采用增大截面法對(duì)框架柱加固的分析

李 曦

（重慶交通大學(xué) 土木學(xué)院，重慶 400074）

對(duì)汶川地震和玉樹(shù)地震建筑震害現(xiàn)象進(jìn)行分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于框架結(jié)構(gòu)要想實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)理念非常困難。因?yàn)?，現(xiàn)澆樓板和梁綜合作用，使梁剛度常常大于柱剛度，這樣就形成了與設(shè)計(jì)理念相反的“強(qiáng)梁弱柱”現(xiàn)象。隨著地震的頻繁出現(xiàn)，規(guī)范改版的頻率也隨之提高，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)柱的軸壓比控制更為嚴(yán)格，相對(duì)現(xiàn)存的工程而言，采用現(xiàn)行規(guī)范做抗震鑒定時(shí)，現(xiàn)存工程往往軸壓比不合格。不管是“弱柱”還是軸壓比不合格，為了生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)一些工程的柱子進(jìn)行抗震加固。對(duì)于常見(jiàn)的框架柱震害，比如：柱端混凝土壓碎，鋼筋外露、外鼓，柱身出現(xiàn)斜裂縫，中上部出現(xiàn)水平裂縫等?？拐痂b定需要同時(shí)提高承載能力和剛度的既有結(jié)構(gòu)，一般采用增大截面法或?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行新增構(gòu)件的抗震加固方法。本文針對(duì)增大截面法對(duì)經(jīng)歷汶川地震之后，西昌市某辦公樓框架柱進(jìn)行抗震加固。重點(diǎn)分析增大截面法對(duì)該工程的加固作用，以期為增大截面法應(yīng)用在抗震加固設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 增大截面法的力學(xué)性能

1.1 增大截面法的構(gòu)造

由于框架柱的破壞形態(tài)可分為受壓破壞和受拉破壞，其中受壓破壞主要在軸壓柱和小偏心柱上發(fā)生，而受拉破壞則主要發(fā)生在大偏壓柱上。因此增大截面法分為：四周外包法，單面加厚法和雙面加厚法。在一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，柱通常為軸壓柱，而軸壓柱多使用四周外包法。軸壓柱四周外包法加固圖見(jiàn)圖1。

1.2 采用增大截面法加固后構(gòu)件的動(dòng)力特性

已有大量研究討論增大截面法的動(dòng)力特性。其中羅苓隆在對(duì)采用雙面加厚法加固的軸心受壓截面進(jìn)行研究，證明新舊混凝土之間的承載力不是簡(jiǎn)單迭加，而是有所下降，應(yīng)該考慮新舊混凝土應(yīng)力應(yīng)變滯后及徐變問(wèn)題，同時(shí)引入新變量應(yīng)變參數(shù)，使其計(jì)算值接近實(shí)驗(yàn)值。

圖1 軸壓柱四周外包法

趙宏強(qiáng)、趙來(lái)順和王麗梅等人通過(guò)采用增大截面法加固的試驗(yàn)柱在重復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)柱發(fā)生的是柱底壓碎和彎曲破壞。并且得出試件的荷載－位移滯回曲線，見(jiàn)圖2，由該圖所知，包圍的面積的大小說(shuō)明試件剛度退化的大小，隨著荷載的逐級(jí)增大，滯回環(huán)面積越來(lái)越大，同時(shí)還出捏攏現(xiàn)象。說(shuō)明隨著荷載的逐級(jí)增大，試件的剛度在逐級(jí)降低。滯回環(huán)的面積大小還能說(shuō)明采用增大截面法加固后，試件耗能能力的增加。根據(jù)我國(guó)《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ101－96）規(guī)定，耗能系數(shù)計(jì)算示意（如圖3 所示）可用能量耗散系數(shù)E來(lái)衡量試件耗能能力：

1.3 增大截面法加固后結(jié)構(gòu)整體承載力的核算

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB5OO23－09）加固后的梁柱可選取在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向有代表性的平面框架對(duì)樓層的屈服強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再依據(jù)計(jì)算結(jié)果最終確定樓層的綜合抗震能力指數(shù)β，樓層綜合抗震能力指數(shù)可按下式計(jì)算：

式中：β為平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)，ψ1 為體系影響系數(shù)，ψ2 為局部影響系數(shù)，ξy為樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)，Vy為樓層現(xiàn)有受剪承載力，Ve為樓層的彈性地震剪力。

當(dāng)既有結(jié)構(gòu)的樓層綜合抗震能力指數(shù)大于1時(shí)，評(píng)定結(jié)構(gòu)抗震承載力滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求，即建筑結(jié)構(gòu)的承載力滿足要求。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

西昌市人大辦公樓現(xiàn)為地上五層，該工程建筑面積約951 m2，屋面檐口高度17.7 m，層高：1～3層為3.4m，4層為4.5 m，5層3 m（小屋，屋上有塔），室內(nèi)外高差為0.45 m；結(jié)構(gòu)型式為框架結(jié)構(gòu)，現(xiàn)澆樓板，樓板厚為80mm；地區(qū)抗震設(shè)防烈度為9度（0.40g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，本工程抗震設(shè)防類別為丙類，基本風(fēng)壓為0.3kN／m2；各層混凝土等級(jí)為C20；內(nèi)采用190mm厚煤渣磚，外填充墻用240 mm 厚煤渣磚，雙面抹灰，內(nèi)外填充墻用M5水泥砂漿砌筑；樓面恒荷載1kN／m2，走廊活載2.5kN／m2，一般樓面恒荷載2.0 kN／m2，樓梯間恒荷載8kN／m2，活載3.5kN／m2，屋面恒載4.0kN／m2，活載2.0kN／m2。建筑平面圖見(jiàn)圖4。

2.2 鑒定分析

根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB5OO23－09），抗震鑒定方法分為兩級(jí)：第一級(jí)鑒定以宏觀控制和構(gòu)造鑒定為主進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，第二級(jí)鑒定以綜合抗震能力指數(shù)為主要指標(biāo)且結(jié)合構(gòu)造影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。建筑物加固是根據(jù)建筑物的鑒定結(jié)論，針對(duì)建筑物的缺陷和損壞進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)或提高建筑物的安全性和耐久性。

2.2.1 第一級(jí)鑒定

將本辦公樓各細(xì)部構(gòu)造與《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB5OO23－09）對(duì)照，有以下4條不滿足要求：

1）該辦公樓梁兩端在梁高各1倍范圍內(nèi)的箍筋間距為200mm。根據(jù)《鑒定標(biāo)準(zhǔn)》6.2.4條：7度Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和8、9度時(shí)，梁兩端在梁高各1倍范圍內(nèi)的箍筋間距應(yīng)≤150mm。因此，不符合第一級(jí)鑒定要求，且此項(xiàng)將影響第二級(jí)鑒定中的體系影響系數(shù)。

圖4 建筑平面布置

2）該辦公樓在柱的上、下端，凈高各1／6的范圍內(nèi)箍筋￠8＠200。根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》6.2.4條：7度Ⅲ、Ⅳ類場(chǎng)地和8、9度時(shí)，在柱的上、下端，凈高各1／6的范圍內(nèi)，丙類設(shè)防時(shí)，箍筋直徑應(yīng)≥φ8，間距應(yīng)≤50 mm。因此，不符合第一級(jí)鑒定要求，且此項(xiàng)將影響第二級(jí)鑒定中的體系影響系數(shù)。

3）該辦公樓填充墻每隔500 mm 有2￠6拉筋伸入，墻內(nèi)≥500 mm。根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》6.2.7條：填充墻沿柱高每隔約600 mm 應(yīng)有2φ6拉筋伸入墻內(nèi)，8、9度時(shí)伸入墻內(nèi)的長(zhǎng)度不宜小于墻長(zhǎng)的1／5 且不小于700 mm。因此，不符合第一級(jí)鑒定要求，且此項(xiàng)將影響第二級(jí)鑒定中的局部影響系數(shù)。

4）該辦公樓框架柱軸壓比最大值為0.8，根據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB5OO23－09），框架結(jié)構(gòu)在抗震等級(jí)為一級(jí)時(shí)，框架柱軸壓比應(yīng)≤0.7。因此不符合第一級(jí)鑒定要求，且此項(xiàng)將影響加固方案的選擇。

2.2.2 第二級(jí)鑒定

由于西昌市為9 度設(shè)防區(qū)，必須進(jìn)行第二級(jí)鑒定。

結(jié)合構(gòu)造影響，采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院的PKPM 系列結(jié)構(gòu)軟件中抗震鑒定加固板塊計(jì)算得X、Y兩個(gè)主軸方向的平面結(jié)構(gòu)的各樓層綜合抗震能力指數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表1與表2。

表1 X 方向上樓層抗震能力指數(shù)

表2 Y 方向上樓層抗震能力指數(shù)

3 抗震加固

3.1 加固方案

根據(jù)《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ 116－09）所述：“框架柱軸壓比不符合鑒定要求時(shí)，可采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土套等加固”。因此，本辦公樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土套加固，即增大截面法中的四周外包法加固。

3.2 加固設(shè)計(jì)

擬將該辦公樓1～5層框架柱增大至600mm×600mm，加固后的結(jié)構(gòu)體系仍為框架結(jié)構(gòu)形式。平面布置見(jiàn)圖5。

3.3 加固驗(yàn)算

圖5 加固布置圖

采用建研院編寫(xiě)的PKPM 系列程序中的混凝土結(jié)構(gòu)鑒定加固－8層有限元程序計(jì)算得加固后結(jié)構(gòu)的樓層抗震能力指數(shù)，具體數(shù)值見(jiàn)表3與表4。

表3 X 方向上樓層抗震能力指數(shù)

表4 Y 方向上樓層抗震能力指數(shù)

4 結(jié)論

1）增大截面法加固能提高框架柱各項(xiàng)性能，包括軸壓比，抗剪承載力和抗彎承載力等參數(shù)，而且施工容易，經(jīng)濟(jì)適用。當(dāng)增大截面法對(duì)空間有要求，而且在施工過(guò)程中需要注意新舊結(jié)構(gòu)連接的處理。包括保證新舊混凝土的結(jié)合，新增鋼筋的錨固，梁柱交接處箍筋鉆孔對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響。

2）本工程加固前后平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)對(duì)比見(jiàn)表5。根據(jù)加固前后平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)的對(duì)比表格可知，因?yàn)閄方向在加固之前抗震能力指數(shù)僅有第一層不滿足要求，故X方向抗震能力較好，故X方向的樓層綜合抗震能力指數(shù)增長(zhǎng)幅度平緩，最小也達(dá)到18%而最大達(dá)到49%。而Y方向在加固前1～5層樓層綜合抗震能力指數(shù)大多數(shù)不足，只有第四層剛好滿足要求，說(shuō)明Y方向抗震能力薄弱，采用增大截面法加固之后，Y方向的樓層綜合抗震能力指數(shù)增長(zhǎng)幅度明顯，最小達(dá)到78%而最大達(dá)到196%。由此說(shuō)明增大截面法對(duì)本工程中薄弱柱確實(shí)有較好的加固效果。

表5 加固前后平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)對(duì)比

［1］羅凌霄.淺談鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的事項(xiàng)＿汶川地震建筑震害啟示［J］.建筑科學(xué)，2009（2）：101－101.

［2］譚皓，李杰，張電吉，等.玉樹(shù)地震災(zāi)區(qū)底框磚混結(jié)構(gòu)建筑的震害調(diào)查［J］.浙江建筑，2011，28（1）：20－23.

［3］趙宏強(qiáng)，趙來(lái)順，王麗梅.加大截面法加固混凝土構(gòu)件的動(dòng)力性能試驗(yàn)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2009，23（5）：76－79.

［4］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ 101－96 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB 50023－2009 建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［6］中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JGJ 116－2009 建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［7］馮麗娜.多層框架結(jié)構(gòu)抗震加固效應(yīng)的綜合分析與評(píng)價(jià)［D］.西安：西安建筑科技大學(xué).