某高層建筑抗震設(shè)防類別提高后加固設(shè)計

馮遠(yuǎn)麗

(貴州省建筑設(shè)計研究院，貴州貴陽550002)

1 工程概況

1.1 建筑現(xiàn)狀

某高層公寓樓位于貴州省貴陽市金陽新區(qū)，建筑面積1.8×104m2，地下 2 層，層高分別是 4 .4m、5.5m，地面上 2 5層，1至3層層高4.2m，4層層高4.5m，以上各層層高3.0m，房屋檐口高度80.1m。結(jié)構(gòu)型式為鋼筋混凝土框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋為全現(xiàn)澆一般鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)型式為人工挖孔樁，基礎(chǔ)持力層為中風(fēng)化白云巖，基礎(chǔ)平均埋深9.9m。該建筑工程所建地抗震設(shè)防烈度6度第1組，設(shè)0.05g，計基本地震加速度值為 抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(丙類)，場地土類別為Ⅱ類，基本風(fēng)荷載值0.35 kN/m2。

1.2 建筑使用功能改變

公寓樓設(shè)計時間為2008年3月，設(shè)計當(dāng)初大樓功能定性為普通公寓樓。原設(shè)計依據(jù)GB 50223－2004《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，抗震設(shè)防類別定義為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類即丙類，根據(jù)GB 50011－2001《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.1.2強(qiáng)條表6.1.2，結(jié)構(gòu)抗震等級:框架3級、剪力墻3級。

2009年10月當(dāng)公寓樓修建至第10層時，建設(shè)單位提出改變公寓樓使用功能，擬由普通公寓樓改為學(xué)生公寓樓及學(xué)生餐廳使用。當(dāng)時正逢我國經(jīng)歷了2008年“5·12”汶川8.0級特大地震，造成特大人員傷亡及大量房屋建筑垮塌，其中，中小學(xué)學(xué)校建筑破壞嚴(yán)重，部分校舍倒塌，據(jù)初步統(tǒng)計，該次地震造成四川地震區(qū)受損學(xué)校數(shù)約13 779處，總面積21 900×104m2，其中嚴(yán)重破壞校舍面積約占38%約8 322×104m2，倒塌校舍面積約占3.8%約832×104m2。國家領(lǐng)導(dǎo)及教育部決定:痛定思痛，吸取教訓(xùn)，全面提高我國學(xué)校建筑的抗震能，《力 因此很快調(diào)整了當(dāng)時執(zhí)行的 建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，意在提高學(xué)校建筑的安全度。

2 抗震類別、構(gòu)造等級提高

修改設(shè)計時間2009年11月，按照修改后的GB 50223－2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.8條“教育建筑中幼兒園、小學(xué)、中學(xué)的教學(xué)用房以及學(xué)生宿舍和食堂，抗震設(shè)防類別不低于重點(diǎn)設(shè)防類”及黔建設(shè)通【2009】428號文件要求“中學(xué)的學(xué)生宿舍、餐廳抗震設(shè)防類別不低于重點(diǎn)設(shè)防類”，再根據(jù)GB 50223－2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.2強(qiáng)條，該公寓樓由原設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類提高至了重點(diǎn)設(shè)防類，再根據(jù)GB 50223－2008《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.3－3強(qiáng)條“重點(diǎn)設(shè)防類應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求加強(qiáng)其抗震措施;……同時應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其地震作用?！币虼税凑照{(diào)整后設(shè)計規(guī)范，該公寓樓需按7度加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施，同時按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.1.2強(qiáng)條表6.1.2，框架、剪力墻抗震等級由原設(shè)計的三級提高至了二級。

3 按照提高后的結(jié)構(gòu)抗震類別及構(gòu)造等級復(fù)核原設(shè)計

根據(jù)建設(shè)進(jìn)度，建設(shè)單位提出調(diào)整房屋建筑使用功能之時，大樓已經(jīng)修建至地面上10層，因此需對房屋建筑的底部加強(qiáng)部位，－9.90m～17.15m標(biāo)高即地下室－2層至地面上4層框架及剪力墻抗震構(gòu)造措施進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核結(jié)果如下。

(1)軸壓比限值，按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.3.7條(表6.3.7)，原設(shè)計框架柱抗震等級3級，軸壓比控制限值為0.95，提高至2級后其軸壓比限值為0.85;原設(shè)計剪力墻抗震等級3級，設(shè)計當(dāng)初規(guī)范對3級剪力墻軸壓比沒有要求，提高至2級后按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.4.5條其軸壓比限值為0.60。經(jīng)復(fù)核結(jié)構(gòu)計算結(jié)果，查實原設(shè)計框架柱、剪力墻軸壓比均在新規(guī)范限值內(nèi)，因此框架柱、剪力墻截面尺寸滿足新規(guī)范要求，無需加固。

(2)框架柱配筋率，按照 G B 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.3.8強(qiáng)條(表6.3.8－1)規(guī)定，提高至2級后框架柱最小配筋率:角柱1.0%、中柱、邊柱0.8%，經(jīng)復(fù)核原設(shè)計框架柱配筋率滿足新規(guī)范規(guī)定，無需加固。

(3)剪力墻截面厚度，需滿足GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.4.1條規(guī)定，經(jīng)復(fù)核原設(shè)計剪力墻截面厚度滿足新規(guī)范規(guī)定，無需加固。

(4)剪力墻構(gòu)造邊緣構(gòu)件及約束邊緣構(gòu)件設(shè)置復(fù)核，原設(shè)計剪力墻抗震等級3級，結(jié)構(gòu)全高僅需設(shè)置構(gòu)造邊緣構(gòu)件，剪力墻抗震等級提高至2級后，根據(jù) GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.4.6－1條，需在“抗震墻結(jié)構(gòu)，一、二級抗震墻底部加強(qiáng)部位及相鄰的上一層……設(shè)置約束邊緣構(gòu)件”，即在建筑的－9.90～17.15m標(biāo)高設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。由于原來設(shè)計時規(guī)范對此沒有要求，因此設(shè)計當(dāng)初剪力墻未設(shè)置約束邊緣構(gòu)件，故需復(fù)核該部位邊緣構(gòu)件配筋及配箍是否滿足約束邊緣構(gòu)件要求。

(5)約束邊緣構(gòu)件配筋及配箍率需滿足GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.4.7條規(guī)定，故原設(shè)計邊緣構(gòu)件的實際配筋配箍需按照第6.4.7條進(jìn)行補(bǔ)足，對已經(jīng)施工完畢而又需要補(bǔ)足的約束邊緣構(gòu)件，目前只有采用補(bǔ)強(qiáng)加固措施進(jìn)行補(bǔ)足。

復(fù)核結(jié)果表明:該建筑整體結(jié)構(gòu)體系、剛度、樓層位移比及多數(shù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的原設(shè)計截面及配筋等均能滿足業(yè)主調(diào)整大樓使用功能后相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求，僅有部分剪力墻約束構(gòu)件配筋或配箍不滿足要求，需進(jìn)一步進(jìn)行加固處理。

4 補(bǔ)強(qiáng)計算

4.1 剪力墻約束邊緣構(gòu)件縱筋及箍筋均不滿足時節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)計算

以圖1為例:原設(shè)計剪力墻混凝土強(qiáng)度等級C40，剪力墻墻肢軸壓比0.45，剪力墻墻肢長度兩側(cè)分別是 hw=2 400mm、1 300mm，約束邊緣構(gòu)件范圍長度按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》表6.4.7要求:lc=0.15hw=0.15×2400=360mm、0.15×1300=195mm，約束邊緣構(gòu)件配箍特征值λv為0.20。另按照《抗震規(guī)范》圖6.4.7轉(zhuǎn)角墻(L形墻)轉(zhuǎn)角部位bf需≥300mm，因此本轉(zhuǎn)角約束邊緣構(gòu)件設(shè)計lc=750、600mm。根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.4.7條:二級抗震墻約束邊緣構(gòu)件在設(shè)置箍筋范圍內(nèi)縱向配筋需達(dá)到:

0.010Ac=3150mm2，

(其中Ac=300×600+300×450=315000mm2)

而原設(shè)計該約束邊緣構(gòu)件實際配置縱筋為18φ12，配筋面積As1=2 036mm2，故還需增加縱筋面積As=3150－2036=1 114mm2，配筋不足率達(dá)－35.37%。

設(shè)計采用在墻肢外側(cè)粘貼鋼板的方式進(jìn)行補(bǔ)足。在約束邊緣構(gòu)件轉(zhuǎn)角處豎向外貼2根角鋼 75×5，增加縱筋面積:As2=741×2=1 482mm2。

粘貼角鋼后構(gòu)件配筋率達(dá)到:

(As1+As2)/Ac=(2036+1482)/315000=1.11% ＞1.0%

因此粘貼2處角鋼 75×5后，約束邊緣構(gòu)件的縱筋配筋率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》第6.3.12條，約束邊緣構(gòu)件配箍率需達(dá)到ρv=fc/fy=0.20×14.3/210=0.0136=1.36%。而此部位實際配箍為φ12@150，配箍率僅有:

3060×1131×10/(As0×1000×1.5)=0.88%

(其中，原箍筋長度lc=3 060mm，邊緣構(gòu)件凈面積As0=260×1010=262 600mm2)

配箍率不足率達(dá)到－35.29%。

設(shè)計采用在墻肢外側(cè)水平粘貼鋼板－100×4@400(鋼板中到中距離)的方式進(jìn)行補(bǔ)足。通過粘貼鋼板，增加配箍率:lc×100×4×2.5/(As0×1000)=1.03%

(增加扁鋼長度 lc=750×2+600×2=2 700mm，扁鋼@400即每1m增加2.5道扁鋼)

粘貼水平鋼板補(bǔ)強(qiáng)后配箍率達(dá)到:0.88%+1.03%=1.91%＞1.36%

因此粘貼水平鋼板－100×4@400后，約束邊緣構(gòu)件配箍率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》要求。

圖1 縱筋及箍筋均不滿足時節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)計算

4.2 剪力墻約束邊緣構(gòu)件僅配箍不滿足時補(bǔ)強(qiáng)計算

以圖2為例:原設(shè)計剪力墻混凝土強(qiáng)度等級C40，剪力墻墻肢軸壓比為0.47，剪力墻墻肢長度hw=2 000mm，約束邊緣構(gòu)件范圍長度按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》表6.4.7要求，lc=0.15hw=0.15×2000=300mm，約束邊緣構(gòu)件的配箍特征值 λv為0.20。另按照《抗震規(guī)范》圖6.4.7，轉(zhuǎn)角墻(L形墻)轉(zhuǎn)角部位bf需≥300mm，因此本轉(zhuǎn)角約束邊緣構(gòu)件lc=600mm。

圖2 僅箍筋不滿足時的節(jié)點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)計算

根據(jù)《抗震規(guī)范》第6.4.7條，二級抗震墻約束邊緣構(gòu)件在設(shè)置箍筋范圍內(nèi)縱向配筋需達(dá)到:0.010Ac=2 700mm2

(其中Ac=300×600+300×300=270 000mm2)

原設(shè)計該約束邊緣構(gòu)件實際配置縱筋為16φ16，配筋面積 As1=3 218mm2，As1＞0.010Ac，縱筋配筋率滿足 GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》第6.3.12條，邊緣構(gòu)件配箍率需達(dá)到 ρv=fc/fy=0.20×14.3/210=0.0136=1.36%。而實際配箍為φ12@125，配箍率僅有:

2760×1131×10/(As0×1000×1.25)=1.11%

(其中，原箍筋長度lc=2 760mm，邊緣構(gòu)件凈面積As0=260×860=223 600mm2)

配箍率不足率達(dá)到－18.38%。

設(shè)計采用在墻肢外側(cè)水平粘貼鋼板－100×4@400(鋼板中到中距離)的方式進(jìn)行補(bǔ)足。通過粘貼鋼板，增加配箍率:

2400×100×4×2.5/(As0×1000)=1.07%

(增加扁鋼長度lc=600×4=2 400mm，扁鋼@400即每1m增加2.5道扁鋼)

粘貼水平鋼板補(bǔ)強(qiáng)后配箍率達(dá)到:1.11%+1.071%=2.18%＞1.36%

因此粘貼水平鋼板－100×4@400后，約束邊緣構(gòu)件配箍率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)范》要求。

5 補(bǔ)強(qiáng)加固措施

(1)墻肢邊緣構(gòu)件縱筋配筋不足、縱筋及箍筋均不足時采用在約束邊緣構(gòu)件范圍橫向粘貼扁鋼、豎向轉(zhuǎn)角粘貼角鋼的方式進(jìn)行補(bǔ)足，扁鋼及角鋼采用φ6錨栓固定于原有墻肢上。補(bǔ)強(qiáng)大樣詳圖1。

(2)墻肢邊緣構(gòu)件僅配箍不足時采用在墻肢邊緣構(gòu)件范圍橫向粘貼扁鋼－100×400的方式進(jìn)行補(bǔ)足，扁鋼用φ6錨栓固定于墻肢上。補(bǔ)強(qiáng)大樣詳圖2。

6 加固施工技術(shù)要點(diǎn)

圖3 加固鋼板及角鋼與基礎(chǔ)的連接

(1)需加固約束邊緣構(gòu)件豎向鋼板及角鋼與基礎(chǔ)的連接按圖3大樣要求施工，柱腳處用角鋼 75×5將豎向鋼板及角鋼固定于原有墻肢及基礎(chǔ)上，用M16錨栓將角鋼固定于基礎(chǔ)上，且角鋼內(nèi)側(cè)全長灌注環(huán)氧樹脂。

(2)需加固約束邊緣構(gòu)件豎向鋼板及角鋼在樓層標(biāo)高處連接按圖4大樣要求施工，在樓板上下面標(biāo)高處用角鋼

75×5將豎向鋼板及角鋼固定于原有墻肢，并用M16穿墻錨栓對穿連接。

圖4 加固鋼板及角鋼與梁、板的連接

(3)技術(shù)要求:

①應(yīng)將原剪力墻墻肢截面的棱角打磨成半徑r＞7mm的圓角;

②外貼型鋼的注膠應(yīng)在型鋼架焊接完成后進(jìn)行;

③外貼型鋼的膠縫厚度宜控制在3～5mm;

④型鋼表面應(yīng)抹厚度不小于25mm的高強(qiáng)度等級水泥砂漿(應(yīng)加鋼絲網(wǎng)防裂)作為防護(hù)層。

7 結(jié)束語

當(dāng)前，有不少建筑因設(shè)計功能的改變或設(shè)計本身的不足，需按照國家現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范進(jìn)行復(fù)核及加固。本工程由于大樓使用功能改變，建筑抗震設(shè)防類別及抗震構(gòu)造等級提高，設(shè)計采用在剪力墻約束邊緣構(gòu)件外粘貼豎向扁鋼、角鋼及水平扁鋼的方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，加固處理后的結(jié)構(gòu)既滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，又較好的滿足了建筑功能的需求。本工程在2010年8月已經(jīng)施工完畢，投入使用。

［1］ JGJ 3－2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］

［2］ GB 5011－2008建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］

［3］ GB 50367－2006混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范［S］

［4］ ISSN 1002－8412工程抗震與加固改造［S］