结合工程实例探析建筑抗震加固设计

结合工程 实例探析建筑 抗震加固设计 刘春枝 张福升安丘市规 划建筑设计院 山东 安丘 262100摘 要：我国 现存的既有建筑 还很多，为保证 这些既有建筑物 的使用安全，保 护人民生命财产是 我们结构设计人 员的责任与义务 。 在现实中 ， 有许多的 既有建筑还将被 使用 。 但需要根据新 的使用功能或抗 震设防的要求， 对其进行抗震改 造加固。通过几 个工程实例 ,阐述现有建筑 在改造中有关结 构抗震加固的一 些设想和做法 ， 在不同的 条件下应用不同 的结构加固方法进 行结构补强，以 满足后续使用年 限内使用功能的 实现 ,保证建筑 物的安全。关键词： 现有建筑；结构 加固；设计。Abstract： thepresentexistingbuildingsarealsomany, inordertoensurethesafeuseoftheexistingbuilding, protectpeopleslivesandpropertyistheresponsibilityandobligationtoourengineers.Inreality, therearemanyexistingbuildingswill beused.Butaccordingtotherequirement ofnewfunctionsortherequirementsofseismicfortification,seismicreinforcement onthe.Throughseveral engineeringexamples,expoundssomeideasandpracticesaboutthestructureoftheexistingbuildingsinearthquakereconstructionofreinforcement,theapplicationofdifferentstructureunderdifferentconditionsofstrengtheningmethodsof structurereinforcement, inordertomeet theusefunctionofsubsequentuseperiod,guaranteethesafetyofthebuilding.keyword： theexistingbuildingstructurereinforcement;design.中图分类 号： TU21引言这其中包 括 ： 建筑使用 功能的改变 、 大修改造 、 抗震设防 类别的提高 、 抗震设防 烈度的提高 、原先未考 虑抗震设防的房 屋及接近设计年 限的房屋等。现 有建筑系指除古 建筑、危险建筑 、新建建筑 以外 ， 迄今仍在 使用的既有建筑 。 即现有建 筑只是既有建筑 的一部分 。 本文只针 对现有建筑 而言。2现有建筑 的鉴定 现有建筑 改造以前 ， 应进行可 靠性鉴定和抗震 鉴定 。 民用建筑 在使用过程中 ， 不仅需要经常性的 管理与维护 ， 而且经过 若干年后 ， 还需要及 时修缮 ， 才能全面 完成其设计所赋 予的功能 。 与此同时 ， 还有为数 不少的民用建筑 应设计 、 施工 、 使用不当 而需加固 ， 或应用途 变更而需要 改造 ， 或应使用 环境变化而需处 理等等 。 要做好这 些工作 ， 首先必须 对建筑物在安全性 、 实用性和 耐久性方面存在 的问题有全面的 了解 ， 才能做出 安全 、 合理 、 经济 、 可行的方案 ， 结构可靠 性鉴定所提供的 就是对这些问题 的正确评价 。 所以现有 建筑在改造前应 根据我国现行 国家标准民用 建筑可靠性鉴定 标准的规定， 进行可靠性鉴定 。3现有建筑 的设防标准 现有建筑 的抗震设防标准 取决于抗震设防 烈度和抗震设防 分类的设防尺度 ， 根据我国 现行国家标 准 建筑工程 抗震设防分类标 准 （ GB50223） 的规定 ， 现有建筑 的抗震设防类别 同样划分为 ：标准设防类、 重点设防类、特 殊设防类和适度 设防类。4现有建筑 的加固目标 1)抗震加固 的目标是使现有 建筑做到抗震安 全 、 经济 、 合理 、 有效和实 用 。 其中 ， 抗震安全是指 加固的现有建筑 在预期的后续使 用年限内能够达 到不低于其抗震 鉴定的设防目标 。2)现有建筑 的抗震设计取决 于结构的后续使 用年限的长短 、 建筑设防 类别的不同 、 抗震设防烈度 的高低 、 房屋结构 类型的不同 、 重点部位 与一般部位的区 别 、 整体影响 与局部影响的区别、 房屋所处环境的 差异。5现有建筑 常用的加固方法 1)增设抗震 墙结构2)钢筋混凝 土套加固3)钢构套加 固4)钢绞线网 -聚合物砂 浆面层加固5)粘贴钢板 结构6)粘贴碳纤 维加固7)增设抗震 支撑加固6现有建筑 加固的分类到目前为 止，将现有建筑 抗震鉴定和加固 的后续使用年限 分为 30a、 40a、 50a三个档次，分别 为 A、 B、 C类，符合 我国的国情，并 符合现有建筑的 特点。抗震加固 鉴定标准和加固设计 就是依据这一分 类而进行的。7工程应用 实例7.1实例 17.1.1工程概况某建筑物 由主体塔楼和裙 房两部分组成 (见图 1)。主楼： 地下 3层，地上 24层。结构体系为 现浇钢筋混凝土 框架 -核心筒结 构，基础为：筏 板基础；主楼高 度为 92.7m，目前的使用 功能为 ： 办公建筑 。 裙房 ： 地下 2层 、 地上 4层 。 结构体系 为现浇钢筋混凝 土框架 -剪力墙结 构，基础为：独 立柱基加抗水板 。裙房部分高度 为 22.5m。目前的 使用功能为 ： 商业建筑 。 设计于 1998年 ， 2000年投入使 用 。 现已使用 将近 12年 。 设计是按 照 89版系列规 范进行。根据业主 的要求 ： 本工程进 行室内装修改造 。 改造后的 使用功能为 ： 办公 、 实验室及 其配套功能 。改造的范围： 地下 12层，地上 117层，总建 筑面积为： 40536.2m2改造部分 的建筑面积 32684m2。 18层以上本 次不进行改造 ， 原则上仍 进行使用 。 经与业主协商本工 程结构后续使用 年限为： 40a；按 B类建筑进 行鉴定与设计。7.1.2检测与鉴 定为了解该 楼建筑结构 、 中间改造 过程及现状 ， 确保主体 结构安全使用 ， 委托有资 质的鉴定单位对 该楼进行了结构 现状的检测与安 全性（含抗震） 鉴定。鉴定结论 如下：1)结构布置 检查该建筑的 结构布置合理， 符合设计要求。2)地基基础 等级评估经现场检 查，评定该楼地 基变形为 Au级。Au级 安全性符 合 民用建筑 可靠性鉴定标准 (GB50292 1999)对 Au级的要求 ，具有足够 的承载能力。3)结构耐久 性分析评估经现场检 查，钢筋锈蚀情 况、混凝土碳化 值均未发现严重 影响结构耐久性 的情况。4）结构可 靠性（包括安全 性及正常使用性 ）评定评定该楼 现况结构安全性 等级评为 Csu级，应对 该楼安全性进行 处理。5）结构抗 震性分析（ 1） 该楼抗震 措施基本满足 建筑抗震鉴定标 准 (GB50023 2009)中 B类建筑（ 后续使用 40a）的规定 。（ 2）该楼在 地震力及风荷载 用下结构变形满 足标准要求。7.1.3结构改动该建筑物 由于装修改造和 机电专业的需要 ，涉及结构专业 进行改动的内容 。1） 楼板开洞 （见图 2） ；2）剪力墙 开洞（裙房部位 ） ；3）原有个 别结构楼板的封 堵；4）首层活 荷载增加 ； （主要是 裙房部分 ） ；5） 第 9层 将 原 先 的 办 公 使 用 性 质 变 为 设 备 层 ， 相 应 的 活 荷 载 为 5.0kN/m2(原 设 计2.5kN/m2)；6)5层增层（ 裙房屋面增加房 子 ） ；7)4层原冷却 塔处增层；8)原有个别 楼板整个板块凿 掉、开洞。7.1.4结构计算计算选用 建研院 PKPM系列中 JDJG建筑抗震 签定和加固设计 软件 ； 按 B类建筑 （ 按照 89系列版规 范 ） 计算 ， 该楼在地 震力及风荷载用 下结构变形满足 标准要求 。 其结果如 下（见表 1、表 2） 。各层框架 梁 、 悬挑梁 、 楼板 、 墙体均有 较多构件出现配 筋不足的情况 ， 1724层均有部分柱出现 配筋不足的情况 。不满足现在计 算的结果；特别 是转换层以上周 边柱及剪力墙。7.1.5结构加固 设计业主要求 ： 进行结构 加固时 ， 不要动外 立面 ； 楼地面不 要拆除 ， 将加固面 尽量放梁底和板底。本 次采用的加固方 案主要为： 1）楼板加 固：由于使用的 需要，在楼板上 开了许多较大的 洞口，采用在板 底加钢梁的方案对楼 板进行分割 ， 核算了原 有的结构配筋 ， 这样就使 得楼板配筋满足 要求 。 对没有开 洞也不加次 梁的 ， 荷载较大 的楼板且配筋不 足之处 ， 进行粘贴 碳纤维复合材的 方法加固 （ 见图3）2） 框架梁加 固 ： 对框架梁 采用了加大 “ 调幅 ” 的方法进 行 。 也就是说 ， 将计算的 梁上负弯矩减 去现有梁上的实 配钢筋所承担的 负弯矩后 ， 全部调幅 到梁底 ， 与计算的 梁底正弯矩叠加，按 照 T型截面计 算配筋，在扣除 原有梁底正钢筋 后进行加固补强 。由于框架主梁 一端支撑在 框架柱上，一端 支撑于核心筒的 墙上。对支撑于 核心筒一端的梁 端弯矩进行全面 调幅 ， 将弯矩调 到原有配筋能满 足现计算的程度 ， 将调下来 的弯矩调至跨中 ， 由于抗剪 截面尺寸够 ， 所以采用 碳纤维复合片材 的方法在梁底进行加 固 。 对支撑在 框架柱上的框架 梁上部的加固采 用紧靠在柱子两 侧的楼板上粘贴 钢板方案。原 因是在梁顶端粘 贴的钢板，在柱 上的锚固不好施 工或难以施工， 保证不了质量 (见图 4)。3)柱子加固 ：转换层以上部 分周边柱及剪力 墙暗柱采用 “ 包角钢 +抹聚合物 砂浆 ” 的加固方法 （见图 5） 。7.2实例二7.2.1工程概况某工程主 楼 (见图 6)为 4层 ， 层高分别 为 ： 4.2m（ 1层 ） 、 3.5m（ 2层 ） 、 3.4m（ 3层 ） 、3.3m（ 4层 ） ，高度为 15.2m，分三次 建成。第一次于 1975年 11月修建 1层和 2层；第二次于 1978年 11月加建第 3层 ； 第三次于 1983年 10月加建第 4层 。 结构体系 为 ：单排柱内 框架砖房。楼面 及屋面板均采用 预制圆孔 板；墙体 采用 75#红砖， 50#混合砂浆 砌筑。 7.2.2主楼的安 全鉴定主楼于 2010年 7月 15日委托北 京房地集团有限 公司房屋安全鉴 定室对该楼进行 了结构危险 性鉴定 。 出具了 房屋安全 鉴定报告 ， 该 报告 评定该楼 结构危险性鉴定 等级为 B级。报 告的建议：由 于该楼原结构最 大抗震横墙间距 、高度和层数均 不符合建筑抗震鉴 定标准 的要求 ； 综合抗震 能力不符合抗震 鉴定标准的要求 ， 亦不能满 足北京地区8度设防的 要求 。 根据国家 标准 建筑抗震 鉴定标准 和北京市 地方标准 建筑抗震 鉴定与加固技术 规程 的规定 ， 由于该楼 结构体系为单排 柱内框架砌体房 屋 ， 所以该楼 不满足抗震鉴定要求 。应进行抗震加 固。 7.2.3抗震设防 标准由于建设 年代较早以及建 筑物的实际状况 ， 经与业主 协商 ， 确定本工 程后续结构使用 年限按 30年考虑。 按 A类建筑进 行抗震设计。7.2.4结构设计 方案由于建筑 使用功能由旅馆 变为实验室 ， 其使用荷 载将增加很多 ， 会造成结 构构件的承载力严重不 足。所以应按照 改变后的建筑使 用功能的荷载， 进行抗震设计； 7.2.5结构加固 设计方案由于单排 柱内框架砌体房 屋 ， 已不能满 足抗震鉴定要求 。 需对整个 建筑物进行结构 加固 。具体加固 方法如下：抗震 设计将采用改变 原有结构受力体 系方法，将单排 柱内框架砌体房屋的结构 体系变为钢筋混 凝土框架剪力墙 结构体系。 1）对砖墙 （外墙和局部内 墙）进行双面喷 射钢筋混凝土的 结构加固（见图 7）。将单排柱内框 架砌体房屋的结 构体系变为钢筋 混凝土框架剪力 墙结构体系。2)对框架柱 进行增大截面的 结构加固。将框 架柱截面加大， 满足抗震对柱截 面及轴压比的要求 （见图 8） ；此法施 工工艺简单、适 应性强，并具有 成熟的设计和施 工经验。3)增设竖向 钢筋混凝土柱 ， 减小其主 梁的跨度 。 对纵向框 架梁 （ 主梁 ） 原设计没 有按框架梁考虑 ， 基本按简 支梁设计 ， 根本不满 足框架结构的要 求 。 给主梁的 加固带来很大的 困难 。为此采用 增加柱子的做法 ， 改变结构 传力体系 ， 将原次梁 传来的荷载直接 由新增的柱子传 给基础。使 的主梁跨度由 6m变为 3m,将主梁变 为框架连系梁， 其配筋满足简支 的情况下 。 避开了对主 梁进行结构加固 的工作。也节省 了加固时间和加 固资金。 4）对框架 梁进行粘贴碳纤 维复合材料及的 结构加固。由于 建筑物层高太低 ，也给结构 加固带来了一定 的难度。结构在 考虑加固方案时 ，尽量抬高净空 高度，满足使用 。还要考虑 机电管线的走向 ， 有些还要 穿梁 。 在本工程 中 ， 对框架梁 的加固采用了两 种加固方案。对表 面平整、混凝土 在施工质量较好 的部位，采用了 粘贴碳纤维复合 材料的加固方法 。粘贴碳纤 维加固是用胶结 材料把碳纤维增 强复合材料贴于 被加固构件的受 拉区域 ， 使它与被加固截面 共同工作 ， 达到提高 构件承载能力的 目的 。 该法施工 快速 、 加固后对 原结构外观和原有净空 无显著影响 ， 具有耐腐 浊 、 耐潮湿 、 几乎不增 加结构自重 、 耐用 、 维护费用 较低等优点，但 需要专门的防火 处理，适用于各 种受力性质的混 凝土结构构件。 5） “ 钢丝绳网 片 -聚合物砂 浆面层 ” 加固法。 由于使用年代已 久，加之当时的 施工质量较差 ， 混凝土梁 多处出现漏筋 、 蜂窝麻面 、 疏松面 、 平整度极 差 ， 这些部位 ， 采用粘贴 碳纤维复合 材料和钢板的加 固方法均不适用 。由于层高较低 ，对框架梁采用 加大截面的方法 ，也行不通 。于是采用了 “ 钢丝绳网 片 聚合物砂 浆面层 ” 的方法对 部分框架梁进行 加固 。 本方法有如 下特点：（ 1）基本原 理目前加固 工程中常用的钢 丝绳是 6 7+IWS，每根钢 丝绳由 49根丝组成 。首先通过受剪锚栓将 固定板固定在梁 上 ； 当用于固 定支座负钢筋时 ， 还应通过 受拉锚栓将固定 板固定在柱上 。 再将钢丝 绳网片用固定结 固定在固定板上 ， 钢丝绳安 装完成后 ， 将钢丝绳 张拉绷紧后 ，在梁的表 面喷抹聚合物砂 浆 ， 对钢丝绳 进行保护 。 同时 ， 聚合物砂 浆与混凝土有良 好的黏结性能 ， 使聚合物 砂浆和原有梁结 合在一起 ， 共同受力 ， 达到加固 的效果 。 在设计计 算时按照整体截面 高度考虑，对提 高构件的刚度和 承载力都有良好 的效果。 （ 2）技术特 点钢丝绳网 片 -聚合物砂 浆面层加固钢筋 混凝土构件时 ， 钢丝绳必 须设计成为仅承 受拉力作用方式 ， 常用于楼 板承载力不足及 框架梁受弯承载 力不足时 。 有试验资 料表明加固后的 梁有如下提 高效果（见表 3） 。（ 3）设计要 点 原有结构 构件混凝土实际 强度等级不应低 于 C15， 且混凝土 表面的正拉黏结 强度不应低于 1.5MPa。 钢筋混凝 土构件加固后 ， 其正截面 受弯承载力的提 高幅度 ， 不宜超过 30%， 当有可靠依据时 ， 也不应超 过 40%； 并应验算 其受剪承载力 ， 避免应受 弯承载力提高后 而导致构件受剪破坏先 于受弯破坏。 钢 丝 绳 网 片 -聚 合 物 砂 浆 面 层 的 厚 度 不 应 大 于 25mm,钢 丝 绳 保 护 层 厚 度 不 应 小 于15mm。 当用于提 高梁 、 楼板的受 弯承载力时 ， 钢丝绳网 片应设在梁或板 的顶面或底面受 拉区 ；当用于提 高梁的受剪承载 力时，钢丝绳网 应采用三面围套 或四面围套的方 式。 钢丝绳网 应设计成仅承受 单向拉力作用， 其受力钢丝绳的 间距不应小于 20mm，也不应大于 40mm。分布钢 丝绳不应考虑其 受力作用，间距 在 200500mm。 钢丝绳网 应采用专用金属 胀栓固定在构件 上 ， 端部胀栓 应错开布置 ， 中部胀栓 应交错布置，且 间距不宜大于 300mm。（ 4）抗震加 固验算 构件的材 料强度设计值应 按鉴定标准 的规定采用。 框架梁加 固后的承载力验 算 ， 按现行国 家标准 混凝土结 构加固设计规范 （ GB50367）的有关规 定进行，但对加 固后承载力的提 高部分，其承载 力抗震调整系数 宜取 1.0。（ 5）钢丝绳 的受力过程钢丝绳在 捻制过程中必然 存在间隙 ， 这种间隙 使得钢丝绳在初 期受力时 ， 受力与位 移曲线不成线 性关系 。 也就是 ， 在受力初 期 ， 对钢丝绳 施加一个很小的 力 ， 钢丝绳中 就会产生较大的变形 。 就会造成 当加固构件受力 产生初始变形时 ， 钢丝绳随 之变形 ， 但能够提 供的拉力很小 ， 在受力初 期无法和被加固 构件共同工作 ， 从而不能 起到加固作用 。 这就需要 在钢丝绳安装工程 中，对其进行预 张拉，张拉力应 大于钢丝绳拉力 -位移曲线 的非线性区，达 到其弹性拉力 区域，这样，才 能保证结构构件 在开始受理时， 钢丝绳能够立即 受力参与工作 ， 从而保证加 固材料与被加固 构件良好的共同 工作效果 。 同时 ， 由于给构 件施加了一定的 预应力 ，使构件受 力性能明显改善 。 （ 6）施工技 术预张拉钢 丝绳就是在钢丝 绳安装时 ， 对其进行 张拉 ， 这种张拉 力的拉力值必须 拉力 -位移曲线 的弹性起点的拉 力值，这一拉力 值比传统的钢丝 绳网片 -聚合物砂 浆外加层加固安装钢丝 绳的张拉力要高 。 使钢丝绳 中产生足够的张 拉力 ， 以抵消非 线性变形 ， 使得预张 拉钢丝绳从 安装完成时就能 够与被加固构件 协同受力。工程 每根钢丝绳的预 张拉力的值控制在 3000N（ 300kg） 。 同时 ， 通过钢丝 绳固定结和固定 板将预