建筑基于抗震性能加固設(shè)計探究

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摘要：傳統(tǒng)的既有建筑抗震加固設(shè)計方法多數(shù)沿用新建建筑的設(shè)計方法，重點關(guān)注抗震承載力及抗震構(gòu)造措施的加固，采用該方法往往會導(dǎo)致加固量、加固施工面、造價等大幅度增加，同時不可避免地對原建筑的使用帶來較大影響。文章提出了針對既有建筑的基于抗震性能的加固設(shè)計方法，該方法除關(guān)注抗震承載力及抗震變形外，還以達到預(yù)期的抗震性能為目標，不再強調(diào)抗震構(gòu)造措施的相關(guān)加固。并且文章以某工程為例進行了抗震加固設(shè)計方案的比較，表明既有建筑的加固采用抗震性能的加固設(shè)計方法，能在滿足抗震要求的同時，縮短工期并降低造價，同時也顯著減少了對原建筑使用的影響，對一般既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固設(shè)計有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：既有建筑；加固設(shè)計方法；抗震性能

我國的抗震設(shè)計規(guī)范，經(jīng)歷了從無到有、從試行到實踐的發(fā)展過程。工程試行階段是指20世紀70年代初到20世紀80年代末這一時間段，其間發(fā)布了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范（試行）》（TJLL—74）及《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計規(guī)范（試行）》（TJLL—78）。全面實踐階段發(fā)布了《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1989版、2001版、2010版、2016版。目前，大量的既有建筑存在接近或超過使用年限或需要提高抗震設(shè)防要求、進行改擴建等情況，但因此類建筑建造年代較早，所依據(jù)的抗震設(shè)計規(guī)范已經(jīng)多次改版，導(dǎo)致多數(shù)既有建筑不能滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范要求，需要進行抗震加固。文章主要探討傳統(tǒng)抗震加固設(shè)計方法存在的問題，提出了在既有建筑抗震加固設(shè)計中運用抗震性能加固設(shè)計方法，盡可能縮短加固施工工期并降低造價，同時對原建筑的使用影響也盡可能降至最低。

1傳統(tǒng)的抗震加固設(shè)計方法及其存在的問題

1.1不同版本抗震規(guī)范的主要變化

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1989版首次提出了三水準的抗震設(shè)防目標（小震不壞、中震可修、大震不倒）兩階段（彈性階段和彈塑性階段）的抗震設(shè)計思想。以該指導(dǎo)思想為基本的抗震設(shè)防目標，其后發(fā)布的規(guī)范逐步提高了對房屋結(jié)構(gòu)抗震措施及抗震構(gòu)造的要求。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1989版將抗震等級作為鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計的重要參數(shù)，通過抗震等級的劃分，體現(xiàn)對不同抗震設(shè)防類別、不同結(jié)構(gòu)類型、同一烈度不同高度的鋼筋混凝土房屋結(jié)構(gòu)不同延性要求，以及同一種構(gòu)件在不同結(jié)構(gòu)類型中的不同延性要求，以實現(xiàn)第二水準（中震可修）及第三水準（大震不倒）的抗震設(shè)防目標。“強柱弱梁”作為重要的抗震設(shè)計概念之一，在《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1989版及其之后的版本的規(guī)范中均有體現(xiàn)且對依據(jù)這一概念對內(nèi)力計算調(diào)整的要求逐步提高。規(guī)范采用增大柱端彎矩的方法即設(shè)置強柱弱梁的彎矩增大系數(shù)來實現(xiàn)這一目標?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》2001版相對于1989版提高了強柱弱梁的彎矩增大系數(shù)ηc，該系數(shù)考慮了一定的超配鋼筋（包括樓板的配筋）和鋼筋超強。一級框架結(jié)構(gòu)及9度時，仍應(yīng)采用框架梁的實際受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計值，取二者的較大值。《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》2010版再次提高了框架結(jié)構(gòu)的柱端彎矩增加系數(shù)，其他結(jié)構(gòu)中框架的柱端彎矩增大系數(shù)仍與2001版相同，并補充了四級框架的柱端彎矩增大系數(shù)。隨著抗震規(guī)范版本的更新，除抗震計算的內(nèi)力調(diào)整要求外，規(guī)范對抗震措施的要求也在不斷提高?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》2001版中明確了抗震措施與抗震構(gòu)造措施的區(qū)別?？拐饦?gòu)造措施只是抗震措施的一部分，一般規(guī)定及計算要點中的地震作用效應(yīng)（內(nèi)力和變形）調(diào)整的規(guī)定屬于抗震措施，設(shè)計要求中的規(guī)定，可能包含抗震措施和抗震構(gòu)造措施。

1.2傳統(tǒng)抗震加固設(shè)計方法

加固改造項目傳統(tǒng)抗震設(shè)計方法通常采用了以下兩階段設(shè)計方法：（1）第一階段設(shè)計。采用第一水準烈度的地震動參數(shù)，計算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風、重力等合作效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進行原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的設(shè)計校核，對不滿足抗震承載力要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固處理，從而滿足第一水準的強度要求；采用同一地震動參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)彈性層間位移，如不滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范要求則采用增設(shè)抗側(cè)力構(gòu)件或通過增大截面法加固豎向構(gòu)件等方法增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使加固改造后的結(jié)構(gòu)抗震變形驗算滿足要求。（2）第二階段設(shè)計。通過加固原結(jié)構(gòu)構(gòu)件，使其配筋構(gòu)造滿足現(xiàn)行規(guī)范的抗震構(gòu)造要求，以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，滿足第二、第三水準的要求。

1.3存在的問題

按上述方法實施，在工程實踐中通常會碰到以下問題：（1）既有房屋結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)，如框架柱的加固，采用的加固方法包括增大截面法加固（軸壓比超限或結(jié)構(gòu)整體剛度不足）、外包型鋼（抗震承載力不足）、外粘鋼板或碳纖維（抗震承載力不足或體積配箍率不滿足要求等）。該加固施工必須拆除框架柱周邊一定范圍的填充墻、鑿除粉刷層，對于外側(cè)框架柱，還需要拆除外立面圍護結(jié)構(gòu)。（2）框架梁的加固通常包括梁頂支座處粘貼鋼板或碳纖維（抗震承載力不足）、梁底粘貼鋼板或外包型鋼（抗震承載力不足）、粘貼碳纖維或鋼箍板等，該加固施工需拆除梁底一定范圍的填充墻、梁頂相關(guān)區(qū)域樓面面層等。

2基于抗震性能的加固設(shè)計方法

2.1抗震性能設(shè)計概述

結(jié)構(gòu)的抗震性能是指在地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力、變形能力、耗能能力、剛度及破壞形態(tài)的變化和發(fā)展。延性大的結(jié)構(gòu)其抗震性能好，因為良好的延性使結(jié)構(gòu)有更大的變形能力，塑性區(qū)的發(fā)展能有效耗散地震能量，從而減弱地震反應(yīng)。抗震性能化設(shè)計的基本思路是“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”。提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震承載力或變形能力，都是提高結(jié)構(gòu)抗震性能的有效途徑。為滿足抗震性能化設(shè)計要求，新建建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計是通過多遇地震下抗震驗算來保證彈性承載力，通過抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

2.2抗震加固設(shè)計方法

（1）地震動水準的確定。對于后續(xù)使用年限為50年的結(jié)構(gòu)，選用現(xiàn)行抗震規(guī)范的多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震的地震作用。對于目標使用期小于50年的結(jié)構(gòu)，可以對地震作用進行相應(yīng)的折減。（2）選定合適的加固方案。要減少原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固必須減小其地震作用效應(yīng)，可采用的方法有增設(shè)新的抗側(cè)力構(gòu)件如剪力墻或支撐等來分擔地震力，通過設(shè)置阻尼來減弱整個房屋結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)等。另外，還可以利用房屋裝修的契機，通過將原有的磚砌隔墻改為輕鋼龍骨石膏板等類似的輕質(zhì)隔墻，減小樓屋面面層厚度，采用輕質(zhì)裝修材料等來減輕結(jié)構(gòu)自重，同樣能夠達到減輕地震作用的目的。（3）選定性能設(shè)計指標。對加固改建后的結(jié)構(gòu)分別進行多遇地震作用下的彈性分析和罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。要求多遇地震作用下結(jié)構(gòu)整體的抗震變形驗算及抗震承載力驗算（不含抗震措施）滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；罕遇地震作用下彈塑性變形滿足預(yù)期的性能目標要求，具體如表1所示。

3案例分析

3.1工程概況

文章以某辦公樓改建為例，采用了基于抗震性能的加固設(shè)計方法。（1）原房屋建筑結(jié)構(gòu)概況。位于上海地區(qū)的某建筑建于1994年，地下1層，地上4層，原設(shè)計為商場，后作為酒店及辦公綜合樓使用。因城市更新需要，擬拆除該房屋酒店區(qū)域，僅保留辦公區(qū)域，保留區(qū)域擬作為辦公樓繼續(xù)使用。房屋采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)高度為22.8m?；A(chǔ)采用預(yù)制樁及柱下獨立承臺。房屋依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》1989版進行設(shè)計，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防類別為丙類，場地土類別為上海Ⅳ類，框架抗震等級為三級。（2）加固設(shè)計方案分析比較。該房屋主要改建內(nèi)容為局部拆除，且拆除涉及原結(jié)構(gòu)體系的框架柱及框架梁，即改變原有抗側(cè)力體系，按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定，顯然屬于改建項目，必須按照現(xiàn)行抗震規(guī)范及其他現(xiàn)行規(guī)范進行設(shè)計。經(jīng)初步驗算核查，并對照現(xiàn)行規(guī)范，該房屋有以下幾點不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求：房屋抗震變形驗算不滿足要求；部分框架梁柱配筋不滿足抗震承載力驗算要求；部分框架柱的箍筋肢距、箍筋加密范圍等不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求；部分框架梁箍筋間距、肢距等不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。根據(jù)以上初步驗算核查結(jié)果，按傳統(tǒng)加固設(shè)計方法，可采用的加固方案包括增加抗側(cè)力構(gòu)件或用增大截面法加固框架柱以解決抗震變形不滿足要求的問題。加固必然要求拆除相關(guān)構(gòu)件周邊的填充墻，涉及的加固施工面較大，且加固施工周期較長。加固施工必然導(dǎo)致房屋停止使用、重新裝修等，綜合造價較高，業(yè)主很難接受。此次加固采用局部增設(shè)防屈曲鋼板剪力墻的方案，加固范圍僅涉及增設(shè)剪力墻區(qū)域的相關(guān)框架梁柱，不對其余構(gòu)件作抗震構(gòu)造加固。預(yù)期的目標是多遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震變形驗算及抗震承載力驗算滿足要求，罕遇地震作用下預(yù)期的性能目標不低于性能3的要求。

3.2計算分析

（1）分析軟件及模型。該工程采用YJK軟件進行計算分析，包括多遇地震作用下反應(yīng)譜分析及罕遇地震作用下動力彈塑性分析[1]。改建后的結(jié)構(gòu)分析包括小震彈性分析和大震動力彈塑性分析。（2）小震彈性分析。小震作用下主要計算結(jié)果如表2所示。以上計算結(jié)果表明：增加鋼板墻后，小震作用下的層間位移顯著減小，滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范關(guān)于框架結(jié)構(gòu)層間位移角的限值。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011—2010）[2]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010—2010）[3]等對原結(jié)構(gòu)框架梁柱進行抗震承載力校核驗算，結(jié)果表明其配筋基本滿足要求。（3）大震彈塑性分析。大震動力彈塑性分析采用的地震波選自上海市地方標準《建筑抗震設(shè)計規(guī)程》（DGJ08-9—2013）[4]附錄A，此次分析以天然波SHW11為例，分析結(jié)果如圖1所示。大震彈塑性分析結(jié)果表明，改建后的結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角最大為1/95（X、Y方向相同），小于現(xiàn)行抗震規(guī)范[Δup]（即1/50），同時小于6[Δue]（即1/92），滿足表1所列的性能3的要求[5]。

4結(jié)束語

新建建筑的抗震設(shè)計多數(shù)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)具體足夠的延性、變形能力和塑形耗能，對既有建筑而言，如果去苛求其結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震構(gòu)造滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，往往會導(dǎo)致較大的加固量，甚至?xí)驗榧庸淌┕るy以實現(xiàn)而放棄加固。既有建筑的抗震加固可通過增設(shè)新的抗側(cè)力構(gòu)件、增加阻尼等方法，減弱原結(jié)構(gòu)主要抗側(cè)力構(gòu)件的地震作用效應(yīng)，從而提高其抗力效應(yīng)比，達到“低延性，高彈性承載力”，提高其抗震性能的目的。因此，加固設(shè)計關(guān)注點也應(yīng)從抗震構(gòu)造轉(zhuǎn)為預(yù)期的性能目標。

參考文獻

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[4]同濟大學(xué).建筑抗震設(shè)計規(guī)程:DGJ08-9—2013[S].上海:上海市城鄉(xiāng)建設(shè)和交通委員會,2013.

[5]劉曉光.裝配式框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點優(yōu)化設(shè)計及抗震性能研究[J].工程技術(shù)研究,2021,6(14):201-202.

作者:朱咸亮 劉厚華 單位:同納檢測認證集團有限公司