 即 水平刚度k 、阻尼c 、新结构与旧结构的质量比) 。利用隔震减震技术加层，从理 论上讲，可以在减少或不增加总投资的情况下使新增结构和原结构的地震反应均 降低。 2 轻型钢结构加层方法 轻钢加层即利用轻型钢结构对原有房屋实施加层。轻型钢结构是指以轻型冷 弯薄壁型钢、钢管、轻型热轧型钢、焊接型钢及以上各种构件拼接、焊接而成的 组合构件等为主要受力构件，并且大量采用轻质围护结构材料的结构。目前，轻 钢加层应用最多的是屋顶直接加层和室内加层两大类，随着轻钢结构的普及推 广，房屋加层技术的逐步完善，轻钢外套加层以其特有的优势也必将会被越来越 多的加层工程所采用。 3 钢一钢筋混凝土组合结构加层方法 在加层工程中，采用钢钢筋混凝土组合结构加层主要有两种形式，一种是 加层结构全部采用钢钢筋混凝土组合结构，另一种是在外套钢结构加层中，底 层采用型钢混凝土钢管混凝土柱，利用钢钢筋混凝土组合结构刚度大、承载能 力强、抗震性能好等优势弥补外套加层结构上柔下刚的不足，使钢结构和组合结 构两种结构形式优势互补。 1 3 2 试验和理论研究 总的来说，有关房屋加层改造方面有价值有深度的研究资料很少，尤其是 第一手的试验资料。存在的问题主要有三方面：其一，试验研究很少且研究较分 散。其次，关于整体式外套结构加层的计算模型未达成共识，未有完整而系统的 普遍接受的抗震设计计算方法。对于分离式外套结构加层，主要是新结构体系的 选型和优化问题，与既有结构联系不大，计算模型比较明确。而对于整体式外套 结构加层的计算模型，各家莫衷一是。计有以下几种计算模型： r 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 将加层房屋视为下部带水平铰接杆的框架； ( 2 ) 将旧房视为外套框架的砖填充墙，按普通框架结构进行分析； ( 3 ) 将砖混结构的横墙视作外套框架的砖剪力墙； ( 4 ) 整体式框架一剪力墙； ( 5 ) “下砖上框”计算模型； ( 6 ) 将外框和原横墙视为带加劲边缘的剪力墙组合结构； ( 7 ) 新旧结构协同工作模型。 分析这些计算模型，大多是在考虑旧房的结构布置和定的构造处理基础上 提出的，都有其一定的依据和合理性。一是每种计算模型与原砖混结构布置和新 旧结构连接构造处理有很大关系，有自己的适用范围。新旧结构之间联结方式不 同，如何考虑计算模型会有很大差异，直接影响结构的整体动力性能、内力分布 和抗震性能；二是计算模型的合理性本身还需要理论分析和试验研究；其三，对 减震耗能装置应用于整体式外套结构加层振动控制阶段，减震耗能的效果还需深 入研究。一些研究人员根据现代结构控制理论，提出将上刚下柔型的主体高层结 构与一个相对刚性的附属裙房用控制器在底部若干层连接起来，以控制柔性底层 的侧移，进而改善组合体系的振动品质，实现动力特性重分配。在此基础上有研 究人员又将这种思想拓展开来，研究在外套框架与原结构之间设置被动控制器或 弹塑性连接，通过被动控制器耗散大量地震能量，从而控制整体结构的地震响应。 有人提出设想：新旧结构分而不离，采用减震耗能节点连接，此节点属于柔性或 半刚性，可减少框架柱的计算高度，同时在遭遇地震时可具有减震、耗能的特点， 可减少新旧结构之间的作用。存在的主要问题是加层房屋在不同地震波激励下的 减震耗能效果不同，可能对既有结构有利也可能不利，取决于新旧结构的各自动 力特性、质量比、刚度比等结构参数及控制器的控制参数的优化等。另外，新旧 结构之间连接构造的具体实现措施有待进一步研究。 1 4 既有房屋加层研究中存在的问题 加层是一个看似简单，实际却很复杂的问题，因为不合理的加层，往往会带 来一系列的破坏性问题：房屋出现裂缝、不均匀沉降、建筑的整体抗震性降低、 部分构件因承载力过大而产生弯折等等。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 虽然我国既有建筑的加层改造发展很迅速，但开展时间并不长，技术也不很 完善，工程实践明显领先于理论研究。虽然我国制订了加层规范，但适用面较窄， 难以适应丰富多彩的工程实践。各地的加层改造工程多根据工程技术人员的经验 而定，无统一标准。在工程实践中，也出现了一些问题，已竣工的一些加层改造 工程采用的结构形式，其安全可靠性还缺乏有效的验证，有些潜伏着灾害事故的 隐患。加层中存在盲目性、不重视技术质量的倾向，例如加层结构受力不明确， 荷载无法得到安全有效的传递，或者对原结构未进行认真的鉴定和加固就盲目地 加层等等，从而导致了加层质量事故的发生或埋下了隐患。因此在房屋加层改造 中亟待规范建筑市场，做到有章可循，杜绝无证设计，确保施工质量，避免1 9 9 2 年埃及地震中由于大量加层房屋的倒塌造成人员大批伤亡惨剧的发生。上述建筑 物加层改造中出现的工程质量事故，固然存在客观因素，但不可否认的是：加层 改造中的一些设计理论没有得到很好的解决，致使设计人员设计中无章可循，设 计凭经验，也是很重要的原因。因此在既有房屋加层研究中的关键问题是【4 】： ( 1 ) 对现有的外套结构体系的破坏机理、抗震性能、抗震薄弱环节等需进一步 深入的理论分析和试验研究，在试验基础上提出外套结构加层计算模型。 ( 2 ) 重视结构体系的选型和优化，并在实践中创造性地发展新的结构形式和方 案。 ( 3 ) 对减震耗能装置应用于整体式外套结构加层的情况，现有的研究还限于弹 性振动控制阶段，对于大震下的结构进入弹塑性阶段结构动力特性改变后的减震 耗能效果需进一步深入研究。 ( 4 ) 加强对既有结构可靠度和剩余使用寿命的研究，对适用于既有结构房屋加 层改造的抗震鉴定和设计标准需进一步展开讨论，以澄清问题，达成共识，给实 际工程应用提供指导。 1 5 本文的主要研究内容 钢结构加层技术是目前逐步被推广的一种房屋加固与改造形式，钢结构加层 具有自重轻、地震作用小的优点，由于下部原结构多为砌体结构或钢筋混凝土框 架结构，因此组合成的结构属于混合结构。 由于混合结构是由两种完全不同的材料组成的结构体系，两种材料的阻尼比 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 差别比较大，而实际工程设计中经常采用规范中的折算阻尼的方法，折算阻尼介 于两种材料的阻尼之间，这种方法是一种近似方法，其计算结果如应用于设计， 阻尼大的部分提高了可靠度，但是又会造成浪费，对阻尼小的部分偏于不安全， 有时会形成很大的安全隐患。 本文的研究内容是： 1 以在八层、十层钢筋混凝土框架结构上加两层钢框架结构为研究对象，对 加层后整个结构进行模态分析、地震反应分析。 2 对比分析在下部钢筋混凝土结构层数变化的情况下，钢框架结构的内力与 变形情况，研究鞭梢效应对钢框架加层的影响。 3 对比分析阻尼和刚度对结构整体抗震性能的影响。 4 通过对直接积分法与非经典振型迭加法得出的位移和内力进行比较，说明 可以采用非经典振型迭加法来提高计算效率。 天津大学硕士学位论文第二章轻钢加层结构 第二章轻钢加层结构 轻钢结构是近年来发展起来的新型结构体系，具有优良的综合经济技术性 能。所谓轻钢结构通常是指由下列钢材所构成的结构：( 1 ) 冷弯薄壁型钢 结构；( 2 ) 热轧轻型钢结构；( 3 ) 焊接或高频焊接轻型型钢结构：( 4 ) 轻 型钢管结构；( 5 ) 板壁较薄的焊接组合梁及焊接组合柱而构成的结构。它 是钢结构的一个重要分支。其特点是布局灵活，设计制造周期短，自重轻，安装 方便。另外，轻钢建筑外型设计和彩钢板的色彩选择自由、造型美观，适宜大批 量生产，工业化、商品化程度高，适用性广。彩钢面板维护简便、费用低、污染 小，钢材可回收利用等也是极具竞争力的优点。因此，采用轻钢结构进行现有建 筑加层，可以发挥其综合优势，满足工程要求。 2 1 轻钢加层的应用概况 目前，轻钢加层主要分为屋顶和室内加层两大类。用于旧房加层改造，可最 大限度地减小加层荷载对原有结构的影响，同时易于实现产业化，具有显著的优 势。 上世纪9 0 年代以来，随着钢结构的广泛应用，建材工业的发展，轻钢结构 的异军突起，各种计算方法与材料应用理论的逐步成熟，使轻钢结构在加层改造 中的研究与应用渐受瞩目。轻钢加层改造建筑是在旧建筑物上采用轻型钢结构作 结构主体受力骨架，采用轻质高效材料和新型墙板做围护结构，属于直接加层。 由于轻钢结构构件截面面积小，可获得比同等钢筋混凝土结构更多的使用空间， 且便于施工管理，生产施工效率高，利于业主尽早投入使用创造效益，且构件便 于安装、拆除、搬迁，还可回收，有很高的使用价值。目前轻钢结构加层已取得 了一定的工程实践成果，取得了良好的经济效益和社会效益。在轻钢结构加层技 术研究与应用的同时，各种轻型建筑板材得到了进一步的发展，目前应用较多的 有：钢丝网架水泥轻质夹芯板、e p s 彩钢夹芯板。其具有强度高、材质轻、保温 天津大学硕士学位论文第二章轻钢加层结构 隔热、防水隔音等良好的性能，并且具有很强的装饰效用，可满足不同的建筑风 格。 2 2 轻钢加层的优缺点 轻钢加层除具有传统加层节约土地，有效扩大使用面积，缩短建设周期等优 势外，还具有下列主要优点【5 】： ( 1 ) 与钢筋混凝士结构和砖混结构相比，轻钢加层可减轻结构自重1 1 2 - - - 1 3 ，加 层部分的荷载对原结构及地基的影响减小，通常在利用地基承载力随使用时间提 高的情况下，地基不需加固便可直接增层。不仅减少了工作量，缩短了工期，而 且节省了加固费用。 ( 2 ) 轻钢加层结构形式的多样化，使许多不能加层的砖混结构及钢筋混凝土结 构加层成为可能，而且能实现大空间是其独特优势。再者，加工制作的工厂化和 现场装配的标准化减少了现场湿作业，加快了施工进度，减少了对原有建筑使用 者的干扰。资金周转的加快在市场经济的今天对现代企业至关重要。 ( 3 ) 轻钢加层适用范围广。不仅适用于各类民用建筑如大批的多层砖混结构住 宅及办公楼，而且适用于工业建筑，可以说利用轻钢结构没有不能加层的建筑， 目前国内已有多种利用轻钢结构成功加层的实例。 ( 4 ) 轻钢加层的造价是普遍关注的热点，目前的技术可以做到与砖混结构持平。 另外轻钢加层可节约大量木材、水泥、粘土砖等可能导致环境破坏的建筑材料， 符合现行的可持续发展战略。 轻钢加层纵然存在上述优点，但也存在以下不足： ( 1 ) 轻钢加层后形成下刚上柔、下重上轻的剐度和质量分布不均匀体系，因此 整体协同工作及抗震性能应引起重视。 ( 2 ) 轻钢结构耐久性相对较差，其耐久性就结构骨架本身而言有防腐及防火两 项内容。就防腐两言，由于杆纫壁薄，在各种侵蚀性介质作用下，使加层结构寿 命甚至会低于已使用数年的原结构。因此，必须根据结构所处环境选择合理的防 腐措施。目前，采用较多的是防腐涂料，但应注意选择涂料类型，底层除锈以及 底漆及面层的匹配，并保证于漆厚度5 0 x m ，这是保证加层轻钢结构寿命的 重要环节。另外，轻钢加层的防火应引起同样重视，可采用防火涂料或外包防火 天津大学硕士学位论文第二章轻钢加层结构 板材。 ( 3 ) 轻钢加层的围护材料通常与下部建筑不一致，可能对原房屋的建筑风格造 成影响。 2 3 轻钢加层的结构体系及计算模型 轻钢结构与普通钢结构并无明确的划分，在传统概念中，轻钢结构一般是指 由圆钢、小角钢组成的小型、小跨度的屋架、刚架体系，般用于小型厂房、仓 库、或临时建筑，随着以h 型钢、冷弯薄壁型钢和彩色压型钢板为标志的新型高 效钢材以及自攻防水螺钉等新型防水连接密封件的出现，轻钢结构的体系已发生 了根本性变革，尤其各种涂层彩色钢板的使用、大大延长了建筑外观的装饰寿命， 并赋予建筑物极强的表现能力，使得现代轻钢结构建筑可适宜于各类建筑物的加 层改造。常用的新型轻钢结构体系主要有f 2 l 】： ( 1 ) 网架结构体系 目前普遍采用的网架结构，主要有焊接空心球节点体系及螺栓球节点体系两 类，网架结构具有灵活的空间造型能力，可以根据加层的建筑要求由杆件或节点 形成任意空间形状，如：球形、金字塔形、坡屋顶等，这是一般结构很难实现的。 作为空问整体受力体系，网架结构用于加层设计尤其适合于需要空间传力的屋面 形状，如方形、圆形、不规则多边形等或复杂支撑条件。 ( 2 ) 门式刚架体系 门式刚架结构体系主要由主刚架、墙梁、檩条、屋面支撑、柱间支撑、抗风 柱、隅撑等组成，梁柱构件多采用焊接工字形实腹截面，为与梁、柱的弯矩图相 吻合，可通过改变腹板高度的方法实现变截面。门式刚架的现场拼接节点采用高 强螺栓端板连接方式，比通常的腹板翼缘拼接节省材料和紧固件，门式刚架与下 部结构可以是刚接或铰接连接，其连接形式主要受原结构限制。因此，作为平面 受力体系，门式刚架结构主要是用于矩形平面布置的单层加层情况，跨度可做到 9 一- 3 6 m ，柱距可为6 1 2 m 。 ( 3 ) 压型钢板拱形屋盖结构 压型钢板拱形屋盖结构是一种圆弧拱体系，是由专门的成形机组，先将厚度 为0 6 1 6 姗的彩色涂层钢板冷弯轧制成带卷边的梯形或u 形截面，再将底边辊 天津大学硕士学位论文 第二章轻钢加层结构 压成折皱，使底边总长缩短，即轧制成为圆弧单拱，而后把各单拱的上边用轧边 机将它们相互咬合，并依次连接形成一种轻型筒壳结构，该结构形式在加层中使 用具有独特的室内及室外空间效果，但起拱产生一定的水平推力，且筒壳对下部 结构不能构成有效约束，因而下部支承柱一般按悬臂压弯构件计算，柱脚必须实 现刚接。 ( 4 ) 轻型钢框架体系 轻型钢框架体系采用热轧或焊接h 型钢为主承重框架，由于h 型钢腹板较薄， 框架节点在强轴方向宜采用刚接方式，在弱轴方向宜采用铰接方式，轻型钢框架 与钢承板组合楼盖或预制板叠合楼盖结合，可适用于建筑物多层加层的情况；或 当加层的柱网尺寸较大时，也可用主次梁结构的轻钢框架体系。 由于轻钢结构体系重量轻，一般可利用原有建筑的基础，墙、梁、柱承重结 构直接增层，旧建筑一般为框架或砖混结构，采用直接加层后，整个受力体系发 生了变化。加层后的结构体系常常变为底部为框架或砖混结构与上部为框架或排 架等组合在一起的混合结构体系，加层后的结构设计计算简图必须与实际结构及 构造相符，应有明确的传力路线、合理的计算方法和可靠的构造措施。尤其注意 对于砖混结构的轻钢加层，上部加层部分与下部结构之间一般只能是铰接连接， 必须慎重选择上部轻钢体系，以避免出现整体结构的几何不稳定。 2 4 轻钢加层的设计原则 加层设计是加层工程的关键，不能盲目进行。轻钢加层设计应采用与新建房 屋相同的设计标准，即应符合国家现行设计规范和标准，在地震区应符合建筑 抗震设计规范( g b 5 0 0 1 l 一2 0 0 1 ) 的要求，不需按抗震鉴定标准进行设计。但原 有结构只要加固后结构能满足抗震鉴定标准要求就可以了。抗震鉴定标准的要求 是：遭到相当于抗震鉴定加固所采用的设防烈度的地震影响时，一般不致倒塌伤 人或破坏重要生产设备，经修理后仍可继续使用。抗震设计规范的要求是遭到相 当于抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使 用。两者的主要区别就在于结构破坏的程度不同，但它们都有一