结合工程案例论述翼墙加固单跨框架抗震性的研究 框架剪力墙结构优缺点

　　摘 要：本文通过对昆山中学艺体楼，实验楼及部分教学楼的加固进行翼墙加固分析，探讨了各种翼墙尺寸及类型对加固效果的影响，提出翼墙加固时应注意的问题及建议。　　关键词：翼墙；单跨框架；抗震加固
　　
　　框架结构具有建筑平面布置灵活、延性好、造价低、施工方便等优点，广泛应用于各类建筑。中小学教室由于需要良好的采光条件和较大的空间，再加上经济条件限制，因而往往采用单跨框架体系。
　　由于控制框架侧移刚度的梁柱截面尺寸较小，故框架结构总体刚度较小，与框－剪结构、剪力墙结构、筒体结构相比，框架结构的刚度最低，属于柔性结构。在地震作用下，结构侧移大，容易导致非结构构件破坏，维修费用高。框架结构最致命的缺点是缺少二道防线，这将显著降低结构的抗震能力。
　　为了防止单跨框架变形过大及倒塌，可在柱侧加设短肢剪力墙，形成带翼墙框架柱的结构体系。这种结构体系具有良好的抗震性能，因而受到广泛好评。目前，人们对于翼墙加固框架的认识还停留在概念阶段，对于怎样加设翼墙才能达到最佳综合效果并不清楚。本文通过对昆山中学教学楼增设翼墙，探讨了各种加固情况对结构抗震性能的影响。
　　1 翼墙加固概念
　　翼墙最早见于水利大坝工程当中，加设在泄洪道两侧，以增强坝体的抗滑能力。框架结构在较大地震作用下会产生较大侧移，柱顶容易形成塑性铰，室内装修严重破坏。如果在矩形柱边附加一定长度翼墙，则可提高柱单元线刚度，翼墙构件在罕遇地震作用下将首先屈服、开裂，从而消耗地震能量，在理论上实现了构件两道抗震防线的设计理念。
　　汶川地震震害调查发现，按普通矩形框架梁柱设计的结构出现梁下边柱顶部混凝土压碎破坏的情况，一个重要原因是该区域柱在双轴拉压复合受力状态下，最外侧混凝土压碎破坏，若采用带有翼缘构件的框架柱，将受压破坏区域主动外移，远离框架柱主体，就能避免上述问题，这也是翼墙框架柱同矩形框架柱、异形柱相比的优势所在。
　　翼墙对柱的影响主要表现在三个方面：
　　1）翼墙充分参加工作，在竖向荷载作用下与柱共同承担竖向荷载，减小柱的轴压比。在水平荷载作用下，翼墙与柱一道发生剪切或弯曲破坏；
　　2）翼墙改变柱的内力分布状态，降低了柱截面高度中的主拉应力；
　　3）翼墙改变了柱的破坏形态和受力性能，使柱的抗剪、抗弯能力提高，变形能力降低。
　　翼墙对梁的影响主要表现在两个方面：
　　①由于增设了翼墙，框架柱的刚度提高很大，根据力矩分配法原理，梁端负弯矩将减小；
　　②增设翼墙使框架梁的计算跨度减小。
　　如图1所示，翼墙的基本类型有：一字型、L字型、T字型。翼墙的尺寸主要通过抗震等级、设防烈度、柱子截面等因素来确定。建筑抗震加固技术规程规定，混凝土翼墙墙厚不宜小于140mm。
　　翼墙布置可结合抗震计算要求及建筑平面布置等情况进行，可在拟布置隔墙、填充墙的位置上设置，形成单边翼缘框架柱、L形翼缘框架柱，T字形翼缘框架柱等。
　　2 翼墙抗震性能分析
　　2.1 工程概况
　　本工程为昆山中学教学楼，建在Ⅱ类场地土（Tg=0.35s）上，3层钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为7度，设计基本加速度为0.10g，设计地震分组为第一组，房屋总高度为10.8m，层高为3.6m。框架柱采用C30混凝土，截面尺寸为400×400，梁板采用C25混凝土，框架梁截面为250×500，受力主筋采用HRB335级钢筋。其原结构平面布置图如图2所示。
　　
　　为了研究翼墙尺寸及类型对结构抗震性能的影响，本文用ETABS建立了6个模型，翼墙墙厚均为200mm，布置情况见表1。
　　
　　2.2 ETABS模型建立
　　计算模型考虑了楼梯构件对整体结构的影响，采用斜板壳单元模拟梯板。翼墙采用壳单元
　　模拟，划分单元长度最大为100mm。模型只考虑恒载、活载及地震作用，暂不考虑风载作用。建成的ETABS模型如图3。
　　
　　2.3 结构性能分析
　　（1）结构周期
　　结构第一振型为Y向平动，第二振型为X向平动，原结构第一、二周期分别为1.116s、0.886s。当加设翼墙后，结构两个方向的周期都变短，第一、二周期减幅最大者皆为模型M6，分别达42.2%、43.6%。M1、㎡和M3只沿纵向布置一字型翼墙，此时结构第二周期减小明显，而第二周期减小缓慢，这主要是因为结构的纵向刚度比横向刚度提高很多；而M4、M5和M6双向布置翼墙，则第一、第二周期都减幅明显（表2，图4）。在结构三维振动视图中，发现由于教学楼端部的楼梯间位置刚度很大，导致振动时发生很大扭转，因此，通过布置翼墙可以调整结构刚度分布，进而减小扭转效应。
　　
　　
　　（2）楼层最大位移
　　由表3、图5可知，X向位移比Y向位移大，所以应该防止结构纵向连续性倒塌。在M1、㎡和M3中，X向的位移明显减小，M3顶层位移减幅最大，达42.7%；除M1外，在㎡和M3中Y向楼层位移皆有所增大，说明只在一个方向加设翼墙会导致另一方向地震反应有所加大。在M4、M5和M6中，X、Y向楼层位移相对原结构都明显减小，但M5的Y向楼层位移最大，原因是结构的Y向平动是第一周期，在Y向加设翼墙后，会因刚度变化大而带来更大的地震力，此时地震力的增幅比刚度增幅大，故导致结构的楼层位移更大，这也要求翼墙加固时要特别注意适量，否则加固效果则不明显，得不偿失。（3）层间位移角由图6和表4可知，结构层间位移角最大值都出现在2层，原结构M0在Y向地震作用下最大层间位移角不满足建筑抗震规范规定的［θe］≤1/550，在M1、㎡和M3中，X向层间位移角都将减小，M3的2层减幅达38.8%；而Y向却有所增大。当X、Y向都加设形成T型翼墙时，X、Y向弹性层间位移角都明显减小，满足规范要求。
　　
　　
　　（4）层间剪力
　　由图7和表5中数据可知，当只在X向加设翼墙时，X向层间剪力增幅明显，而Y向增幅较小，Y向约为X向的10%，这说明沿某轴方向加设翼墙时，将对此轴方向产生较大影响，而对另一方向影响较小。双向加翼墙比只在单向加翼墙层间剪力大，双向加翼墙比只在单向加翼墙层间剪力大，M6的X向和Y向层间剪力增幅最大。