混凝土框架上钢结构加层建筑抗震探析
摘要：针对混凝土框架结构建筑上采用钢结构加层后抗震性能的研究与应用，从整体结构阻尼比、抗震分析方法、影响因素及钢与混凝土连接构造等方面进行了综述。已有研究表明：加层层数越多，结构的周期越长、阻尼比越接近钢结构，鞭梢效应越明显。合理应用耗能构件可有效减轻结构的层间剪力与层间位移角。对于加层建筑中柱连接节点的试验研究已积累了大量的数据，包括滞回曲线，成果已应用到相关工程中；但边柱、角柱抗震性能的相关研究较少；基于既有建筑为混凝土框剪或砌体结构的钢结构加层有待进一步研究。
关键词：混凝土结构；钢结构；加层；抗震；连接节点
０引言
20世纪80年代以来，我国建造了大量的混凝土结构建筑。但随着社会经济的快速发展，既有建筑已经不能满足使用要求，同时大拆大建的粗放模式受到诟病，因此对既有建筑进行加层改造逐渐成为了有效的解决办法。钢结构加层逐渐成为首选，因为具有自重轻、地基负担小、干作业施工快速、对建筑物正常使用影响小等优点。混凝土结构上采用钢结构加层设计目前尚缺乏规范依据，因此对其可行性及抗震分析方法存在争议。基于现有文献，本文从整体结构阻尼比、抗震分析方法及钢与混凝土连接构造等方面对钢结构加层相关研究进行综述和讨论，并对今后研究进行展望。
1整体结构阻尼比
在多遇地震下，混凝土结构的阻尼比可取0.05[1]，钢结构的阻尼比可取0.02，但混凝土结构上钢结构加层后的阻尼比，在设计软件上经历了从综合折算到分别考虑的过程，目前阻尼比的选择主要有以下几个方法：①直接选用混凝土结构的阻尼比，刘昱[2]、高鹏[3]在进行加层结构设计时考虑到主体结构仍然是混凝土结构，故加层后新结构的阻尼比仍取0.05；②采用振型阻尼，计算第i阶振型的该结构体系的阻尼比。薛彦涛[4]根据能量法原理，结合结构剪切变形为主的特点，推导出较为简便的计算方法：（1）式中：1z、2z为子结构1和2的阻尼比；{}ijj为j个子结构第i阶振型；[K]为刚度矩阵。[]（2）式中：jéMùëû为第j层的质量；N为加层后的总层数；{}ijf为第i阶的振型在j层的位移。文献[4]通过算例证明了两种计算方法的可行性与精确度，其中公式（1）适用于所有结构类型的加层，公式（2）适用于框架结构加层。公式（2）虽只与楼层质量和结构振型有关，但仍能满足工程精度要求，适合工程师进行手算。王依群[5]根据复阻尼理论，以及结构的阻尼滞后系数jg，推导出了如下计算方法：（4）文献[5]表明采用公式（3）、公式（4）计算的整体结构在地震作用下的响应，下部混凝土结构的计算结果较为保守，上部钢结构的计算结果偏大、偏小兼有，因此建议计算出鞭梢效应放大系数对钢结构内力进行修正。汤燕波[6]根据强振型实模态简化得出适用于振型分解反应谱和时程分析法的计算方法：用于振型分解法：jj11j22z=hz+hz（5）用于时程分析法：（6）式中：j1h为子结构1的第j阶模态质量参与系数；jw为结构第j阶无阻尼自振频率。③采用等效阻尼比，由于大多数商业软件只能输入一个阻尼比，故汤燕波[6]根据拉普拉斯变化，推导出一个等效阻尼比，使得误差最小：2121kmjjjkmjjgzzg===åå（7）式中：jeg为第j阶模态质量参与系数；jz为第j阶广义阻尼比；k为模态截断数。王璇[7]通过工程实例与非比例阻尼计算结果的对比证明了公式（5）、公式（6）、公式（7）在工程应用时的准确性。综上，若总体采用原混凝土结构的阻尼比，会低估加层的“鞭梢”效应，给结构带来安全隐患。若采用文献[5]中的计算方法，不同结构的阻尼特性与实际差距较大，造成抗震性能不足或抗震能力余量过大的浪费。文献[4]、[6]提出的方法可避免上述缺点，较合理估算加层后的动力响应，由于是一种强迫解耦法，也存在一定误差。
2抗震分析
加层钢结构与混凝土结构的侧向刚度不同，鞭梢效应明显，上部钢结构的地震作用会明显放大，因此加层后结构整体抗震分析尤为重要。
2.1静力弹塑性分析加载模式
目前有代表性的侧向力加载模式主要有四种，即均匀加载、倒三角形加载、第1振型加载和变振型加载[8]。宗钟凌[9]认为上述四种方法没有考虑混凝土结构过渡到钢结构的层间刚度变化，提出经过修正的第1振型加载模式，即将第1振型加载模式推覆分析得到各楼层的最大层间位移对应的割线刚度Ｋio带入式（8）中进行修正，根据修正后的侧向力重新进行推覆分析得到割线刚度Kij，再代入式（8）中再次修正，重复以上步骤直至达到确定的最大推覆位移为止；作者用上述五种加载模式进行分析，并与时程分析结果比较，得出修正后的方法与时程分析更吻合，用于抗震分析更安全。0b011iiaiNjijjWKFVWKjj==å（8）式中：iF为结构第i层间水平侧向力；bV为基底剪力；iW、jW分别为第i、j层的重力荷载代表值；j1j为结构第1振型对应于第j层的数值；i0K为最大层间位移对应的割线刚度。
2.2抗震性能影响因素
2.2.1刚度比与质量比。王璇[7]对不同刚度比与质量比的钢结构加层开展整体结构的抗震性能研究，当上下两种结构的刚度比小于0.7时，两种结构的鞭梢效应较为明显，随着刚度比的增大，混凝土结构的位移会随之增大，钢加层的位移会较小。在上下两种结构的刚度比增至0.7~0.8时，鞭梢效应开始逐渐减弱；当两种结构质量比较小时，鞭梢效应较为明显，随着质量比的增大，开始逐渐减弱。2.2.2钢柱截面形式与尺寸。李辉进[10]通过对不同截面形式钢柱的相关分析，从减小层间位移考虑，认为要优先选择矩形截面柱，慎用工字型截面柱。宋建学[11,12]对4层钢筋混凝土结构上分别加1~4层的结构模型进行分析，随着加层柱截面尺寸的减小，底部层间剪力越小、加层结构位移越大，鞭梢效应越明显，并建议在顶层设置柔性耗能层来保护主体结构。2.2.3钢柱脚连接方式。钢柱脚的连接有铰接和刚接之分，文献[3]研究了钢结构柱脚连接方式对抗震性能的影响，认为柱脚铰接比柱脚刚接的周期长，钢结构侧移和层间位移角容易超限，因此建议钢柱采用刚接方式。
2.3隔震减震措施
2.3.1隔震技术。刘仲洋[13]讨论了隔震支座利用加层结构的质量和隔震支座的阻尼形成质量阻尼系统，以此来减轻地震作用。并在某砌体结构轻钢加层结构中设计了夹层橡胶隔震支座，经计算在阻尼比小于0.2，刚度比较小时的减震效果较差，在应用隔震技术后按振型分解法计算得到地震作用减少了30%。许航莉[14]针对加层结构的特性，结合相关规范提出了一套适合钢结构加层体系的隔震结构设计方法：分为上部结构、隔震层和下部结构，按照不同设防标准进行设计，并提出加层结构隔震技术只需要验算罕遇地震下水平位移即可，适宜在隔震层边、角处设置铅芯橡胶隔震支座。孙慎[15]对某加层工程建立了隔震结构和非隔震结构两种模型，并以此开展了模态分析和时程分析，结果显示在应用隔震层后结构前3阶周期提高了一倍以上，高阶振型对结构的影响大幅度减小；时程分析表明隔震技术在降低结构层间剪力、鞭梢效应方面表现良好，对降低地震作用有显著效果。2.3.2屈曲约束支撑。王秀丽[16]提出一种简便的屈曲约束支撑设计方法：通过加层后侧向刚度不足程度来计算所需的屈曲约束支撑的截面面积，并用有限元分析软件对有无设置屈曲约束支撑两种加层模型的动力特性和抗震性能进行分析，高鹏[3]、陈道政[17]通过某加层结构设计实例应用屈曲约束支撑总结得出屈曲约束支撑对减小层间剪力、层间位移角作用显著。
3钢柱与混凝土柱连接
3.1节点连接形式
目前加层结构的柱脚节点连接形式主要有两种：铰接和刚接，如图1、2。刚接柱脚可以传递和抵抗上部结构的压力、剪力和弯矩，而铰接柱脚不能传递和抵抗弯矩。《钢结构设计标准》和《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》明确规定柱脚锚栓不宜用于承受柱脚底部的水平剪力。文献[18]提出采取设置抗剪连接件或利用底板与混凝土基础间的摩擦力承担水平剪力，摩擦系数取0.4，并提出针对钢筋混凝土框架上钢结构加层的铰接和刚接方案。
3.2刚性连接节点构造
铰接柱脚在实际工程中应用较少，本文只列举刚接柱脚的传统连接方案。①直接钻孔连接法：采用植筋技术将锚固钢筋植入原结构柱顶，并与过渡钢板焊接，用螺栓将钢柱底板与过渡钢板连接[18]，连接节点如图3所示。②柱中钢筋直接连接法：与直接钻孔法不同的是采用柱中主筋加热调直来代替锚固钢筋与过渡钢板连接。连接节点如图4所示。为了解决原结构柱植筋施工空间不足的问题，王玉泽[19]提出将原结构柱顶部混凝土剔除一定高度混凝土，确定植筋的位置后再将植筋与柱内钢筋焊接后对柱脚进行回灌的施工方法。③U型箍连接法：即在原柱顶铺一定厚度的找平混凝土，用U型螺栓将柱脚与既有建筑混凝土梁连接。连接节点如图5所示。④外包刚性连接法[20]：柱脚施工完成后，植筋外伸一定高度并绑扎箍筋，然后钢柱外包混凝土来抵抗弯矩，减小柱脚的变形。连接节点如图6所示。童根树[21]等人提出结构的弯矩、剪力和部分轴力由外包的钢筋混凝土承担，外包混凝土的抗剪机理与混凝土的外包高度有关；[22]提出混凝土外包高度越高，承担的轴力越大，柱脚钢板承担部分弯矩。设计人员可依据《高层民用建筑钢结构技术规程》进行外包式柱脚设计。
3.3节点抗震性能
宗钟凌等[23]通过对直接钻孔连接、柱中钢筋直接连接、外包刚性连接等三种连接节点进行抗震性能试验研究，结果表明都是混凝土梁的受弯延性破坏，且外包刚性连接节点的滞回曲线较为饱满，抗震性能较好。郭蓉]等[24通过对直接钻孔连接、碳纤维增强的直接钻孔连接、改进的U型箍连接等三种连接节点进行抗震性能试验研究，认为碳纤维增强连接节点滞回曲线最饱满，抗震性能最优。宁康乐[25]通过与文献[24]相同截面尺寸的结构试验，研究了外包钢不同参数对连接节点抗震性的影响，据此给出了外包钢加固合理的规格与尺寸，即外包钢厚度小于10mm，梁上角钢长度小于400mm，梁上外包钢宽度小于120mm。当原框架柱截面较小，加层钢柱无法生根时，陈道政[26]设计了两种新型连接节点：新增柱头的外包刚性柱脚、新增圈梁和柱头的外包刚性柱脚，并开展试验研究得出新增圈梁的柱脚节点耗能和抗震性较优。谢冰花[27]通过工程实例设计探讨了第二种连接节点的传力机理：轴力由钢柱脚与外包混凝土承担和传递，剪力由外包混凝土、新增圈梁和柱头承担和传递，弯矩由柱脚和外包混凝土承担和传递。
4结语
①混凝土结构上钢结构加层后，整体结构阻尼比目前的折算方法与实际仍存在一定的偏差，对现行简化计算方法还需进一步研究多种因素的影响。②钢柱脚节点优先采用刚性连接，可采用新增柱头、圈梁及外包混凝土或碳纤维等方法增强其抗震承载能力和变形性能。现有研究集中在中柱节点，对边柱和角柱节点有待进一步研究。③对加层后这种混杂结构抗震分析的规范性尚存在不同观点，亟待进一步的研究乃至形成设计规范或规程，为工程应用提供技术依据。在此之前应采取慎重态度，包括采取减隔震措施。
孙赞 王志龙 王禧瑞 卢晨琛 魏翠婷 胡桢茜 合肥工业大学土木与水利工程学院
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