一種砌體房屋分離式外套加層結(jié)構(gòu)及其加層方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于建筑改造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種砌體房屋分離式外套加層結(jié)構(gòu)及其加層方法。
【背景技術(shù)】
[0002]外套加層結(jié)構(gòu)是指在既有房屋的外圍增設(shè)新的結(jié)構(gòu)，跨越原結(jié)構(gòu)將其“套”在里面，是直接加層法不可行情況下唯一的選擇。根據(jù)與既有房屋是否連接，外套加層結(jié)構(gòu)可分為整體式和分離式兩類。整體式由于需要借助于既有結(jié)構(gòu)的抗震能力，這意味著多數(shù)情況下，既有砌體結(jié)構(gòu)需要抗震加固。而且，在室內(nèi)開挖基礎(chǔ)、澆筑梁柱、加固墻體等施工操作很困難，施工期間用戶不得不臨時(shí)搬迀周轉(zhuǎn)，增加加固改造費(fèi)用的同時(shí)也造成無(wú)法正常使用。更為不利的是，整體式存在新舊結(jié)構(gòu)之間荷載傳遞不明確，計(jì)算模型不清晰的問(wèn)題，很難把握其抗震能力。也因此，《磚混結(jié)構(gòu)房屋加層技術(shù)規(guī)范》(CECS78:96)暫不推薦采用。而分離式與原房屋徹底脫開，具有傳力路徑明確，計(jì)算簡(jiǎn)圖明晰，用戶不必搬迀等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]但是，普通的分離式框架作為典型的柔弱首層大跨度結(jié)構(gòu)，也存在兩大抗震弱點(diǎn):
1、首層層高大于原房屋總高，無(wú)側(cè)向約束的柱子一般高達(dá)十幾米至二十幾米，形成類似“踩高蹺”式的結(jié)構(gòu)，重心高、上剛下柔，抗扭轉(zhuǎn)性能差。2、外套結(jié)構(gòu)橫向跨越原結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)轉(zhuǎn)換大梁實(shí)現(xiàn)上部小空間向下部大空間的轉(zhuǎn)換，而轉(zhuǎn)換大梁在轉(zhuǎn)換層處質(zhì)量和剛度突變，形成“強(qiáng)梁弱柱”，對(duì)抗震很不利。申請(qǐng)人曾提出雙肢柱-空腹桁架分離式外套結(jié)構(gòu)，研究表明:斜腹桿系雙肢柱可有效地提高首層抗側(cè)剛度，豎向抗側(cè)剛度較均勻，各層彎矩峰值顯著減少并趨于均勻。但是，傳統(tǒng)的基于延性抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)震作用下，即使幸免于倒塌，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的破壞和殘余變形也是不可避免的，導(dǎo)致震后修復(fù)的困難和昂貴，甚至殘余變形過(guò)大不得不拆除。為了獲得更為優(yōu)異的抗震性能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷控制和功能可恢復(fù)，申請(qǐng)人提出搖擺自復(fù)位型鋼混凝土雙肢柱-鋼空腹桁架分離式外套加層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是在雙肢柱-空腹桁架分離式外套加層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在型鋼混凝土雙肢柱的柱底設(shè)置底板和耗能翼板，在大震作用下，型鋼混凝土雙肢柱提離，從而使型鋼混凝土雙肢柱具有搖擺能力，同時(shí)利用翼板的彎曲屈服耗散地震能量，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；并通過(guò)在型鋼混凝土雙肢柱和粧基礎(chǔ)的承臺(tái)之間布置無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，提供自復(fù)位能力。
[0004]目前，我國(guó)現(xiàn)存大量興建于20世紀(jì)80年代以前的多層磚砌體房屋，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的制約，無(wú)法大量拆除重建，而對(duì)其進(jìn)行加層改造經(jīng)濟(jì)效益明顯，成為具有中國(guó)特色的一項(xiàng)改造技術(shù)，在全國(guó)各地已有大量工程實(shí)例。我國(guó)為地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，全國(guó)80%以上的大中城市均位于地震區(qū)，傳統(tǒng)的分離式外套加層結(jié)構(gòu)存在明顯的抗震薄弱環(huán)節(jié)，目前尚缺乏高效的抗震結(jié)構(gòu)體系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種砌體房屋分離式外套加層結(jié)構(gòu)，它不但解決了普通分離式外套框架加層結(jié)構(gòu)存在的兩大抗震缺陷:柔弱首層和大跨度問(wèn)題，而且具有減小地震作用、結(jié)構(gòu)損傷部位可控、結(jié)構(gòu)功能可恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種砌體房屋分離式外套結(jié)構(gòu)的加層方法。
[0007]本發(fā)明的第一個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種砌體房屋分離式外套加層結(jié)構(gòu)，特征是:在砌體房屋的兩側(cè)分別設(shè)置型鋼混凝土雙肢柱，高出砌體房屋部分的型鋼混凝土雙肢柱通過(guò)鋼空腹桁架連接，同時(shí)在型鋼混凝土雙肢柱的柱底設(shè)置底板，底板焊接在型鋼混凝土雙肢柱內(nèi)部的型鋼上，在底板的四邊設(shè)有翼板，并在型鋼混凝土雙肢柱下方的地面設(shè)有粧基礎(chǔ)，底板通過(guò)翼板、高強(qiáng)螺栓與承臺(tái)錨固在一起，同時(shí)在底板和高強(qiáng)螺栓之間設(shè)置了墊板；在型鋼混凝土雙肢柱的下部和粧基礎(chǔ)的承臺(tái)之間設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼絞線，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的上部錨固于直腹桿，預(yù)應(yīng)力鋼絞線的下部錨固于承臺(tái)上；樓板采用壓型鋼板組合樓板。
[0008]所述鋼空腹桁架是指沒有斜腹桿的桁架結(jié)構(gòu)，由上弦桿、腹桿和下弦桿組成，并且通過(guò)高強(qiáng)螺栓和角鋼固接在型鋼混凝土雙肢柱內(nèi)部的型鋼上。鋼空腹桁架主要以弦桿軸力平衡彎矩，自重輕，傳力明確，剛度較大，是一種高效的抗彎結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)較大跨度的跨越，并且空腹部分可以布置管線。
[0009]所述型鋼混凝土雙肢柱是由兩根型鋼混凝土柱之間通過(guò)斜腹桿剛接組成的構(gòu)件，顯著增加了型鋼混凝土柱的抗側(cè)剛度，其中型鋼混凝土柱是在鋼筋混凝土柱的內(nèi)部添加有型鋼。
[0010]所述底板是由Q235鋼材制成的鋼板，在地震作用下，底板可以抵抗型鋼混凝土雙肢柱與承臺(tái)的撞擊，翼板通過(guò)彎曲屈服耗能，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷部位可控，并且在震后可以方便地進(jìn)行替換。
[0011]所述直腹桿是由Q345鋼材制成的工字型鋼，當(dāng)布置在型鋼混凝土雙肢柱的下部時(shí)，起錨固預(yù)應(yīng)力鋼絞線的作用，當(dāng)布置在型鋼混凝土雙肢柱的頂部時(shí)，起封閉頂部的作用。
[0012]所述斜腹桿是由Q345鋼材制成的工字型鋼，斜腹桿的兩端分別焊接在兩個(gè)型鋼混凝土柱子內(nèi)部的型鋼上，并且可顯著增加柱子的抗側(cè)剛度。
[0013]所述壓型鋼板組合樓板是通過(guò)栓釘使壓型鋼板與鋼空腹桁架錨固在一起，同時(shí)布設(shè)樓板鋼筋、澆筑混凝土形成壓型鋼板組合樓板。壓型鋼板組合樓板不僅可以實(shí)現(xiàn)快速安裝，而且有利于管線的鋪設(shè)。
[0014]所述預(yù)應(yīng)力鋼絞線是指后張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線，后張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的頂端錨固于型鋼混凝土雙肢柱中的直腹桿上，后張拉無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼絞線的底端向下穿過(guò)承臺(tái)并通過(guò)錨具與承臺(tái)錨固在一起，使型鋼混凝土雙肢柱具有自復(fù)位能力。
[0015]所述粧基礎(chǔ)由承臺(tái)和錨桿靜壓粧兩部分組成，粧基礎(chǔ)在給型鋼混凝土雙肢柱提供支撐和抗拔力的同時(shí)，也為預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供了錨固點(diǎn)。
[0016]所述高強(qiáng)螺栓是指由45號(hào)鋼、40硼鋼、20錳鈦硼鋼、35CrMoA等制成的10.9級(jí)螺栓。
[0017]本發(fā)明的第二個(gè)目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
一種砌體房屋分離式外套結(jié)構(gòu)加層方法，特征是:
A、根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，初選型鋼混凝土雙肢柱和鋼空腹桁架的截面尺寸，包括兩根型鋼混凝土柱的尺寸和距離、直腹桿和斜腹桿的尺寸，鋼空腹桁架的上弦桿、下弦桿和腹桿的尺寸及間距；在有限元軟件SAP2000中進(jìn)行非線性時(shí)程分析和靜力推覆分析，從而得到型鋼混凝土雙肢柱-鋼空腹桁架分離式外套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；
B、在工廠預(yù)制型鋼混凝土雙肢柱、鋼空腹桁架、壓型鋼板、底板；
C、在砌體房屋縱向的兩側(cè)每隔5.0?8.0m設(shè)置型鋼混凝土雙肢柱，型鋼混凝土雙肢柱抗側(cè)剛度強(qiáng)的方向和鋼空腹桁架的方向相同，且型鋼混凝土雙肢柱距離砌體房屋外墻
0.5?1.0m，現(xiàn)場(chǎng)施工粧基礎(chǔ)，預(yù)埋預(yù)應(yīng)力鋼絞線，混凝土養(yǎng)護(hù)28天之后，把底板焊接在型鋼混凝土雙肢柱上，通過(guò)高強(qiáng)螺栓把焊有底板的型鋼混凝土雙肢柱錨固在粧基礎(chǔ)的承臺(tái)上；再通過(guò)高強(qiáng)螺栓和角鋼把鋼空腹桁架拼接在型鋼混凝土柱上；通過(guò)栓釘使壓型鋼板與鋼空腹桁架錨固在一起，同時(shí)布設(shè)樓板鋼筋、澆筑混凝土形成壓型鋼板組合樓板；最后對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線施加預(yù)應(yīng)力，得到型鋼混凝土雙肢柱-鋼空腹桁架搖擺自復(fù)位分離式外套加層結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
(I)首層抗側(cè)剛度大。型鋼混凝柱本身所具有的更好的承載力、延性、抗側(cè)剛度和抗局部屈曲失穩(wěn)能力，同時(shí)通過(guò)斜腹桿連接兩根型鋼混凝土柱組成的雙肢柱形式使材料遠(yuǎn)離形心軸，提高截面回轉(zhuǎn)半徑，降低長(zhǎng)細(xì)比，從而提高型鋼混凝土柱的抗側(cè)剛度和穩(wěn)定性。
[0019](2)結(jié)構(gòu)損傷部位可控。結(jié)構(gòu)變形主要集中在柱腳，在柱腳布設(shè)底板和翼板，其中底板可以有效的防止型鋼混凝土雙肢柱與承臺(tái)的撞擊，而翼板集中耗能，并且在震后可以方便地進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)可修復(fù)。
[0020](3)搖擺削減地震作用，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自復(fù)位。小震時(shí)，柱底未提離，其受力與柱腳嵌固時(shí)相同，依靠結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和剛度抗震；大震時(shí)，雙肢柱底部張開提離，結(jié)構(gòu)體系剛度下降，減小地震作用，降低對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性的需求，翼板耗散地震能量，損傷被集中控制在搖擺界面，而后張預(yù)應(yīng)力鋼絞線提供抗傾覆和自復(fù)位能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)功能。
[0021](4)鋼空腹桁架和型鋼混凝土雙肢柱均可先預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)裝配連接，樓板采用壓型鋼板組合樓板。施工速度快，最大限度地減少對(duì)用戶的干擾。
[0022](5)該砌體房屋分離式外套加層結(jié)構(gòu)，符合工程加固改造和工程抗震的兩大發(fā)展趨勢(shì):“不入戶”，即所有施工作業(yè)只在建筑物外圍進(jìn)行，不影響建筑正常使用；損傷控制、可恢復(fù)功