某教學(xué)樓變更使用功能結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

溫興宇 任文娟

【摘 要】對既有鋼筋混凝土建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計一般需要考慮原結(jié)構(gòu)設(shè)計參照的規(guī)范與現(xiàn)行規(guī)范的區(qū)別，由于早期建筑參照的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求較低，且采用強(qiáng)度更低的材料，一般情況下原結(jié)構(gòu)抗震性能極易不滿足當(dāng)前要求。通過相應(yīng)的抗震性能設(shè)計與加固軟件分析計算，同時結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》制定合理的加固措施，可以較好的完成加固設(shè)計任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】抗震鑒定；PKPM；結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

中圖分類號： TU398.2；TU352.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0168-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.077

【Abstract】The structural reinforcement design for existing reinforced concrete buildings needs to consider the difference of standard specification between the older and current.As the standard specifications of the early building reference are lower，and the materials with lower strength are used，the original structure is generally not satisfied with the current requirements.Reinforcement design will be realized by the seismic performance design、reinforcement software analysis and the suitable reinforcement measures from "Code for Design of Strengthening Concrete Structure".

【Key words】Buildings seismic identification；PKPM；Structural reinforcement design

0 引言

我國建筑行業(yè)伴隨著改革開放，經(jīng)歷了高速發(fā)展的20年，建筑設(shè)計施工規(guī)范從借鑒國外到自我創(chuàng)新發(fā)展，設(shè)計建造技術(shù)與手段也日新月異，不同時期的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)差別較大。由于開放之初，建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的不完善，當(dāng)前很多早期設(shè)計、建設(shè)的建筑都已進(jìn)入老齡階段，再加上新的抗震規(guī)范對不同區(qū)域設(shè)防烈度的更新調(diào)整與具體的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求的變化，故對這些大量存在于地震作用區(qū)域內(nèi)且年限較長的房屋進(jìn)行使用年限延長、二次裝修或使用功能更改的時候應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的抗震鑒定與結(jié)構(gòu)加固設(shè)計。

國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367-2013）針對量大面廣的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)推薦的加固做法主要有：增大截面加固法、置換混凝土加固法、外包型鋼加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法等[1]。加固設(shè)計時具體的做法可根據(jù)加固建筑或構(gòu)件類別、實際建模計算、施工工藝來具體選擇。下文以某教學(xué)變更使用功能介紹PKPM結(jié)構(gòu)加固分析設(shè)計。

1 某教學(xué)樓結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

該教學(xué)樓設(shè)計于1985年，次年建成投入使用，建筑結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆框架與預(yù)應(yīng)力空心樓板組合形式，建筑占地面積約910平，建筑結(jié)構(gòu)高度21米，共五層?，F(xiàn)由于學(xué)?？傮w規(guī)劃要求，需改變其使用功能，由原來的教學(xué)樓更改為辦公樓，并在樓頂搭設(shè)輕鋼屋面增加活動休息區(qū)域。

1.1 結(jié)構(gòu)安全和抗震性能鑒定

加固初期，受甲方委托對該建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全和抗震性能鑒定（第一級鑒定、部分第二級鑒定）[2]。鑒定結(jié)果表明：該建筑主體結(jié)構(gòu)在尺寸、鋼筋配置與強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度方面均滿足原始圖紙要求，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且未見明顯變形、裂縫等缺陷。按照建筑設(shè)計荷載與現(xiàn)行設(shè)計要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全與抗震性能驗算（PKPM建模計算）發(fā)現(xiàn)該建筑個別部位存在抗震構(gòu)造措施不滿足要求的情況。

1.2 變更前后結(jié)構(gòu)分析計算對比

甲方要求該建筑在加固之后能使用不少于20年，參照現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023-2009）第1.0.4條、1.0.5條：在80年代建造的現(xiàn)有建筑，后續(xù)使用年限宜采用40年或更長，且不得少于30年。該建筑可認(rèn)定為B類建筑（后續(xù)使用年限40年）且滿足甲方要求。通過對該建筑原始竣工圖紙分析，結(jié)合結(jié)構(gòu)抗震性能鑒定報告，采用中國建科院軟件PKPM（2010 V3.1版）常規(guī)結(jié)構(gòu)分析SATWE模塊進(jìn)行分析。

按照甲方提供的建筑平面，建立6層擬改造的最終建筑模型，驗算條件如下：（1）地震作用：抗震設(shè)防烈度7度（0.1g），地震分組二組，場地類別Ⅲ類，抗震設(shè)防類別丙類，框架抗震等級三級；（2）原有結(jié)構(gòu)：原構(gòu)件按照原始圖紙尺寸輸入，考慮預(yù)制板及原有做法樓面恒荷載取6.3KN/m2，衛(wèi)生間采用現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，樓面恒荷載取5KN/m2，雙跑樓梯恒荷載取8KN/m2；（3）活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：考慮建筑以后可能會多次二次裝修，樓面活荷載取2.5KN/m2；樓梯間活荷載取3.5KN/m2；（4）材料強(qiáng)度：原有部分混凝土強(qiáng)度按照圖紙取用C20，主受力鋼筋采用HRB335級別，新建部分混凝土強(qiáng)度取C30，主受力鋼筋采用HRB400級別；（5）屋面可能在二次裝修時搭設(shè)局部加層（豎向結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土、屋面為輕鋼結(jié)構(gòu)），按照甲方提供屋面布置圖，建立一層鋼筋混凝土層，恒荷載取4.8KN/m2，活荷載取0.5KN/m2；（6）已有樓板的模型建立：按照原預(yù)應(yīng)力混凝土多孔板的實際傳力狀況，將其建立為單向板參與整體分析。

PKPM-SATWE計算結(jié)果顯示：（1）結(jié)構(gòu)周期、最大層間位移角等重點參數(shù)均滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求；（2）底層與第二層，近半數(shù)梁柱節(jié)點出項節(jié)點域剪壓比超限，這是因為原結(jié)構(gòu)設(shè)計采用C20混凝土，加上節(jié)點抗剪鋼筋布置不足，導(dǎo)致在現(xiàn)行抗震設(shè)防驗算體系下出現(xiàn)節(jié)點抗剪不足。此外，雖然在頂層增加了一層，但是底層柱子仍舊沒有出現(xiàn)軸壓比超限的現(xiàn)象，表明原結(jié)構(gòu)設(shè)計圖紙在柱子設(shè)計上留有較大的余量。（3）對比原結(jié)構(gòu)施工圖與新建模型輸出的計算結(jié)果，顯示底層大部分柱子縱筋、加密區(qū)箍筋配置不足；底部三層中，部分主梁出現(xiàn)靠節(jié)點部位負(fù)筋配置不足，個別主梁兩端箍筋加密區(qū)配筋不足。以上均需要做進(jìn)一步加固處理。

1.3 結(jié)構(gòu)加固分析計算與設(shè)計

本階段采用混凝土結(jié)構(gòu)加固JDJG模塊進(jìn)行加固分析。針對上述SATWE分析結(jié)果顯示節(jié)點域剪壓比超限的情況，在模型中添加若干剪力墻，主要集中在四周對稱位置和衛(wèi)生間等位置，用于分擔(dān)框架地震剪力作用，此時結(jié)構(gòu)形式變?yōu)榭蚣艚Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

針對底層大部分柱子縱筋、加密區(qū)箍筋配置不足，已有梁存在問題主要底部三層，部分主梁出現(xiàn)靠節(jié)點部位負(fù)筋配置不足，個別兩端箍筋加密區(qū)配筋不足的情況，考慮采用外包角鋼加固的方法，通過在主梁、柱子四角粘貼角鋼，并配套綴板與角鋼焊接，在靠近節(jié)點部位將綴板替換為更寬的加強(qiáng)箍板與角鋼焊接。構(gòu)造上來講：外包角鋼的厚度不應(yīng)小于5mm，角鋼的邊長，對梁不應(yīng)小于50mm，對柱不應(yīng)小于75mm?，F(xiàn)對底部兩層現(xiàn)有柱子全數(shù)采用外貼角鋼加固（角鋼型號L80×5），對3、4層部分實際配筋與新建模型差別較大的柱子采用L75×5進(jìn)行加固；對需要加固的梁采用角鋼型號L75×5，并設(shè)置上部扁鋼與對穿螺栓連接，加固局部如圖1。

在模型中輸入原結(jié)構(gòu)施工圖配筋，并對需要加固的梁、柱子增加外包角鋼選項，采用JDJG加固模塊進(jìn)行分析，計算結(jié)果顯示：（1）新加角鋼能有效改善柱軸壓比，柱子軸壓比減??；（2）節(jié)點域剪壓比超限全數(shù)改善；（3）柱子、梁存在的縱筋、箍筋計算值小于原結(jié)構(gòu)施工圖配筋數(shù)值，能滿足當(dāng)前使用。

對于結(jié)構(gòu)的預(yù)制板的分析：查詢原結(jié)構(gòu)施工總說明，可知其采用《預(yù)應(yīng)力混凝土多孔板圖集》（G212）中指定預(yù)制板類型，同時原設(shè)計荷載參照《工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（TJ 9-1974）選取荷載：原使用功能為教室時樓面均布活載取為200kg/m2，與當(dāng)前荷載規(guī)范中辦公樓樓面均布活載2KN/m2一致，能滿足現(xiàn)階段使用，故可不予以加固。

2 結(jié)論

對既有鋼筋混凝土建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計一般需要考慮原結(jié)構(gòu)設(shè)計參照的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范與現(xiàn)行的區(qū)別。由于早期建筑采用強(qiáng)度更低的材料，且參照的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求較低，對其進(jìn)行抗震鑒定與加固分析時常出現(xiàn)以下問題：（1）結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防不滿當(dāng)前規(guī)范要求，如底層柱軸壓比超限、結(jié)構(gòu)層間位移超限、梁柱節(jié)點域剪壓比超限等；（2）主體結(jié)構(gòu)受力鋼筋配置不足，如梁柱縱筋、箍筋加密區(qū)配筋不足；（3）抗震構(gòu)造措施不滿足要求的情況，如最小配箍率、最小箍筋直徑、保護(hù)層厚度等。

針對以上問題通過相應(yīng)的抗震性能設(shè)計，如新增剪力墻，同時結(jié)合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》選擇合理的加固措施，再結(jié)合加固軟件分析計算，可以較好的完成加固設(shè)計任務(wù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范（GB 50367-2013）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[2]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)（GB50023-2009）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB50011-2010）[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.