通过加设钢支撑加固单跨框架结构提高抗震力分析
导读：在一些较早的建筑中，有不少建筑是悬挑走廊的单跨框架结构，如中小学框架校舍和一些老式的外廊公寓。由于单跨框架结构属于单道防线，缺少冗余度，只要有少数局部破坏就会导致整体倒塌。对现在存在的大量过去建造的单跨框架结构建筑，由于有很大的安全隐患的存在，必须进行抗震加固。其中体会较深的是：这些单跨框架结构单从构件层次加固达不到令人满意的效果，必须从改变体系层次加固，例如采用加设钢支撑、加设剪力墙、框架柱加设混凝土翼墙、结合改造加开间或楼梯间等体外加固方法改造结构型式。本工程采用钢支撑加大结构的抗震能力，框架结构的震害主要是由于强度和延性不足引起，一般规律是：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。
关键词：单跨，框架结构，钢支撑，加固，抗震能力
0.引言
在一些较早的建筑中，有不少建筑是悬挑走廊的单跨框架结构，如中小学框架校舍和一些老式的外廊公寓。这些建筑与过去传统习惯对建筑的功能要求有关。由于单跨框架结构属于单道防线，缺少冗余度，只要有少数局部破坏就会导致整体倒塌。这类建筑存在着很大的安全隐患。在国内外历次的地震中都证明这种结构体系对抗震严重不利。所以在总结经验教训的基础上，抗震鉴定标准(GB50023-2009)已明确了一些建筑(如学校)不应采用单跨框架结构。
1.加固方法
对现在存在的大量过去建造的单跨框架结构建筑，由于有很大的安全隐患的存在，必须进行抗震加固。我公司有专业的建筑加固改造施工队伍，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。其中体会较深的是：这些单跨框架结构单从构件层次加固达不到令人满意的效果，必须从改变体系层次加固，例如采用加设钢支撑、加设剪力墙、框架柱加设混凝土翼墙、结合改造加开间或楼梯间等体外加固方法改造结构型式。而比较这些加固方法后，用在框架中加设钢支撑是一种更简单有效方便快捷的加固方法，更实用经济。本文就实际例子，对采用钢支撑进行单跨框架抗震加固的方法及其作用进行研究分析。
2.工程实例
2.1工程概况
厦门某小学教学楼建在II类场地上，三层钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为七度，屋顶建有楼梯间的塔楼，房屋总高度为12.9米，层高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级钢筋，其结构平面布置图如下(见图一)。
图一 结构平面布置图
此建筑烈度为七度抗震设计，经抗震鉴定，结构的框架梁柱承载力大部分不能满足抗震设防要求。由于现浇楼板对梁的刚度起到增大作用，导致很难实现宜于抗震设防要求的的强柱弱梁的结构型式，在地震力作用下侧移稍大就很容易倾覆倒塌。
2.2钢支撑加固力学概念
本工程采用钢支撑加大结构的'抗震能力，框架结构的震害主要是由于强度和延性不足引起，一般规律是：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。柱子是竖向承重构件，柱子破坏有剪切破坏、压弯破坏和弯曲破坏。单跨框架底层柱在地震做用较大时易形成绞机动体系，一旦破坏，造成建筑倒塌。加设钢支撑后，能明显地改变结构受力性能，形成桁架体系受力模型，有效地防止柱子出现剪切、压弯和弯曲破坏，从而防止了结构因为变形过大而引发倒塌。
2.3钢支撑布置。
由于结构加设钢支撑后，地震对建筑的作用将增大，所以在所有未加设支撑的框架满足新要求的前提下，支撑的数量越少越好。本工程的支撑布置做法是用钢支撑沿梁主轴方向双向布置，且钢支撑在竖向是从底层贯通到顶层。因楼梯间是结构的薄弱环节，容易变形且在楼板变形过大时，容易被拉。因此在楼梯两侧加设支撑。具体布置位置是：纵向在建筑的7、8、9轴线前侧和后侧上，横向位置是在各楼层楼梯间两侧(见图二)。支撑的型式是“人”字型和“x”型钢支撑采用的是100mm * 96mm *5.3mm的槽钢。
图二 钢支撑布置
2.4加固支撑节点
框架节点是把梁柱连接起来形成结构的关键部位，在地震作用下节点要承受很大的水平剪力，易产生脆性破坏，节点一旦破坏能使结构处于极不利的受力状态，甚至导致整个结构的倒塌，所以必须采用可靠的构造措施保证柱端节点安全。在加设支撑后，待支撑框架的柱端和梁端剪力很大(特别是柱端)，节点受力更复杂，，所以对加设支撑后的柱也必须进行加固。
本工程考虑到对框架节点和柱都需要进行了加固，采用的是外粘型钢加固方法，具体见图三节点图，这种方法使节点和柱很好的结合在一起，实际加固效果显著。
图三 节点和柱加固构造
3.结束语
单跨结构在加固过程中，钢支撑的加设位置和数量对加固的效果有影响，所以需对比几种加设方案，可以选择钢支撑数量少又满足加固效果的经济方案。当加设支撑后，会引起结构构件的内力变化，尤其是与支撑连接部分柱的轴力增幅加大，所以在加固过程中，要依据原结构特点，选责合理的构造措施，使其变成真正桁架体系。
由于加支撑后，与支撑相连的梁柱内力变幅较大，必须验算其承载力，柱可以通过外包角钢等方法提高竖向承载力，在加固柱时还需验算原来基础的承载力是否足够，如果不够，则需进行基础架构。支撑需要验算强度和稳定，如果强度不够，可以增大支撑截面。如果刚度不足，可以通过构造措施(如加缀条)使其满足。这种方法具有简单、方便、造价低和扰动下等优点。在老式建筑改造过程中面临着数量多、时间紧、任务重等情况，钢支撑加固将发挥重要作用，具有广泛的应用前景。
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