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通過加設鋼支撐加固單跨框架結構提高抗震力分析
導讀：在一些較早的建筑中，有不少建筑是懸挑走廊的單跨框架結構，如中小學框架校舍和一些老式的外廊公寓。由于單跨框架結構屬于單道防線，缺少冗余度，只要有少數局部破壞就會導致整體倒塌。對現在存在的大量過去建造的單跨框架結構建筑，由于有很大的安全隱患的存在，必須進行抗震加固。其中體會較深的是：這些單跨框架結構單從構件層次加固達不到令人滿意的效果，必須從改變體系層次加固，例如采用加設鋼支撐、加設剪力墻、框架柱加設混凝土翼墻、結合改造加開間或樓梯間等體外加固方法改造結構型式。本工程采用鋼支撐加大結構的抗震能力，框架結構的震害主要是由于強度和延性不足引起，一般規律是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于一般的柱，柱上端的震害重于下端。
關鍵詞：單跨，框架結構，鋼支撐，加固，抗震能力
0.引言
在一些較早的建筑中，有不少建筑是懸挑走廊的單跨框架結構，如中小學框架校舍和一些老式的外廊公寓。這些建筑與過去傳統習慣對建筑的功能要求有關。由于單跨框架結構屬于單道防線，缺少冗余度，只要有少數局部破壞就會導致整體倒塌。這類建筑存在著很大的安全隱患。在國內外歷次的地震中都證明這種結構體系對抗震嚴重不利。所以在總結經驗教訓的基礎上，抗震鑒定標準(GB50023-2009)已明確了一些建筑(如學校)不應采用單跨框架結構。
1.加固方法
對現在存在的大量過去建造的單跨框架結構建筑，由于有很大的安全隱患的存在，必須進行抗震加固。我公司有專業的建筑加固改造施工隊伍，承接并完成了一些需要抗震加固和改造的工程，取得了很好的效果。其中體會較深的是：這些單跨框架結構單從構件層次加固達不到令人滿意的效果，必須從改變體系層次加固，例如采用加設鋼支撐、加設剪力墻、框架柱加設混凝土翼墻、結合改造加開間或樓梯間等體外加固方法改造結構型式。而比較這些加固方法后，用在框架中加設鋼支撐是一種更簡單有效方便快捷的加固方法，更實用經濟。本文就實際例子，對采用鋼支撐進行單跨框架抗震加固的方法及其作用進行研究分析。
2.工程實例
2.1工程概況
廈門某小學教學樓建在II類場地上，三層鋼筋混凝土框架結構，抗震設防烈度為七度，屋頂建有樓梯間的塔樓，房屋總高度為12.9米，層高3.3米。柱采用C30混凝土，梁板采用C25混凝土，受力主筋采用HRB335級鋼筋，其結構平面布置圖如下(見圖一)。
圖一 結構平面布置圖
此建筑烈度為七度抗震設計，經抗震鑒定，結構的框架梁柱承載力大部分不能滿足抗震設防要求。由于現澆樓板對梁的剛度起到增大作用，導致很難實現宜于抗震設防要求的的強柱弱梁的結構型式，在地震力作用下側移稍大就很容易傾覆倒塌。
2.2鋼支撐加固力學概念
本工程采用鋼支撐加大結構的抗震能力，框架結構的震害主要是由于強度和延性不足引起，一般規律是：柱的震害重于梁，角柱的震害重于一般的柱，柱上端的震害重于下端。柱子是豎向承重構件，柱子破壞有剪切破壞、壓彎破壞和彎曲破壞。單跨框架底層柱在地震做用較大時易形成絞機動體系，一旦破壞，造成建筑倒塌。加設鋼支撐后，能明顯地改變結構受力性能，形成桁架體系受力模型，有效地防止柱子出現剪切、壓彎和彎曲破壞，從而防止了結構因為變形過大而引發倒塌。
2.3鋼支撐布置。
由于結構加設鋼支撐后，地震對建筑的作用將增大，所以在所有未加設支撐的框架滿足新要求的前提下，支撐的數量越少越好。本工程的支撐布置做法是用鋼支撐沿梁主軸方向雙向布置，且鋼支撐在豎向是從底層貫通到頂層。因樓梯間是結構的薄弱環節，容易變形且在樓板變形過大時，容易被拉。因此在樓梯兩側加設支撐。具體布置位置是：縱向在建筑的7、8、9軸線前側和后側上，橫向位置是在各樓層樓梯間兩側(見圖二)。支撐的型式是“人”字型和“x”型鋼支撐采用的是100mm * 96mm *5.3mm的槽鋼。
圖二 鋼支撐布置
2.4加固支撐節點
框架節點是把梁柱連接起來形成結構的關鍵部位，在地震作用下節點要承受很大的水平剪力，易產生脆性破壞，節點一旦破壞能使結構處于極不利的受力狀態，甚至導致整個結構的倒塌，所以必須采用可靠的構造措施保證柱端節點安全。在加設支撐后，待支撐框架的柱端和梁端剪力很大(特別是柱端)，節點受力更復雜，，所以對加設支撐后的柱也必須進行加固。
本工程考慮到對框架節點和柱都需要進行了加固，采用的是外粘型鋼加固方法，具體見圖三節點圖，這種方法使節點和柱很好的結合在一起，實際加固效果顯著。
圖三 節點和柱加固構造
3.結束語
單跨結構在加固過程中，鋼支撐的加設位置和數量對加固的效果有影響，所以需對比幾種加設方案，可以選擇鋼支撐數量少又滿足加固效果的經濟方案。當加設支撐后，會引起結構構件的內力變化，尤其是與支撐連接部分柱的軸力增幅加大，所以在加固過程中，要依據原結構特點，選責合理的構造措施，使其變成真正桁架體系。
由于加支撐后，與支撐相連的梁柱內力變幅較大，必須驗算其承載力，柱可以通過外包角鋼等方法提高豎向承載力，在加固柱時還需驗算原來基礎的承載力是否足夠，如果不夠，則需進行基礎架構。支撐需要驗算強度和穩定，如果強度不夠，可以增大支撐截面。如果剛度不足，可以通過構造措施(如加綴條)使其滿足。這種方法具有簡單、方便、造價低和擾動下等優點。在老式建筑改造過程中面臨著數量多、時間緊、任務重等情況，鋼支撐加固將發揮重要作用，具有廣泛的應用前景。
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