某框架-抗震墻結(jié)構(gòu)加固改造分析

趙 城

(北京聯(lián)合大學(xué)，北京100101)

1 工程概況

某醫(yī)療急救中心項(xiàng)目建于2006年，框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，地下3層，地上10層，局部11層。層高為地下3層3.9 m，地下1，2層4.3 m，地上1層6.0 m，2～4層4.4 m，5層以上3.9 m，總高度46.20 m，局部塔頂高48.85 m，總建筑面積15788 m2。建筑平面如圖1，2所示。

圖1 地下結(jié)構(gòu)平面

由于縣級(jí)及以上急救中心的重要性，本建筑的抗震設(shè)防類別應(yīng)為重點(diǎn)設(shè)防類，而原設(shè)計(jì)將該建筑抗震設(shè)防類別劃定為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，應(yīng)將現(xiàn)有建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別提高至重點(diǎn)設(shè)防類別。另外，因功能需要，業(yè)主提出對(duì)該建筑進(jìn)行改造，將原有的天井進(jìn)行封堵改造(見圖3)，改變了建筑的使用功能。為保證結(jié)構(gòu)安全和改造方案可行，受業(yè)主委托，權(quán)威技術(shù)部門對(duì)該建筑進(jìn)行了抗震鑒定，并在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算分析，合理控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和位移，提出優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體加固設(shè)計(jì)方案。

圖2 地上結(jié)構(gòu)平面

圖3 天井封堵平面

2 抗震鑒定

利用PKPM-SATWE結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模和計(jì)算分析，同時(shí)結(jié)合該建筑的外觀質(zhì)量及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等，得出如下鑒定結(jié)論。

1)外觀質(zhì)量基本滿足要求。

2)構(gòu)造措施 地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時(shí)，柱側(cè)配置鋼筋不滿足規(guī)范要求；部分框架梁箍筋直徑不滿足規(guī)范要求；部分框架柱的軸壓比偏大，框架柱箍筋肢距較大，不滿足規(guī)范要求。

3)結(jié)構(gòu)抗震承載力驗(yàn)算 部分抗震墻、框架柱和框架梁抗震承載力，以及部分框架柱的軸壓比不滿足規(guī)范相關(guān)要求。

4)變形驗(yàn)算 樓層扭轉(zhuǎn)比最大為1.43，扭轉(zhuǎn)較嚴(yán)重。

3 加固方案分析

結(jié)構(gòu)由原來標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類別提高至重點(diǎn)設(shè)防類別，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震承載力不足，可采用增大截面、外包角鋼和粘貼碳纖維等常規(guī)的加固方法對(duì)相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行加固。但該建筑較主要的問題是結(jié)構(gòu)平面剛度分布不均，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重，應(yīng)重點(diǎn)解決，而調(diào)整結(jié)構(gòu)抗震墻的分布是解決結(jié)構(gòu)平面剛度分布不均的有效途徑。調(diào)整思路應(yīng)從以下方面考慮。

1)從結(jié)構(gòu)周期角度判斷結(jié)構(gòu)剛度合理性

結(jié)構(gòu)剛度越大周期越小，周期大小與剛度的平方根成反比，與結(jié)構(gòu)質(zhì)量的平方根成正比?？蚣?抗震墻結(jié)構(gòu)的單位面積重力荷載代表值為13～15 kN/m2。

按正常設(shè)計(jì)，非耦聯(lián)計(jì)算地震作用時(shí)，框架-抗震墻結(jié)構(gòu)周期大致在以下范圍:T1=(0.08～0.12)N，式中，N為結(jié)構(gòu)計(jì)算層數(shù)。如果周期偏離上述數(shù)值太大，應(yīng)重新考慮結(jié)構(gòu)剛度的調(diào)整。

2)從結(jié)構(gòu)位移角度判斷結(jié)構(gòu)剛度合理性

結(jié)構(gòu)的層間位移角與結(jié)構(gòu)整體剛度相關(guān)，計(jì)算的層間位移角越小，結(jié)構(gòu)總體剛度越大，反之亦然。結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角應(yīng)滿足GB50011—2010(2016版)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.5.1條的要求。同時(shí)，通過樓層的位移比控制剛度均勻性。

3)抗震墻數(shù)量合理性確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)鉸接框架-抗震墻結(jié)構(gòu)剛度特征值λ=1.0～2.5時(shí)，結(jié)構(gòu)中的框架和抗震墻的剛度比較均勻匹配，整體結(jié)構(gòu)受力比較合理均勻。λ計(jì)算公式為:

式中，H為結(jié)構(gòu)計(jì)算總高度；C為各層框架平均抗推剛度；E I為抗震墻總剛度。

根據(jù)以上原則，通過采用對(duì)現(xiàn)有抗震墻進(jìn)行增厚、開洞和新增抗震墻等方法，調(diào)整結(jié)構(gòu)平面剛度分布，以減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)整體受力更合理，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

通過表1分析可知，原結(jié)構(gòu)單位面積重力荷載代表值偏大，x方向結(jié)構(gòu)剛度特征值λ為1.19，抗震墻數(shù)量合理，最大層間位移比為1.14，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分布均勻；y方向結(jié)構(gòu)剛度特征值λ為1.01，抗震墻數(shù)量合理，抗震墻對(duì)結(jié)構(gòu)影響大，最大層間位移比為1.43，結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分布嚴(yán)重不均，故應(yīng)適當(dāng)增加結(jié)構(gòu)y方向的抗側(cè)剛度，調(diào)整其平面分布，使其均勻。改造時(shí)按y向適量新增抗震墻和對(duì)現(xiàn)有部分墻體加厚并部分墻體開洞2種方案分別進(jìn)行建模，通過比較，第2種方案加固量少和結(jié)構(gòu)難度較小，故本次結(jié)構(gòu)改造采用部分墻體開洞方案。

表1 原結(jié)構(gòu)和改造方案計(jì)算結(jié)果

4 抗震加固設(shè)計(jì)

根據(jù)竣工圖紙和現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)論，針對(duì)存在的問題，通過分析，本次設(shè)計(jì)采取如下加固處理措施。

1)對(duì)計(jì)算中軸壓比和承載力不滿足要求的框架柱，采用增大截面(現(xiàn)澆鋼筋混凝土圍套)法進(jìn)行加固。

2)對(duì)軸壓比滿足而縱向鋼筋不滿足要求的框架柱，采用外包角鋼套的方法進(jìn)行加固處理。

3)對(duì)箍筋不滿足構(gòu)造要求的框架柱，采用粘貼碳纖維布或鋼板箍的方法進(jìn)行加固。

4)對(duì)抗震承載力不滿足要求的框架梁，采用外包角鋼套的方法進(jìn)行加固處理。

5)對(duì)抗震承載力不滿足要求的抗震墻，采用增大截面法進(jìn)行加固。

6)針對(duì)原結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)嚴(yán)重的問題，采用對(duì)原結(jié)構(gòu)部分抗震墻進(jìn)行增大截面(增厚)和部分抗震墻開洞的方法調(diào)整結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的分布，使結(jié)構(gòu)更加合理。

采用本改造方案前，業(yè)主委托另一家設(shè)計(jì)單位對(duì)結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)，施工預(yù)算約1450萬元。由于原加固改造方案未考慮抗震設(shè)防類別的變化且投資較大，所以業(yè)主采用本結(jié)構(gòu)改造方案，現(xiàn)已經(jīng)順利實(shí)施，施工預(yù)算約600萬元，為業(yè)主節(jié)省投入850萬元，且加固量小，安全性高，受到業(yè)主好評(píng)。

5 結(jié)語

通過本次結(jié)構(gòu)改造，從結(jié)構(gòu)周期、結(jié)構(gòu)位移和結(jié)構(gòu)剛度特征值的原則控制框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的整體特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)改造方案，既能使結(jié)構(gòu)更合理，又為業(yè)主節(jié)省了投資。