既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震鑒定與加固性能分析

崔建舉（中鐵建設(shè)集團有限公司，山東 青島 266000）

我國城鎮(zhèn)化率從2000 年的36.20%增加到2022 年的65.22%，使得大量的居住建筑、公共建筑和商業(yè)建筑等得以修建，既有建筑面積達(dá)到436億m2[1]。但未來城市化率將放緩，到2030 年我國的城鎮(zhèn)化水平將達(dá)到70%，這就使得我國建筑行業(yè)進(jìn)入新建和維護(hù)加固并重的階段。特別是在我國“碳中和、碳達(dá)峰”背景下，存量建筑拆除顯得尤為不現(xiàn)實，改造加固和合理利用是未來發(fā)展的重要方向之一[2-3]。

既有建筑受到修建時期建筑技術(shù)水平、經(jīng)濟水平及建筑規(guī)范的約束，并經(jīng)過長期的使用，存在抗震設(shè)防不達(dá)標(biāo)或者設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不高等問題，導(dǎo)致建筑物的抗震能力差，有待進(jìn)一步評估和加固，以滿足現(xiàn)行階段的抗震設(shè)計要求，并延長建筑物的服役年限[4]。本文以山東省青島市某多層框架混凝土結(jié)構(gòu)為研究對象，提出新增剪力墻的加固方案，運用數(shù)值模擬方法研究了建筑結(jié)構(gòu)加固前后的反應(yīng)譜參數(shù)，對比加固前后結(jié)構(gòu)的剛度和變形性能，研究成果可應(yīng)用于既有建筑的抗震設(shè)計和加固改造。

1 工程概況

山東省青島市某多層框架混凝土結(jié)構(gòu)科研建筑修建于2010年，后續(xù)使用年限37年（按B類，適用后續(xù)使用年限40年建筑取值），建筑總面積為3750m2，建筑總高度為15.6m，結(jié)構(gòu)層數(shù)為4 層，主體結(jié)構(gòu)層層高均為3.9m。如圖1 所示，建筑呈東西走向，平面布置大致呈矩形分布，框架柱沿著軸線均勻布置，橫向柱間距為6m，共分為12 軸，縱向柱間距為7.8m，共分為4 軸。建筑3 層～4 層結(jié)構(gòu)在①軸～⑧軸存在結(jié)構(gòu)挑出，并將其用3根圓柱形鋼筋混凝土柱進(jìn)行支撐。

圖1 建筑結(jié)構(gòu)平面布置圖

結(jié)構(gòu)安全等級為二級，抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為7 度，框架抗震等級為三級，框架結(jié)構(gòu)（梁體、柱體、墻體、樓板和樓梯）采用C35 混凝土現(xiàn)澆而成，方形柱體尺寸為400mm×400mm，圓形柱體直徑為400mm，所有梁體居中或與柱邊對齊，主梁尺寸為300mm×550mm，次梁尺寸為150mm×300mm，墻體厚度為300mm，樓板厚度為100mm；梁體、柱體的鋼筋保護(hù)層厚度為30mm，板體、墻體和樓梯的鋼筋保護(hù)層厚度為20mm。采用柱下獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)持力層為③黏土層，場地類別為II 類，地震剪切波速度約為200m/s，場地設(shè)計地震分組為第一組，設(shè)計基本地震加速度為0.05g，場區(qū)各地基土的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 場區(qū)地基土工程地質(zhì)參數(shù)

2 既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固方案設(shè)計

為了增加科研大樓的可用空間、增強科研能力和基礎(chǔ)設(shè)施、優(yōu)化科研環(huán)境，業(yè)主方計劃按照結(jié)構(gòu)3 層、4層的結(jié)構(gòu)形式，對既有的科研大樓進(jìn)行加層，加層數(shù)量為2層。為了匹配加層后的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，在評估既有建筑物的抗震性能和不改變原有結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)剪力墻結(jié)構(gòu)的方式吸收地震作用，增強結(jié)構(gòu)的抗水平作用能力和結(jié)構(gòu)剛度，提高原有框架結(jié)構(gòu)的抗震能力[5-6]。

增設(shè)的抗震剪力墻厚度為200mm，采用C35 混凝土現(xiàn)澆而成。剪力墻設(shè)置在框架柱之間，與框架柱和梁的接觸面按照施工要求鑿毛和清潔處理，剪力墻盡量不開設(shè)洞口，剪力墻采用雙排鋼筋，主鋼筋直徑為10mm，鋼筋間距為200mm，鋼筋等級為HRB400，雙排鋼筋之間的拉筋直徑為8mm，間距為500mm，鋼筋等級為HRB400。剪力墻與既有框架梁和框架柱的連接采用外包方式進(jìn)行連接，其具體的外包方式是將剪力墻的豎向和橫向鋼筋植入既有框架梁和框架柱，并在建筑框架梁和框架柱的側(cè)面纏繞鋼筋錨入剪力墻內(nèi)，形成梁體加腋和柱圍套結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 新增剪力墻與既有框架梁和既有框架柱的連接方式

新增剪力墻的部位按照結(jié)構(gòu)位置依次為②軸處C軸-D軸剪力墻、④軸處C軸-D軸剪力墻、⑥軸處C軸-D軸剪力墻、⑨軸處C軸-D軸剪力墻、?軸處C軸-D軸剪力墻、?軸處A軸-B軸剪力墻、⑨軸處A軸-B軸剪力墻。

3 既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固前后抗震性能對比分析

3.1 既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固前后分析模型的建立

為了研究科研大樓采用新增剪力墻加固的抗震性能，借助PKPM 軟件建立三維仿真分析模型，研究加固前后結(jié)構(gòu)的地震動響應(yīng)，建立的既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固前后三維模型如圖3所示。在計算時，C35混凝土密度取2.5g/cm3，彈性模量為2.06×104MPa，泊松比為0.25，結(jié)構(gòu)的破壞準(zhǔn)則符合彈性本構(gòu)[7]。

圖3 加固前后既有多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的三維仿真分析模型

3.2 既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固前后反應(yīng)譜分析

圖4 為加固前后建筑物的既有多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜計算結(jié)果對比。結(jié)構(gòu)的振動周期是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)自身固有特性的反映，結(jié)構(gòu)振動周期越大，表明結(jié)構(gòu)在地震作用下容易產(chǎn)生共振，因此其受到地震作用的損害也越大[8]。從圖4（a）中可以看出，隨著樓層的增加，加固前后樓層結(jié)構(gòu)的振動周期呈現(xiàn)一致的變化趨勢，在底層振動周期最大，隨著高度增加逐步減小，且振動周期從第3層到第4層時，結(jié)構(gòu)的振動周期出現(xiàn)陡降；結(jié)構(gòu)加固后振動周期比加固前顯著減低，第1層～第4 層的振動周期降幅分別為28%、26%、36%和29%，由此說明加固后建筑結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度增加。

圖4 加固前后既有多層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜分析

結(jié)構(gòu)層間位移角和最大層間位移是反映結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，也可以描述多層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不同高度的結(jié)構(gòu)體系有不同的層間位移角和最大層間位移限值[9]。當(dāng)層間位移角越大，多層結(jié)構(gòu)的扭曲越厲害，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也越差，反之，則越好；結(jié)構(gòu)層間最大位移也有相同的規(guī)律。從圖4（b）中可以看出，隨著樓層的增加，建筑結(jié)構(gòu)X向和Y向的層間位移角呈現(xiàn)相同的規(guī)律，結(jié)構(gòu)的層間位移角均不斷減小，且層間位移角從第3層到第4 層時，結(jié)構(gòu)的層間位移角出現(xiàn)陡降；結(jié)構(gòu)加固后層間位移角比加固前顯著減低，第1層～第4層的X向?qū)娱g位移角降幅分別為25%、18%、19%和17%，Y向?qū)娱g位移角降幅分別為40%、37%、33%和32%，由此說明加固后建筑結(jié)構(gòu)的地震作用下抗變形能力增加；加固前，建筑結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角明顯大于X向，且Y向?qū)娱g位移角在第1層和第2層已超過規(guī)范限值，經(jīng)過加固后，X向和Y向?qū)娱g位移角接近，且遠(yuǎn)小于加固前層間位移角。

從圖4（c）中可以看出，隨著樓層的增加，建筑結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大層間位移呈現(xiàn)相同的規(guī)律，結(jié)構(gòu)的最大層間位移均不斷減小，且最大層間位移從第1層到第2 層時，結(jié)構(gòu)的最大層間位移出現(xiàn)陡降；結(jié)構(gòu)加固后最大層間位移比加固前顯著減低，第1 層～第4 層的X 向最大層間位移降幅分別為25%、18%、20%和17%，Y向?qū)娱g位移角降幅分別為40%、37%、34%和33%，由此說明加固后建筑結(jié)構(gòu)的地震作用下抗變形能力增加；加固前，建筑結(jié)構(gòu)Y 向最大層間位移明顯大于X 向，且Y向最大層間位移在第1層和第2層已超過規(guī)范限值，經(jīng)過加固后，X 向和Y 向最大層間位移接近，且遠(yuǎn)小于加固前最大層間位移。

4 結(jié)語

以山東省青島市某多層框架混凝土結(jié)構(gòu)為研究對象，提出新增剪力墻的加固方案，運用數(shù)值模擬的方法研究了建筑結(jié)構(gòu)加固前后的反應(yīng)譜參數(shù)，得到以下幾個結(jié)論：

（1）加固前后樓層結(jié)構(gòu)的振動周期均隨著高度增加逐步減小，且振動周期從第3 層到第4 層時，結(jié)構(gòu)的振動周期出現(xiàn)陡降；結(jié)構(gòu)加固后振動周期比加固前顯著減低，說明加固后建筑結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度增加。

（2）建筑結(jié)構(gòu)X向和Y向的層間位移角均隨著樓層的增加不斷減小，且層間位移角從第3 層到第4 層時，結(jié)構(gòu)的層間位移角出現(xiàn)陡降；加固前，建筑結(jié)構(gòu)Y向?qū)娱g位移角明顯大于X向，且Y向?qū)娱g位移角在第1層和第2 層已超過規(guī)范限值，經(jīng)過加固后，X 向和Y 向?qū)娱g位移角接近，且遠(yuǎn)小于加固前層間位移角。

（3）建筑結(jié)構(gòu)X向和Y向的最大層間位移呈現(xiàn)相同的規(guī)律，隨著樓層的增加，結(jié)構(gòu)的最大層間位移不斷減小，且最大層間位移從第1 層到第2 層時，結(jié)構(gòu)的最大層間位移出現(xiàn)陡降；加固前，建筑結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移明顯大于X 向，且Y 向最大層間位移在第1 層和第2層已超過規(guī)范限值，經(jīng)過加固后，X 向和Y 向最大層間位移接近，且遠(yuǎn)小于加固前最大層間位移。