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伴随着中国城市化进程的发展,城市人口日益增多,城市用地日趋紧张,而国家明文规定不可侵占良田好土修建房屋。对既有建筑物的加层改造无疑是解决这些问题的最佳途径,是缓解人口居住压力的重要手段。轻钢加层作为一项新型加层技术,由于轻质高强,对原有建筑结构及地基影响小等优点而备受工程界青睐。研究既有结构与新加结构的连接方法及性能、加层后房屋的整体抗震性能,对推动既有建筑加固改造业的发展具有非常重要的现实意义及工程应用价值。
钢框架加层混凝土框架结构是房屋加层最为普遍实用的一种结构形式,其加层连接节点的静动力性能决定了加层后整体结构的抗震性能,连接节点的合理设计是保证加层混合框架良好性能的重要环节。因此,本文首先设计了三类加层连接节点,通过对加层节点的拟静力试验研究此类节点的抗震性能,在此基础上通过加层框架的低周反复试验研究加层框架的抗震性能,最后提出了适于钢框架加层混凝土框架结构体系的基于性能的抗震评估及设计方法。本文主要研究工作如下:
总结近年来结构加层形式及发展现状,提出目前存在的问题,明确本文的主要研究工作。
设计两个上下刚度比不同的锚栓生根加层节点,通过对两个节点的拟静力试验得到此类节点在低周反复荷载作用下的破坏模式、刚度退化、延性、受力及抗震耗能性能。
设计两个上下刚度比不同的焊接生根加层节点,通过对两个节点的拟静力试验得到此类节点在低周反复荷载作用下的破坏模式、刚度退化、延性、受力及抗震耗能性能。
设计一个增大截面生根加层节点,通过对节点的拟静力试验得到此类节点在低周反复荷载作用下的破坏模式、刚度退化、延性、受力及抗震耗能性能。
对比三类节点力学性能的(开裂荷载、屈服荷载和极限承载力、梁端荷载—挠度滞回曲线及其包络线特征、延性和耗能性能等)差异。明确其抗震性能的不同。
设计制作一榀双跨三(2+1)层加层框架模型,进行低周反复荷载下的拟静力试验,通过对框架的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、强度与刚度退化、出铰机制进行分析,对此类框架的抗震能力进行综合评价。研究表明:钢框架加层混凝土框架形成的混合框架结构体系的侧移为剪切型,破坏机制属于梁铰机制,具有较好的延性和较强的耗能能力。
针对钢框架加层混凝土框架结构,考察了传统的侧向荷载分布模式以及基于振型的改进的侧向荷载分布模式的适用性。通过模拟算例的对比分析,结合钢框架加层混凝土框架结构的特点,并考虑楼层层间侧移刚度变化的影响,提出了基于层间侧移刚度变化的侧向荷载分布模式及确定方法,并用于加层框架结构的非线性静力分析。通过两个算例多个模型的推覆分析并与非线性时程分析结果进行对比,同时将理论分析结果与试验结果亦进行了比较,验证了本文方法的有效性和适用性。
钢结构加层混凝土框架结构属于沿竖向层间侧移刚度突变的不规则混合结构,新旧不同材料的连接导致刚度的变化,并进而导致薄弱层的出现,以整体结构为研究对象的传统能力谱法不再适用。基于此,本文提出了以层间剪力及层间位移为研究目标的层间能力谱法。此方法更加细致的对加层结构进行设计及评估。
钢结构加层混凝土混合框架设计涉及原结构的评估及新结构的设计,基于此类结构体系的特点,本文系统阐述了此类结构的设计方法,并通过模拟算例详细介绍了此类结构体系的设计步骤。
上述研究成果对进一步研究直接加层结构的整体工作性能,完善混凝土结构加固设计规范和砖混结构房屋加层技术规范有一定的参考价值,并可供同类工程的设计与施工参考。