建筑基于抗震性能加固設(shè)計(jì)探究

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摘要：傳統(tǒng)的既有建筑抗震加固設(shè)計(jì)方法多數(shù)沿用新建建筑的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致加固量、加固施工面、造價(jià)等大幅度增加，同時(shí)不可避免地對(duì)原建筑的使用帶來(lái)較大影響。文章提出了針對(duì)既有建筑的基于抗震性能的加固設(shè)計(jì)方法，該方法除關(guān)注抗震承載力及抗震變形外，還以達(dá)到預(yù)期的抗震性能為目標(biāo)，不再?gòu)?qiáng)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(jìn)行了抗震加固設(shè)計(jì)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(jì)方法，能在滿足抗震要求的同時(shí)，縮短工期并降低造價(jià)，同時(shí)也顯著減少了對(duì)原建筑使用的影響，對(duì)一般既有建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固設(shè)計(jì)有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：既有建筑；加固設(shè)計(jì)方法；抗震性能

我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，經(jīng)歷了從無(wú)到有、從試行到實(shí)踐的發(fā)展過程。工程試行階段是指20世紀(jì)70年代初到20世紀(jì)80年代末這一時(shí)間段，其間發(fā)布了《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TJLL—74）及《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》（TJLL—78）。全面實(shí)踐階段發(fā)布了《建筑抗震設(shè)計(jì)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(jìn)行改擴(kuò)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(jì)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(jì)規(guī)范要求，需要進(jìn)行抗震加固。文章主要探討傳統(tǒng)抗震加固設(shè)計(jì)方法存在的問題，提出了在既有建筑抗震加固設(shè)計(jì)中運(yùn)用抗震性能加固設(shè)計(jì)方法，盡可能縮短加固施工工期并降低造價(jià)，同時(shí)對(duì)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(jì)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(jì)規(guī)范》1989版首次提出了三水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)（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(jì)思想。以該指導(dǎo)思想為基本的抗震設(shè)防目標(biāo)，其后發(fā)布的規(guī)范逐步提高了對(duì)房屋結(jié)構(gòu)抗震措施及抗震構(gòu)造的要求?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》1989版將抗震等級(jí)作為鋼筋混凝土房屋抗震設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，通過抗震等級(jí)的劃分，體現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)第二水準(zhǔn)（中震可修）及第三水準(zhǔn)（大震不倒）的抗震設(shè)防目標(biāo)?！皬?qiáng)柱弱梁”作為重要的抗震設(shè)計(jì)概念之一，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》1989版及其之后的版本的規(guī)范中均有體現(xiàn)且對(duì)依據(jù)這一概念對(duì)內(nèi)力計(jì)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(qiáng)柱弱梁的彎矩增大系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》2001版相對(duì)于1989版提高了強(qiáng)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(qiáng)。一級(jí)框架結(jié)構(gòu)及9度時(shí)，仍應(yīng)采用框架梁的實(shí)際受彎承載力確定柱端彎矩設(shè)計(jì)值，取二者的較大值?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)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(bǔ)充了四級(jí)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(jì)算的內(nèi)力調(diào)整要求外，規(guī)范對(duì)抗震措施的要求也在不斷提高?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)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(jì)算要點(diǎn)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(jì)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(jì)方法

加固改造項(xiàng)目傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法通常采用了以下兩階段設(shè)計(jì)方法：（1）第一階段設(shè)計(jì)。采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)、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(jìn)行原結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的設(shè)計(jì)校核，對(duì)不滿足抗震承載力要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固處理，從而滿足第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求；采用同一地震動(dòng)參數(shù)計(jì)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(yàn)算滿足要求。（2）第二階段設(shè)計(jì)。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(zhǔn)的要求。

1.3存在的問題

按上述方法實(shí)施，在工程實(shí)踐中通常會(huì)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(duì)于外側(cè)框架柱，還需要拆除外立面圍護(hù)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(jì)方法

2.1抗震性能設(shè)計(jì)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?yàn)榱己玫难有允菇Y(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)?？拐鹦阅芑O(shè)計(jì)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(jì)要求，新建建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是通過多遇地震下抗震驗(yàn)算來(lái)保證彈性承載力，通過抗震構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性。

2.2抗震加固設(shè)計(jì)方法

（1）地震動(dòng)水準(zhǔn)的確定。對(duì)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(duì)于目標(biāo)使用期小于50年的結(jié)構(gòu)，可以對(duì)地震作用進(jìn)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(lái)分擔(dān)地震力，通過設(shè)置阻尼來(lái)減弱整個(gè)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(jī)，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(lái)減輕結(jié)構(gòu)自重，同樣能夠達(dá)到減輕地震作用的目的。（3）選定性能設(shè)計(jì)指標(biāo)。對(duì)加固改建后的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行多遇地震作用下的彈性分析和罕遇地震作用下的動(dòng)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(yàn)算及抗震承載力驗(yàn)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(biāo)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(jì)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(jì)為商場(chǎng)，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(dú)立承臺(tái)。房屋依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》1989版進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)防類別為丙類，場(chǎng)地土類別為上海Ⅳ類，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。（2）加固設(shè)計(jì)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?cè)锌箓?cè)力體系，按現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范規(guī)定，顯然屬于改建項(xiàng)目，必須按照現(xiàn)行抗震規(guī)范及其他現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)初步驗(yàn)算核查，并對(duì)照現(xiàn)行規(guī)范，該房屋有以下幾點(diǎn)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求：房屋抗震變形驗(yàn)算不滿足要求；部分框架梁柱配筋不滿足抗震承載力驗(yàn)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(yàn)算核查結(jié)果，按傳統(tǒng)加固設(shè)計(jì)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(zhǎng)。加固施工必然導(dǎo)致房屋停止使用、重新裝修等，綜合造價(jià)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(duì)其余構(gòu)件作抗震構(gòu)造加固。預(yù)期的目標(biāo)是多遇地震作用下結(jié)構(gòu)抗震變形驗(yàn)算及抗震承載力驗(yàn)算滿足要求，罕遇地震作用下預(yù)期的性能目標(biāo)不低于性能3的要求。

3.2計(jì)算分析

（1）分析軟件及模型。該工程采用YJK軟件進(jìn)行計(jì)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(dòng)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(dòng)力彈塑性分析。（2）小震彈性分析。小震作用下主要計(jì)算結(jié)果如表2所示。以上計(jì)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(jì)規(guī)范》（GB50011—2010）[2]及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010—2010）[3]等對(duì)原結(jié)構(gòu)框架梁柱進(jìn)行抗震承載力校核驗(yàn)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(dòng)力彈塑性分析采用的地震波選自上海市地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)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(shí)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(yǔ)

新建建筑的抗震設(shè)計(jì)多數(shù)采用相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施來(lái)保證結(jié)構(gòu)具體足夠的延性、變形能力和塑形耗能，對(duì)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(huì)導(dǎo)致較大的加固量，甚至?xí)驗(yàn)榧庸淌┕るy以實(shí)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(dá)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(jì)關(guān)注點(diǎn)也應(yīng)從抗震構(gòu)造轉(zhuǎn)為預(yù)期的性能目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者:朱咸亮 劉厚華 單位:同納檢測(cè)認(rèn)證集團(tuán)有限公司