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协同式套建增层预应力混凝土框架抗震性能与设计方法

张昊宇  
【摘要】:既有房屋的套建增层改造已成为土木工程界关注的一个热点问题。对于建筑高度较高的既有结构,宜采用将套建增层结构柱与既有结构各层结点连杆连接,使既有结构和套建增层结构形成竖向相对变形自由,水平变形协同的协同式套建增层结构的型式。由此可减小套建增层结构柱截面尺寸,缓解套建结构的“高鸡腿”效应。针对如何确保协同式套建增层结构“小震不坏,大震不倒”的要求,本文开展了以下几方面的研究工作: (1)采用ANSYS参数化设计语言(APDL)编制预应力混凝土协同套建增层框架结构内力和配筋计算程序,对常遇地震作用下协同式套建增层结构的受力特点进行了系统分析。分析表明,常遇地震下协同工作的既有结构在水平地震作用下的受力较协同工作前有所改变:框架梁端、柱端的弯矩和剪力沿结构高度的分布由下大上小变为上大下小,协同式套建增层结构柱给既有结构的作用类似框架抗震墙结构中的剪力墙对于框架的作用:承担了既有结构底部的大部分水平力,增大了既有结构上部的水平位移和内力。 (2)对协同式预应力混凝土套建增层框架结构的受力特点、出铰机制进行了分析,提出在协同式套建增层结构中使用正弯矩塑性铰位于距梁端0.1倍梁跨度处的出铰机制(梁跨铰机制)能够适当减弱套建增层框架梁的弯曲超强效应。对梁跨铰机制的预应力混凝土框架梁进行了低周繁复荷载试验,为协同式套建增层结构时程分析的塑性铰模型选取提供了依据。试验表明,梁跨铰机制试验梁正弯矩塑性铰的破坏呈现裂缝开展较为集中,裂宽较大的现象,塑性铰较梁端铰试验梁的正弯矩塑性铰长度略短;正弯矩塑性铰的位移延性略差于梁端铰试验梁,但相差不大;梁跨铰机制试验梁的耗能能力略低于梁端铰试验梁。对梁跨正弯矩塑性铰进行了计算分析和数值模拟,结果表明实际工程中的梁跨正弯矩塑性铰长度明显试件塑性铰长度,延性性能也好于试验结果;预应力混凝土框架梁梁跨正弯矩塑性铰受拉非预应力筋最小配筋率遵循《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)对普通钢筋混凝土框架梁底部纵筋最小配筋率的规定是安全可行的。 (3)采用IDARC非线性分析程序,对按照02规范对框架结构的要求设计的协同式套建增层结构进行了罕遇地震作用下的弹塑性时程分析。分析表明协同式套建增层结构新增楼盖以下的部分为结构的薄弱层,罕遇地震作用下易发生层倒塌模式的破坏。采用02规范对框架结构的要求设计的协同式套建增层结构,部分在罕遇地震作用下发生了倒塌破坏:随地震烈度的增高和场地土特征周期增大,结构在罕遇地震作用下的破坏情况加剧,破坏数量也有所增加。对比分析表明梁跨铰机制确实能够减轻套建结构柱在地震作用下的负担,减轻整体结构的“高鸡腿”效应。提出协同式套建增层结构适合建造在6、7度区的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地和8度区的Ⅰ、Ⅱ类场地;抗震构造等级按照6度区三级,7度区二级,8度区一级划分;套建框架柱设计轴压比限值在02规范基础上下调0.1;适当加大柱端弯矩增大系数;应采用一些具有针对性的配筋构造措施。计算表明,采用以上加强措施的结构能够满足“大震不倒”的要求。 (4)对协同连接构件的合理力学模型,设计方法及验算内力选取,构造和锚固方式进行了研究,给出了合理的协同连接受力模型;为保证协同连接构件在静力荷载、常遇地震和罕遇地震作用下均能安全工作,要求协同连接构件的轴向抗力标准值不小于(2.0~2.5)倍常遇地震组合下的连接构件轴力设计值。给出了一种协同连接的构造方法。 (5)分总则、一般规定、结构型式、材料选择、套建增层框架梁的设计、框架柱的设计、协同连接构造的设计、其他等8方面提出了协同式套建增层预应力混凝土框架结构设计建议,可供协同套建增层的研究和工程参考。


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