中钢石家庄工程设计研究院有限公司 河北省石家庄市 050000
摘要：当前钢结构已广泛应用于既有混凝土结构加层改造工程中，此类工程不宜采用传统方法进行抗震性能分析。所以，根据相关的算例，在对某钢筋混凝土框剪结构办公楼顶部加钢结构工程进行抗震性能分析时，可采用有限单元法。基于此，本文深入探讨与研究了钢筋混凝土框架顶部钢结构加层的抗震性能，供类似工程参考。
关键词：钢结构；加层；抗震；有限单元法
前言：钢结构直接加层是指在下部钢筋混凝土结构或砌体结构顶层的基础上建设钢结构楼层，为了形成混合结构，两者需采用必要连接措施，属于超限结构的一种。目前国内外相关研究工作开展较少，工程设计尚缺乏理论性指导。下面本文针对某钢筋混凝土结构顶部加钢结构工程，采用有限单元法对整体结构进行抗震性能分析，并对整体结构抗震性能的影响因素进行了探讨，进一步法研究了此类工程在抗震设计中的共性和特点，供设计者参考。
1.工程概况
本工程主要为十层钢筋混凝土框剪结构办公楼，层高3.6米，宽为12米，长为60米。抗震墙、梁、柱混凝土等级：6至10层为C30；底部5层为C40。并采用了120毫米厚现浇钢筋混凝土作为此工程楼板，加层楼板采用的现浇钢筋混凝土楼板为100毫米厚，加层钢结构为Q235。处于II级场地，抗震设防裂度为7，特征周期为0.35S，设计地震分组为第一组。采用有限元分析软件SAP2000进行三维模型的建立，使用了壳单位模拟墙、板构件，以及框架单元模拟梁、柱构件。
2.模型建立的细节处理
2.1模型分类
（1）不同的加建层数：在原有钢筋混凝土结构上加建一至四层钢结构，分别表示为10+1，10+2，10+3，10+4。
（2）不同的支撑形式：采用普通结构的支撑布置原则：在结构两个方向，对支撑进行基本对称布置，楼盖长度在支撑框架之间最佳为小于3。如偏心K型、单杆混合倒V型、单杆混合V型、倒V型、V型、X型就是支撑最常用的几种形式。
（3）不同的柱脚处理方式：柱脚形式可分为铰接柱脚和刚接柱脚两种。
2.2加层结构整体阻尼比
采用以应变能法对结构的整体阻尼比进行计算，以此来得出整体阻尼比，以下为具体计算公式：
.png)
，式中：结构整体刚度为
.png)
，
.png)
为原结构的刚度矩阵，
.png)
为振型向量；
.png)
为加层钢结构的刚度矩阵，
.png)
为振型向量；原结构阻尼比为
.png)
，取值为0.05；加层钢结构阻尼比为
.png)
，取值为0.02。本文所用的阻尼比通过运用此公式进行计算为整体结构阻尼比。
3.结构自振特性分析
加层钢结构周期加长。与其他各种有支撑的加层结构相比，采用无支撑的钢结构加层周期明显加长。也就是说，作为普通结构体系的抗侧力构件，支撑所发挥的作用在钢结构加层体系中是不容忽视的。加层前后结构第一、第二、第三振型分别为沿Y轴的平动、沿X向的平动以及结构的扭转。结构地震反应可通过振型分解反应谱法计算进行更为准确地反应，本文分别补充结构在振型分解反应谱分析的前提下，在Y向兰州波与EL.centro波激励下的弹塑性和弹性时程反应进行相关的分析。
3.1加层结构体系在不同加建层数下受到的抗震性能影响
据相关分析结果表明：
（1）结构底层的层剪力在加层层数的增多下会呈现减小趋势。
（2）随着加层层数的增多，若采用无支撑加层方式，结构层位移会出现明显增大，其中最为明显的就是结构顶部的位移；加层前结构的薄弱层，在实施加层后，其层间位移角依然较大；钢结构底层在采用无支撑加层时，会明显出现位移突变现象，其层间位移角较大，同时突变程度会随着加层层数的增大而逐渐加剧，最终变成加层后结构新的薄弱层。
（3）结构层间位移角在采用有支撑加层方式后，会随加层层数的不断增加出现不同程度的增大，而最为明显的就是结构薄弱层处的增大现象，同时，其还会随着加层层数的增多而提高。由于设置支撑会对结构的抗侧刚度进行有效增大，所以，对于加层钢结构的底层，当加层数目增多时，也会随之增大其层间的位移角。但一般情况下，在加层范围内（加层后结构高度小于原结构高度的1.5倍，层数小于4层）不会成为结构新的薄弱层，其增大程度不大。
3.2加层结构体系在不同支撑形式下所受到的抗震性能影响
分析结果表明：
（1）与有支撑的框剪结构加层体系相比，无支撑的框剪结构加层体系水平的地震影响系数明显减小，抗侧刚度较小，即后者与前者相比，底部剪力明显减小。
（2）无支撑加层结构体系在加层钢结构一、二层的层间会出现位移角较大值。有支撑加层结构体系则是在原框剪结构的上部（八、九层处）出现层间位移角较大值。而以倒V型支撑和采用X型支撑加层的钢结构部分的层间位移角较小。故工程中若无功能限制，应优先考虑使用X型、倒V型支撑。
3.3不同的柱脚处理方式对加层结构体系抗震性能的影响
分析结果表明：
（1）在加层钢结构部分的底层，采用铰接柱脚后结构层位移明显增大。
（2）铰接加层的增大程度在混凝土结构范围内的薄弱层上，要略小于刚接加层；当采用铰接柱脚时，对于加层钢结构部分底层，就会成为混合结构新的薄弱层。也就是说，针对加层层数较多的改造工程，建议采用钢结构柱脚，要重视处理柱脚。
3.4时程分析
分析结果表明：
（1）无支撑的框剪结构加层体系的底部剪力比采用X型、偏心K型的框剪结构加层体系的底部剪力较小；采用无支撑加层后，当t=3.32s时，最大层间位移角会出现在结构中，与其他两种加层结构相比，层间位移角略小；而加层结构体系采用支撑偏心K型和X型的，当t=4.76s时，最大层间位移角则会在二者上同时出现；与无支撑的加层结构体系相比采用支撑的框剪结构加层体系，可以看出顶层位移明显要多，可见采用支撑能对楼层位移的现象进行有效控制。在加层结构体系采用偏心K型和X型支撑时，二者的楼层位移数值在弹性时的分析中明显接近。
（2）与中心支撑的层剪力相比，采用偏心支撑的层剪力会比其小。采用中心支撑的结构体系在地震波作用下，其钢结构底层层间位移角发生的最大值时刻应是t=6.92s，采用偏心支撑的结构体系，在地震波作用下，其钢结构底层层间位移角发生的最大值时刻应是t=1.52s。通过耗能梁段的非弹性变形，可对采用偏心支撑的整体结构进行耗能，首先使耗能梁段发生剪切屈服，以此来对支撑斜杆形成保护，使其不屈曲或屈曲滞后，从而对结构的抗震性能进行有效提高。可见，与采用中心支撑的加层结构体系相比，采用偏心支撑的结构体系的钢结构底层层间位移角发生的最大值所到来的时刻明显要迟。说明在大震发生时，偏心支撑钢结构加层体系的耗能能力与延性明显较好，这种抗震结构体系非常适合强震地区。
结束语：
综上所述，首先，结构的周期、刚度随着加层层数的逐渐增加会发生巨大变化，周期加长，结构明显变柔；结构底层层剪力表现出的趋势明显减小；结构层位移增大，最为明显的就是结构顶部位移的增大现象。其次，钢结构加层结构体系在采用不同支撑形式的时候，其结构层位移数值接近；对于加层钢结构部分的层间位移现象，采用倒V型和X型支撑能进行有效控制。再次，对于加层改造工程，建议采用刚接柱脚，要重视处理柱脚，这样才能在地震发生时，减少因为加层钢结构变形过大而造成的构筑物和结构损坏。最后，在大震时，偏心支撑钢结构加层体系的延性与耗能能力相对来说较好，这种抗震结构体系对于强震地区较为适合。偏心支撑钢结构加层体系，在大震作用下，两端会发生弯曲屈服，并且耗能梁段会出现剪切屈服，从而大幅度提高结构的抗震性能。
参考文献：
[1]高剑平，王茜.我国既有房屋加层改造工程实践和研究现状[J].华东交通大学学报，2004（4）：6-9.