对砖混结构轻钢结构直接加层法研究分析

对砖混结构轻钢结构直接加层法研究分析

邱先炎

邱先炎

广州市中星房屋安全鉴定有限公司510000

摘要：本文结合具体工程实例，使用ANSYS有限元软件对目前常见的6层砖混结构顶部增加一层门式刚架这一超高限情况进行了系统的理论分析，论证了超高限加层的可行性。

关键词：加层；砖混结构；轻钢结构；ANSYS；超高限

目前，在钢结构加层改造工程中，设计方法还不够完善，一般只对加层部分进行设计计算。但采用钢结构加层后，结构的整体质量、刚度、周期、阻尼比等都发生了变化，仅对加层部分结构进行计算分析是不安全的，应进行包括原有建筑物的整体结构分析。

1分析计算资料

1．1原有砖混结构

某6层砖混结构假定为一办公楼，轴向尺寸横向为l4．5m，纵向为42m，房间开间为6m，进深为6m，层高为3m。结构外墙为370mm，内墙为240mm，Mul0粘土砖，砂浆标号为

M10，原结构中设有圈梁、构造柱。基础为钢筋混凝土条形基础，三类场地土，8度设防。结构平面布置如图1所示。

1．3分析计算基本资料

1．3．1设计基本资料

结构重要性指数：二级；结构设防烈度：丙类；抗震设防烈度：8度；基本风压：0．40kN/m2；基本雪压：0．35kN/m2；地质资料：Ⅲ类场地土；特征周：0．2g，第一组；地貌类别：C类。

1.3．2计算基本假定

（1）加层轻钢结构柱与原有结构连接方式为铰接，加层结构的梁柱节点为刚接；

（2）楼板为刚性楼板，平面内刚度无限大，不考虑平面外刚度；

（3）内力分析不考虑施工作用，不考虑维护墙板对整体结构分析的作用。

1．3．3荷载取值

由建筑结构荷载规范对结构进行荷载取值。楼面：恒载3．0kN／m2，活载2．0kN／m2；不上人屋面：恒载0．3kN／m2，活载0．5kN／m2。

2有限元模型建立

本结构共有三种材料：砌体、混凝土、钢。由于原砖混结构已使用多年，承载力有所下降，定义砌体材料属性时，按鉴定试验得到的实际强度值进行定义。本结构模型包含3种单元类型，分别为线单元Beam4、link8、壳单元Shell163。构造柱、圈梁、钢架柱、刚架梁采用beam4单元，砌体采用壳单元Shell163，支撑采用link8。网格划分采用自由网格划分和自适应网格划分相结合的方法。计算局限于线弹性范围内，所有材料均假定为各向同性线弹性材料。

3ANSYS理论分析

在原有六层砖混结构上加一层门式刚架结构，已经超出了抗震规范所规定的高度，属于超高限问题，本文应用ANSYS，针对加层结构未设支撑和设置支撑两种情况，分析了超高限状态

下轻钢结构加层的受力与变形情况。

3．1未设支撑时结构分析

3．1．1风荷载对结构的影响

根据建筑结构荷载规范，对结构进行风荷载计算，下部结构的风荷载直接加到面上，把上部刚架所受的风荷载导成线荷载，直接加在刚架上。在风荷载作用下，χ方向的最大剪力值为52．61kN，?方向的最大剪力值为93．12KN，经验算满足规范承载力要求。?方向上的最大位移值为0．82mm，?方向上的最大位移值为30．4mm，变形值小于规范要求的h/60=66．67mm。

3．1．2结构自振特性分析

通过对结构有限元模型进行模态分析和计算，得出了加层后整个结构的自振特性，提取了结构的前10阶振型。表1列出了结构的前10阶振型。

3．3结构抗震验算

分别在结构的χ、?、z方向输入地震加速度反应谱，对设置支撑后的加层结构进行了抗震分析。对加层后原有砖混结构的抗震承载力、上部门式刚架的抗震承载力分别进行验算，均满足规范要求。加支撑后结构在地震作用下的最大位移分别为0．9mm、43．3mm、0．28mm。经验算，满足规范要求。

4结果分析比较

4．1模态分析比较

图3为加层前后前10阶振型自振周期比较，由图3可以看出，加层结构未设支撑时的第一阶振型自振周期最长，为=0．81s；增加支撑后第一阶振型自振周期次之，为T=0．337s；原砖混结构的第一阶振型自振周期为T=0．329S。从第二阶振型开始，三者自振周期逐渐接近，并且振型间自振周期数值相差不大。表明：①结构在加层处出现刚度突变，加层后鞭

梢效应对原砖混结构的影响较大；②增加支撑能够较好地解决结构的刚度突变问题。

4．2地震反应分析

4．2．1地震剪力分析

通过对设置支撑后加层结构与原有砖混结构所受地震剪力比较得出：①设置支撑后上部门式刚架结构受到地震剪力与下部砖混结构比较，所受到的地震剪力较小，鞭梢效应对结构?方向影响较大；②加层后下部砖混结构所受地震剪力与原砖混结构所受的地震剪力接近，加层对原结构影响较小。

4．2．2各层侧移分析

通过对设置支撑后加层结构与原有砖混结构各层侧移比较可以看出：①结构加层后，上部门式刚架结构的最大侧移值为43．3mm，结构在加层处出现刚度突变；②设置支撑后加层结构的侧移值与原砖混结构的侧移值接近，加层对原结构影响较小。

4．2．3竖向地震作用对加层结构的影响

本文应用ANSYS研究了竖向地震作用对超高限状态下加层结构的影响。与水平地震作用相比，竖向地震作用产生的地震剪力与各层侧移值都较小，因此在加层结构设计中，可以忽略竖向地震作用对结构的影响。

5结论

a）在原有六层砖混结构上加一层轻钢结构已经超出抗震规范要求，属于超规范、超高限的问题。本文经过计算分析认为，在8度抗震地区，在原有六层砖混结构上加一层门式刚架轻钢结构是可行的。

b）在规范使用方面，笔者建议对原有砖混结构按现行建筑物可靠性鉴定标准进行鉴定，在ANSYS建模过程中，按鉴定试验得到的材料强度定义材料属性，加层后的结构验算按现行有关规范进行验算。

c）本文工作表明，运用ANSYS有限元分析软件分析此类特殊的加层结构是较有效的分析手段。

参考文献：

[1]陈磊，陈太林．混凝士动态力学性能的试验研究[J]．低温建筑技术，2004（03）：l2—13．

[2]杨克荣，彭刚，柏巍．基于ANSYS的混凝土微观层次开裂演化数值模拟[J]．混凝土，2009，232（02）：8一l0．

[3]董毓利，谢和平，赵鹏．不同应变率下混凝土受压全过程的实验研究及其本构模型[J]．水利学报，1997（7）：73-78．

[4]温世游，李夕兵．混凝土材料动力特性试验[J]．中南工业大学学报：自然科学版，2000（2）：l13一ll6．