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                        土木工程框架結構畢業設計——以某高層框架結構為例

                        添加時間:2020/05/19 來源:蘭州理工大學 作者:楊舒雯
                        近年來,隨著我國經濟高速發展與社會的快速進步,城市化進程不斷加快,國內新建建筑體量不斷提升,建筑物建設標準也越來越高.
                        以下為本篇論文正文:

                          摘要

                          1966年,河北邢臺發生6.8級地震,我國開始了抗震普查與鑒定加固工作,至今,抗震鑒定與加固工作已逾53年.通過不同方式的加固改造措施,提高了老舊建筑的抗震性能,較好的保障了人民群眾在面臨地震災害時的生命和財產安全.同時,城市建設蓬勃發展,建設用地日趨緊張,已經面臨著新建建筑用地不足的壓力.基于此,既有建筑物通過經濟、合理、適用的加固改造,既提高了其抗震性能,又可以增加有效使用面積,改善使用功能.特別是,《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306-2015)重新調整了地震動參數的劃分,對我國老舊房屋抗震鑒定與加固提出了新的要求.

                          本文在綜述現有建筑工程檢測鑒定及加固改造方法與理論、科研成果與工程案例的基礎上,以甘肅省某框架-剪力墻結構高層建筑抗震鑒定與加固改造工程實例為研究對象,通過結構位移比、構件軸壓比及配筋計算等,結合梁、柱、墻承載力驗算及有限元模擬分析結果,建立結構安全性鑒定評價體系,根據安全適用、經濟合理的原則比對兩套擬選方案,最終形成了本工程的加固方案,完成了加固改造,提高了既有建筑物的抗震性能.主要研究內容包括以下方面:

                          1、介紹本文的研究背景和意義,綜述國內外有關建筑物檢測鑒定及加固改造方面的研究現狀、工程案例及其典型做法.從提高結構抗震性能和減少地震作用兩方面出發,歸集介紹了鋼筋混凝土結構的主要抗震加固方法.

                          2、以某框架-剪力墻結構高層建筑為研究對象,依據當時加固方案應該遵循的國家規范、規程,明確檢測目的,制定工作流程,整理、分析檢測數據,通過數值計算與有限元分析模擬相結合的方法,得出結構計算結果.

                          3、根據結構計算結論,結合抗震設計規范等有關要求,比選不同的加固改造方案,優化得出框架柱、梁、現澆板及剪力墻的加固措施,完成工程加固改造.

                          通過研究,形成了針對框架-剪力墻結構高層建筑安全適用、經濟合理的既有建筑加固改造優化方案,以期為類似項目提供參考和建議.

                          關鍵詞:既有建筑;抗震性能;結構檢測;加固方案

                          Abstract

                          In 1966, a 6.8-magnitude earthquake struck Xingtai. For the reason, China beganthe  anti-seismic  survey  and  identification  and  reinforcement  work,  so  far,  the  workhas  been  more  than  53  years.  The  seismic  capacity  of  the  old  buildings  is  improvedthrough  the  reinforcement  and  transformation  measures  of  different  ways,  and  thesafety  of  life  and  property  of  the  people  in  the  face  of  earthquake  disaster  is  betterguaranteed.  Simultaneously,  urban  construction  is  booming  and  construction  land  isincreasingly tight, which has been faced with the pressure of insufficient land for newconstruction. For the above-mentioned reasons, the existing building not only improveits seismic capacity, but also can increase the effective floorage and improve the usingfunctions through economic, reasonable and applicable reinforcement transformation. In particular, the zoning map of China's ground motion parameters (GB 18306-2015)readjust  the  classification  of  ground  motion  parameters  and  put  forward  newrequirements for seismic identification and reinforcement of China's old buildings.

                          Based  on  the  review  of  existing  construction  inspection  appraisal  andreinforcement transformation method, scientific research and engineering case, on thebasis of a frame  - shear wall structure in Gansu  province high-rise building  aseismicappraisal  and  reinforcement  transformation  project  example  as  the  research  object,through  the  structure  displacement  ratio,  axial  compression  ratio,  reinforcementcalculation,  etc.,  combined  with  the  bearing  capacity  calculation  of  beam,  column,wall  and  the  result  of  finite  element  simulation  analysis,  evaluation  system  of  thebuilding  structure  safety  appraisal,  based  on  the  principle  of  safety  and  applicable,economic  and  reasonable  than  two  sets  of  plans,  ultimately  form  the  strengtheningplan  of  this  project,  the  reinforcement  and  transformation  completed,  improved  boththe  seismic  performance  of  buildings.  The  main  research  contents  include  thefollowing aspects:

                          1.  The  research  background  and  significance  are  introduced,  and  the  researchstatus,  engineering  cases  and  typical  practices  of  building  inspection,  identification, reinforcement  and  transformation  at  home  and  abroad  are  summarized  in  this  paper. From two aspects of improving the seismic performance of the structure and reducingthe  seismic  action,  this  paper  introduces  the  main  seismic  strengthening  methods  ofreinforced concrete structure.

                          2.  Taking  a  high-rise  building  with  frame-shear  wall  structure  as  the  researchobject,  the  reinforcement  plan  should  follow  at  that  time  according  to  the  nationalnorms  and  procedures,  the  inspection  purpose  was  clarified,  the  work  flow  wasdeveloped,  the  inspection  data  was  sorted  out  and  analyzed,  and  the  structuralcalculation  results  were  obtained  through  the  combination  of  numerical  calculationand finite element analysis simulation.

                          3.  According  to  the  calculation  results  of  the  structure  and  the  relevantrequirements  of the aseismic  design  code,  different  reinforcement  and  reconstructionschemes  are  selected,  and  the  reinforcement  measures  of  frame  columns,  beams,cast-in-place plates and  shear walls are optimized to complete the reinforcement  andreconstruction of the project.

                          A  safe,  applicable, economical  and  reasonable reinforcement  and  reconstructionoptimization  scheme  for  the  existing  high-rise  buildings  with  frame-shear  wallstructure  is  formed  through  the  study,  which  is  expected  to  provide  reference  andSuggestions for similar projects.

                          Key  words:  Existing  buildings;Seismic  performance;Structure  detection;Reinforcement scheme .

                          目錄

                          第1章緒論

                          1.1研究背景

                          近年來,隨著我國經濟高速發展與社會的快速進步,城市化進程不斷加快,國內新建建筑體量不斷提升,建筑物建設標準也越來越高.由于城市建設用地的不斷減少,部分較早建成的建筑物或因改變用途、或因質量問題,導致目前我國存在著一批有安全隱患的房屋.據測算,我國城市包括小城鎮現有400億m2既有居住建筑及老舊小區,這些老舊房屋普遍存在結構簡單、年久失修的問題,對于現有建筑標準及使用要求已不能滿足.地震對建筑的破壞巨大,老舊建筑物在長期受到自然環境和使用環境的雙重影響下結構的安全性和使用性會有所降低,使其抗震性能不足,存在安全隱患,對人民的生命和財產安全造成較大威脅.因此,對既有建筑物的加固改造,提升其安全性和適用性,使其滿足現有規范和標準的抗震要求,實現人民生命和財產安全的保障至關重要.在修繕前應對建筑物在安全性、適用性和耐久性方面存在的問題有全面的鑒定,才能做出安全、合理、經濟、可行的方案,而建筑物檢測鑒定所提供的就是對這些問題的正確評價,使建筑的維修與加固改造有法可依[1].工程中的抗震加固是針對已建成且正在使用的建筑進行檢測、評價、維修、加固或改造等技術對策的簡稱.即建筑物加固是根據建筑物的鑒定結論,針對建筑物的缺陷和損壞進行修復,以恢復或提高建筑物的安全性和耐久性的過程[2].

                          1.2研究意義

                          對既有建筑進行必要的檢測鑒定及加固,不但可提升建筑結構的安全性和適用性,又可以減少新建建筑對社會資源的消耗,又在一定程度上對生態環境形成了保護,提升了社會效益.因此,對建筑物進行安全性鑒定及加固效果分析研究具有十分重要的理論意義和應用價值.

                          (1)對既有建筑進行檢測鑒定,可以明確既有建筑的安全性能[3].

                          建筑結構在長期服役的情況下,必然會出現結構功能的減弱和使用性能的下降.在使用過程中,居住者可能會因為房屋裝修或者自身使用需求,而在不經過設計單位同意的情況下自行對房屋進行改造或者加建,此類行為都會對建筑結構的性能造成改變,從而存在一定的安全隱患.因此,對建筑的檢測鑒定可以有效的確認該方面的安全問題,并通過所得信息給予解決方案,從而有效的保護人身財產安全.

                          (2)對既有建筑進行加固,可以有效提升建筑物安全性能[4].

                          既有建筑在使用過程中,不可避免的會受到使用功能改變或外界環境影響.在既有建筑不能拆建的情況下,又要對其進行使用,避免已有資源的浪費,則需要對其進行加固處理,有效提升其安全性能.部分建筑使用年限已達到,但又要對其進行再使用,可對其進行加固處理,提升原有結構耐久性.

                          (3)節約資源,保護環境[5].

                          隨著新建建筑物的增多,現有建設用地資源越來越少.老舊建筑的拆除重建,相較于對既有建筑的加固使用,其必將會對周邊環境產生污染以及對周邊居民的生活造成較大的影響,而拆除后的建筑垃圾也將會對環境造成污染.而通過檢測鑒定后,對既有建筑進行加固和改造,讓其可再投入使用,發揮價值,可達到資源利用最大化、環境污染減輕化,為我國的可持續發展和綠色發展奠定基礎.

                          (4)技術研究可為建筑物改造、加固提供技術支持[6-7].

                          通過對既有建筑進行檢測和鑒定,基于檢測鑒定數據,可客觀有效地反應出建筑物的安全性能,尋找出既有建筑的損傷、破壞位置以及承載力薄弱的地方.通過所得數據對建筑物進行鑒定等級評定,對于滿足鑒定要求的建筑物可以繼續使用,對于不符合要求的建筑物,則可根據鑒定結果來制定具體的加固及改造方案.因此,充分完善的檢測鑒定技術和建筑結構的加固改造技術研究十分必要,只有擁有高效的檢測手段和加固改造技術,才能對實際工程發揮指導作用.

                          1.3抗震加固技術國內外研究現狀

                          1.3.1國外研究現狀

                          (1)傳統抗震加固技術

                          英國謝菲爾大學R.N.Swamy等[8]

                          學者在粘鋼加固試驗研究的基礎上,運用軟件分析了粘鋼加固梁的受力破壞形態,驗證了粘鋼加固方式在少筋梁、超筋梁中能起到抗震加固作用.1965年,美國相關學者開始研究玻璃纖維在建筑結構加固工程中的應用,并探討了玻璃纖維在結構抗震中的功能[9].1975年,J.R.Saucies和J.A.Holman等[10]以纖維片材為抗震加固材料,對鋼筋混凝土梁抗震性能進行實驗研究,同時對T形截面在內的規則截面進行正截面承載力計算,結果表明纖維片材對鋼筋混凝土梁抗震加固作用中效果顯著.1999年,加拿大學者F.J.Vecchio和F.Bucci[11]通過對碳纖維片材性能進行實驗研究,分析探討了該材質在剪力墻抗震加固中的積極影響作用.2003年,美國學者BruceR.Ellinggwood等[12]通過試驗分析研究,提出基于荷載和耐久性的碳纖維混凝土組合結構設計方法,并通過實例驗證該方法的抗震加固效果.2010年,日本新開發出了一種高延性材料加固工法(SRF工法),該工法具有基層處理簡單、工序少、材料輕和價格便宜等特點,現已應用到諸多工程中[13].

                          (2)新型抗震加固技術

                          新型抗震加固技術主要從消能減震技術和隔震技術著手.如1995年,美國地震研究中心采用JARRET阻尼器進行鋼筋混凝土框架加固試驗,獲得良好的加固效果[14].2001年,意大利學者Indirli[15]等人采用形狀記憶合金(SMA)阻尼器對S.Giorgi教堂的鐘樓進行了修復,通過研究發現,該方法可有效提高結構的抗震能力.2003年,加拿大聯邦電子科研大樓增層改造工程中,工程人員基于安全考慮采用了摩擦耗能支撐對其進行抗震性能加固[16].

                          在隔震技術研究中,美國、日本、新西蘭等國家在建筑結構的抗震加固中應用最多.例如,始建于1894年的美國猶他州湖政府大廈,屬于五層無配筋磚石結構,在1991年運用高阻尼橡膠墊進行隔震加固;美國礦業學校三層教學樓,1993年采用高阻尼橡膠墊進行隔震加固;美國舊金山四層木結構海軍總部大廈,在1991年采用摩擦型隔震支座進行隔震加固,在1995年又采用鉛芯橡膠墊進行隔震加固.新西蘭議會大樓和議會圖書館,采用鉛芯橡膠支座進行抗震加固,加固后建筑可在地震時水平移動300mm.

                          1.3.2國內研究現狀

                          (1)傳統抗震加固技術

                          1980年,中國建筑科學研究院對鋼筋混凝土結構抗震性能進行研究,通過實驗結果對強度不足的混凝土框架展開分析,提出了一種預應力薄板做填充墻的抗震加固框架體系[13].1982年,天津大學利用環氧樹脂粘貼型鋼的方法和采用外加圍套法等對框架梁柱進行了抗震加固實驗,并對三十余項實驗結果對比研究[17].1994年,田煒[18]等對10根采用增大截面法加固鋼筋混凝土柱進行大偏壓二次受力實驗研究,根據實驗和全過程計算分析結果,得出了大偏壓受壓加固柱的承受力不受應力水平指標影響的結論.2003年,余瓊和李思明[19]通過柱加大截面法及粘鋼法加固框架節點的實驗研究,對兩者在承載力、剛度、延性及耗能能力等方面進行了比較與分析.2010年,繆邵懷等采用鋼板和碳纖維布復合加固的方法對梁加固并進行了抗震試驗研究[20].

                          (2)新型抗震加固技術

                         、傧軠p震技術

                          國內在消能減震方面有較多應用,如沈陽市政府大樓(加摩擦耗能器),北京飯店、中國革命歷史博物館(通過加黏滯阻尼器減震)等[21].楊康等[22]基于某框架結構建筑,以減震技術理念對建筑加固分析.李彬[23]基于單跨框架結構建筑,亦從減震角度出發,對建筑進行抗震加固.廣州中房大廈在1977年選用復合摩擦型消能支撐[24].北京飯店西樓采用粘滯-彈簧阻尼器以達到抗震加固目的[25].上海展覽館在抗震加固方面,增設阻尼器和增加剪力墻[26].青島理工大學隋杰英等[27]對用于抗震加固的消能減震結構進行了彈塑性時稱分析,評估了加固后結構的抗震性能.韓家軍和佟健國[28]結合汶川地震后首例消能減震加固工程分析了消能減震技術在中小學校舍安全工程中應用的技術優越性和經濟性.此外,消能減震技術還應用于許多中小學校舍安全中[29].陳妍君[30]在對某框架結構建筑房屋進行抗震性能檢測鑒定的基礎上,采用了增大截面法和粘貼纖維復合材料法的改造方式,加固完成后運用PKPM計算分析軟件進行整體抗震研究,結果證明加固后的結構內力發生了變化.最后將構件受力和抗震數據加固前后結果進行對比分析,提出一種從整體上進行建筑結構加固改造的方法和思路.

                         、诟粽鸺夹g

                          徐忠根等[31]對某多層建筑進行隔震改造設計,并強調隔震技術對已有建筑物進行抗震改造的優越性,對于重要建筑,通過對建筑物進行隔震改造加固,其造價一般比傳統抗震加固方法造價低得多.2010年,中國建筑科學研究院與山西省建筑設計院在山西省忻州市首次采用隔震技術對中小學校舍等6個單體工程進行了抗震加固,加固類型涉及到磚混結構和鋼筋混凝土結構[32].近年來,張龍飛等[33]對于隔震技術在既有建筑中的加固分析和施工技術進行了研究.在接下來的幾年里,各地也開始出現了磚砌體結構和鋼筋混凝土框架結構的隔震加固工程.總之,該技術在國內已有相關的成功應用實例,且現在相關的高校和科研院所對其研究較多,理論及設計方法也已逐漸趨于成熟.

                          1.4抗震鑒定國內外研究現狀

                          建筑結構的抗震性能和安全可靠性是現有建筑改造加固的重要依據,對既有建筑的抗震加固必須要建立在全面的結構安全鑒定基礎上[34].由于結構的改造涉及到已有建筑和新建建筑兩部分,且結構體系較復雜,技術難度較大,因此對原建筑進行科學合理的檢測鑒定是必然步驟.

                          1.4.1國外研究現狀

                          在既有框架結構抗震鑒定方面,國外研究開展相對較早,并提出了合理的抗震鑒定方法,如日本的"綜合鑒定法",美國的"安全性評估程序"[35].1991年,Priestly等針對既有鋼筋混凝土框架結構做相關抗震鑒定實驗,并提出一種新型體系鑒定法[36].2005年,歐洲一些國家制定相關規范并提出現有建筑物抗震鑒定方法[37].1997年,美國應用技術委員會在ATC-40報告中指出,可采用能量譜法對既有建筑結構進行抗震性能鑒定評估[37].在建筑抗震設計及災后對既有房屋抗震鑒定方面,日本走在前沿.對于鋼筋混凝土結構的抗震鑒定,日本主要依據《既有鋼筋混凝土建筑抗震評估與加固標準》,其綜合考慮結構抗震承載力和塑性變形能力的影響,根據結構可能發生的破壞模式,給出了各種豎向構件抗震能力的確定方法,并形成三級抗震評估體系[39-41].



















                         

                          1.4.2 國內研究現狀

                          1.5 研究內容
                         

                          第2章 結構加固方法及計算理論

                          2.1 提高結構抗震性能加固法

                          2.1.1 增大截面加固法

                          2.1.2 粘貼鋼板加固法

                          2.1.3 粘貼纖維復合材加固法

                          2.1.4 外包型鋼加固法

                          2.1.5 增設支點加固法

                          2.1.6 體外預應力加固法

                          2.1.7 置換混凝土加固法

                          2.1.8 繞絲加固法

                          2.2 減小地震作用加固法

                          2.2.1 消能減震加固法

                          2.2.2 隔震加固法

                          2.3 加固計算理論

                          2.3.1 增大截面加固法

                          2.3.2 外包型鋼加固法

                          2.3.3 粘貼纖維復合材加固法

                          2.4 本章小結
                         

                          第3章 工程實例分析

                          3.1 工程概況

                          3.2 檢測設備

                          3.3 檢測目的

                          3.4 工作流程

                          3.5 檢測依據的規范、標準

                          3.6 檢測內容與結果

                          3.6.1 地基基礎

                          3.6.2 上部承重結構

                          3.7 本章小結
                         

                          第4章 結構計算復核與安全性鑒定

                          4.1 基本參數

                          4.2 驗算結果

                          4.2.1 框架柱軸壓比

                          4.2.2 剪力墻軸壓比

                          4.3 框架柱、框架梁及剪力墻配筋驗算

                          4.3.1 構件截面選型

                          4.3.2 構件配筋率

                          4.3.3 構件構造

                          4.3.4 框架梁端截面配筋比

                          4.4 承載力驗算

                          4.4.1 框架柱承載力驗算

                          4.4.2 現澆梁承載力驗算

                          4.4.3 剪力墻承載力驗算

                          4.5 結構安全性鑒定評級

                          4.5.1 地基基礎

                          4.5.2 上部承重結構

                          4.5.3 結構存在的不足及原因分析

                          4.6 本章小結
                         

                          第5章 加固方案及方案選擇

                          5.1 加固改造方案

                          5.1.1 加固部分

                          5.1.2 改造部分

                          5.1.3 續建部分

                          5.2 改造加固方案比對

                          5.3 加固部分

                          5.3.1 框架柱

                          5.3.2 框架梁

                          5.3.3 現澆板

                          5.3.4 剪力墻

                          5.4 本章小結
                         

                          第6章 加固后抗震性能分析

                          6.1 建筑結構抗震分析方法

                          6.1.1 反應譜分析法

                          6.1.2 時程分析法

                          6.1.3 逐步增量彈塑性時程分析法(IDA)

                          6.1.4 Push-over分析法

                          6.1.5 建筑結構抗震分析方法比較

                          6.2 地震作用下加固效果對比分析

                          6.2.1 地震動的選取

                          6.2.2 結果及分析

                          6.3 本章小結

                          第7章結論及展望

                          7.1結論

                          本文在總結現有常見加固方法、理論依據及計算方法的基礎上,以某框架-剪力墻結構高層建筑為研究對象,考慮其經長時間擱置后再次使用期間的結構安全,對該既有建筑物進行相關檢測鑒定,制定、優選加固改造方案,完成加固改造.研究方法方面,利用現場試驗獲取分析數據,通過PKPM軟件進行結構計算完成方案設計、ANSYS軟件進行數值模擬完成結構抗震性能分析,驗證方案的合理性.通過本文研究,得出以下結論:

                          1、對擬加固改造建筑物進行宏觀調查和沉降觀測,初步了解結構安全基本狀況,是對高層建筑進行加固改造的首要工作,該方法合理、可行.

                          2、通過側向位移監測,結合剪力墻、現澆梁、框架柱等混凝土構件強度,檢測鋼筋強度、規格及布置、保護層等數據,綜合判斷以初步確定加固方案.

                          3、對使用時間較長的建筑物,需考慮混凝土碳化深度監測情況,并采用鉆芯法修正混凝土構件抗壓強度值,以更加準確判斷結構的安全性能.

                          4、綜合應用"增大截面+粘貼型鋼"的方法,可以有效提高建筑物的結構強度、剛度、豎向及抗剪承載力,且該法濕作業少、便于施工,操作性強.

                          7.2展望

                          本文采用結構計算與數值模擬分析相結合的方法,形成了較為安全、合理、經濟的加固改造方案,達到了預期目的,取得了一定的研究成果.但鑒于試驗條件的原因和作者水平所限,本文還有諸多需要改進及繼續研究的內容:

                          1、受條件限制,本文只就建筑物結構整體進行了數據采集測試,并沒有對單一構件進行加固后的測試.若條件允許,可以從單一構件加固后分別進行對比測試,如對框架柱加固后進行一次測試,得出加固前后的比較.

                          2、本文的研究對象為框架-剪力墻結構,后期可以發展為對其他結構建筑的研究,比如完成鋼結構在加固前后的性能對比分析,以擴大該技術的應用范圍.

                          3、新材料、新工藝及新設備的應用,將極大提高建筑物的加固改造效果及經濟效益,有待進一步研發,建議加強相關不同學科之間的交流與協作.

                          致    謝

                          首先感謝導師韓建平教授對我的悉心指導和嚴格要求,韓建平老師精益求精的工作作風,寬以待人的崇高風范,平易近人的人格魅力,無不影響和熏陶著我,讓我受益匪淺.從課題的確定、開題,到學位論文完成,其中的每一細節部分都凝聚著韓老師的心血.這一切不僅幫助我完成了研究生階段的學業,還教會了我許多為人處世的道理.點點滴滴銘記于心,謹在此對韓老師致以崇高的敬意和衷心的感謝!

                          感謝課題組其他老師對我的幫助,你們在很多學術問題上和我探討,糾正我的錯誤,助我順利的在學術道路上前進.沒有你們我不可能發現自己在學習中的缺點和不足,沒有你們我也不可能這樣順利的結稿,沒有你們我更不可能體會到做學術的趣味和嚴謹.

                          慈母手中線,游子身上衣,臨行密密縫,意恐遲遲歸.感謝父母及家人對我默默無聞的支持與鼓勵,感謝你們對我的教誨與關心,感謝你們讓我一直有個堅定的信念,是你們讓我的人生有了不一樣的軌跡,在此萬語千言都表達不出衷心的感激之情!

                          最后感謝所有幫助和關心過我的人,同時感謝評閱本文和出席答辯的各位專家教授,非常感謝你們能在百忙之中對本文的指導并提出寶貴的建議,為我下一步的工作明確目標和方向.

                          感謝晏大煒老師對我畢業論文方面的指導,對我在今后學習、生活方面的指導,以及點滴教誨幫助,使我受益頗深.

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