關(guān)宇 楊靖 李寶欣

承德市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 河北 承德 067000

隨著我國(guó)抗震設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，一些過(guò)去常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式逐漸被歷史淘汰，新建項(xiàng)目已不再允許應(yīng)用，如上世紀(jì)七、八十年代常見(jiàn)的內(nèi)框架結(jié)構(gòu)建筑。這種內(nèi)部為框架承重，外部為磚墻承重的房屋，從抗震概念設(shè)計(jì)原則可以看出，這種內(nèi)外不同的兩種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)于抗震性能是十分不利的。事實(shí)證明，在歷次地震中內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的震害都是相對(duì)比較嚴(yán)重的?！督ㄖ拐痂b定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2009[1]中規(guī)定的內(nèi)框架建筑不適用于重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)建筑。但在實(shí)際項(xiàng)目中，由于業(yè)主對(duì)建筑的使用功能的需求，及建筑自身存在的缺陷，往往已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，所以處理這種項(xiàng)目應(yīng)采用比規(guī)范要求更嚴(yán)格的技術(shù)措施。應(yīng)通過(guò)符合抗震概念的結(jié)構(gòu)布置、可靠的結(jié)構(gòu)計(jì)算及合理的構(gòu)造措施，制定合理的房屋加固方案。

1 結(jié)構(gòu)改造方案的計(jì)算與分析

1.1 結(jié)構(gòu)改造方案

在既有建筑加固改造項(xiàng)目中，當(dāng)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的高度和層數(shù)超過(guò)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2009中的規(guī)定的最大高度和層數(shù)時(shí)，或建筑的抗震設(shè)防分類(lèi)不低于重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)時(shí)，為滿足業(yè)主需求，改變?cè)薪ㄖY(jié)構(gòu)體系就成為首選的結(jié)構(gòu)改造方案。

內(nèi)框架結(jié)構(gòu)可根據(jù)預(yù)期的使用功能和原始的結(jié)構(gòu)布置條件，改為抗震性能更好的框架結(jié)構(gòu)或框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。如在外框磚墻中對(duì)應(yīng)框架的位置設(shè)置框架柱，與原有內(nèi)框架形成標(biāo)準(zhǔn)的框架體系，然后拆除原有磚墻；或采用鋼筋混凝土面層法加固原有磚墻，并根據(jù)情況在適當(dāng)?shù)奈恢迷鲈O(shè)鋼筋混凝土抗震墻，形成外葉鋼筋混凝土墻內(nèi)夾磚墻的抗震墻與新增抗震墻及原有內(nèi)框架形成框架—抗震墻體系。

1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

目前常見(jiàn)的鑒定加固類(lèi)軟件，均不能直接設(shè)計(jì)砌體結(jié)構(gòu)類(lèi)改變結(jié)構(gòu)體系的項(xiàng)目，砌體結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常采用不同類(lèi)型的計(jì)算模式。如砌體結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算通常采用底部剪力法求解，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算通常采用振型分解反應(yīng)譜法求解。所以，由于材料特性的原因，振型分解反應(yīng)譜法無(wú)法直接分析內(nèi)框架中磚墻采用鋼筋混凝土面層法加固的抗震墻。

改變結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)應(yīng)從概念設(shè)計(jì)出發(fā)，先研究結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，再研究構(gòu)件的可靠性，是從整體到局部，再回歸整體的設(shè)計(jì)思想。所謂概念設(shè)計(jì)[2]，就是運(yùn)用清晰的結(jié)構(gòu)概念，不經(jīng)過(guò)數(shù)值計(jì)算，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、震害、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，對(duì)結(jié)構(gòu)及計(jì)算結(jié)果進(jìn)行正確的分析，并考慮結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀況與計(jì)算假定間的差異，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、受力安全合理。

內(nèi)框架結(jié)構(gòu)改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)先從抗震墻布置入手，根據(jù)建筑功能，原有磚墻視情況采用鋼筋混凝土面層法加固或拆除，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，如有需要，建筑內(nèi)部也可適當(dāng)增加鋼筋混凝土抗震墻或框架柱，框架可根據(jù)計(jì)算結(jié)果按需加固處理。結(jié)構(gòu)計(jì)算可以采用與目標(biāo)模型近似的結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)調(diào)整抗震墻厚度和框架構(gòu)件截面，控制結(jié)構(gòu)的規(guī)則程度，以快速的確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案。

2 算例

本節(jié)通過(guò)某磚混內(nèi)框架既有建筑加固改造的實(shí)際案例，說(shuō)明概念設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前期快速制定結(jié)構(gòu)加固改造方案的應(yīng)用。

本項(xiàng)目原有建筑為內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，地上7層，局部8層設(shè)備間，建筑高度23.8m，由240mm厚磚墻砌筑，建筑所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。

根據(jù)業(yè)主對(duì)本建筑未來(lái)的使用需求，加固設(shè)計(jì)方案擬采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法[3]，將原內(nèi)框架的磚墻采用鋼筋混凝土面層法加固，局部新增鋼筋混凝土抗震墻，內(nèi)框架采用增大截面法和增加框架柱的方法加固，將結(jié)構(gòu)體系改為框架—抗震墻體系。

結(jié)構(gòu)計(jì)算首先將模型簡(jiǎn)化為圖1所示的純框架結(jié)構(gòu)（模型一）做整體分析，主要分析結(jié)構(gòu)平面和豎向的規(guī)則性有無(wú)明顯的缺陷。原建筑各層層高接近，平面方正，無(wú)凹凸、大開(kāi)洞，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 模型一主要計(jì)算結(jié)果

圖1 模型一標(biāo)準(zhǔn)層平面

根據(jù)表1結(jié)果可以判斷，結(jié)構(gòu)的位移角很小，位移比略大于1.2，周期比稍大，可見(jiàn)平面抗扭能力稍不足，此時(shí)可初步判斷，在結(jié)構(gòu)周邊增加抗震墻后，可顯著提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力，但要注意建筑內(nèi)部增加的抗震墻對(duì)結(jié)構(gòu)規(guī)則性是否會(huì)產(chǎn)生不利的影響。如模型增加抗震墻后結(jié)構(gòu)的規(guī)則性沒(méi)有問(wèn)題，那么即可證明原結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)期的方法改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)是合理可行的。

結(jié)構(gòu)計(jì)算第二個(gè)模型將結(jié)構(gòu)原有砌體墻按抗剪強(qiáng)度等強(qiáng)的原則等效為較薄厚度的鋼筋混凝土抗震墻建入模型（模型二），并按框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震墻布置要求在部分區(qū)域新增抗震墻，使X、Y方向的抗剪承載力及動(dòng)力性能相近，同時(shí)根據(jù)建筑要求將需要墻開(kāi)洞的位置留好結(jié)構(gòu)洞，如圖2。

圖2 模型二標(biāo)準(zhǔn)層平面

根據(jù)結(jié)果可以判斷，結(jié)構(gòu)周期比已滿足規(guī)范要求，位移比依然略大于1.2，位移角很小，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說(shuō)明抗震墻布置合理，結(jié)構(gòu)剛度很大，模型增加的鋼筋混凝土抗震墻沒(méi)有產(chǎn)生對(duì)結(jié)構(gòu)不利的影響。再看結(jié)構(gòu)位移的變化，如圖3、圖4。

圖3 模型一結(jié)構(gòu)位移

圖3為模型一的位移結(jié)果，圖4為模型二的位移結(jié)果，位移曲線形狀的變化和位移絕對(duì)值的變化均符合預(yù)期，均是由框架結(jié)構(gòu)的位移曲線特征向剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線特征變化，由于Y方向增加了較多且長(zhǎng)度較長(zhǎng)抗震墻，所以Y方向的位移值也變化的更快。經(jīng)核查，圖2模型二的規(guī)定水平力下框架柱地震傾覆力矩百分比小于10%，屬于剪力墻較多的框架—抗震墻結(jié)構(gòu)[2]。綜上說(shuō)明，原結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)期的方法改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)方案合理可行。結(jié)構(gòu)方案確定后，后續(xù)設(shè)計(jì)以構(gòu)件的加固處理為主。

這里應(yīng)注意，采用鋼筋混凝土面層加固的磚墻，仍屬于混合材料的構(gòu)件，加固后墻體的豎向承載力可以通過(guò)計(jì)算得到保證，但其抗震性能和普通鋼筋混凝土抗震墻有一定區(qū)別，這種不容易計(jì)算的情況就需要應(yīng)用概念設(shè)計(jì)的思想，首先計(jì)算結(jié)果應(yīng)留有足夠的冗余量，二是關(guān)鍵墻體盡量采用雙面加固的方法，內(nèi)部墻距較近的墻體，可考慮采用單面加固的方法，例如本算例的電梯井部分，三是應(yīng)精細(xì)化設(shè)計(jì)新增結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)，使構(gòu)件實(shí)際受力情況更接近計(jì)算假定。

3 結(jié)論

近年來(lái)，隨著我國(guó)城市化的高速發(fā)展，人們生活質(zhì)量得到迅速提升，合理的利用城市資源是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施。現(xiàn)階段的城市正在由傳統(tǒng)模式向著生態(tài)模式轉(zhuǎn)變，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2021年底，我國(guó)既有建筑面積已超800億平方米，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部日前印發(fā)的《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，完成既有建筑節(jié)能改造面積3.5億m2以上。既有建筑面積大，改造任務(wù)重，是近年來(lái)既有建筑改造的大背景。

根據(jù)《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》GB 55021-2021[3]規(guī)定：既有建筑的鑒定與加固，應(yīng)遵循先檢測(cè)、鑒定，后加固設(shè)計(jì)、施工與驗(yàn)收的原則。必要時(shí)，業(yè)主應(yīng)組織相關(guān)專(zhuān)家對(duì)加固方案進(jìn)行論證。既有建筑改造項(xiàng)目情況復(fù)雜多變，能夠快速準(zhǔn)確的找到合理的加固方案，是結(jié)構(gòu)工程師的重要工作內(nèi)容，這時(shí)概念設(shè)計(jì)的思想尤為關(guān)鍵，它可以更好的激發(fā)設(shè)計(jì)靈感，不斷的做到設(shè)計(jì)創(chuàng)新，能夠滿足建筑專(zhuān)業(yè)更高的要求。