鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析

楊明飛 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)姜黎，徐穎，宗翔 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)涂剛要 (合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

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鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析

楊明飛 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)姜黎，徐穎，宗翔 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)涂剛要 (合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓使用年限較長，結(jié)構(gòu)進行過二次變更，業(yè)主要求對建筑局部進行再次改造，增加或拆除部分墻體，改變部分房間的使用功能，為了確保結(jié)構(gòu)的安全可靠，因此需要對建筑目前的安全性進行診斷與分析。按照現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范的要求對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)梁、柱等主要受力構(gòu)件的混凝土碳化和強度、鋼筋分布間距和保護層厚度、表觀質(zhì)量和裂縫、構(gòu)件截面尺寸以及混凝土質(zhì)量缺陷等項目分別進行檢測，此外利用檢測數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進行了ANSYS數(shù)值建模，靜、動力作用下對結(jié)構(gòu)進行了測試與分析。綜合所有測試數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果，最終將現(xiàn)階段該框架結(jié)構(gòu)的安全性等級評定為Bsu級，在此基礎(chǔ)上提出了改造加固意見，并建議進行定期跟蹤與測試。

鋼筋混凝土；安全性；混凝土碳化；數(shù)值建模；結(jié)構(gòu)改造加固

圖1 框架辦公樓平面示意圖(單位：mm)

目前，全壽命周期設(shè)計的理念被提出并被廣泛接受，目的是希望在建或既有建筑除了在使用年限內(nèi)滿足使用功能外，還要求結(jié)構(gòu)在超越使用年限后，仍能夠保持或者經(jīng)過適當?shù)男迯腿阅鼙３制鋺?yīng)有的功能及結(jié)構(gòu)安全性，因此對既有建筑的安全性診斷與分析是十分必要的[1～3]。以某鋼筋混凝土辦公樓為例，對其安全性進行了評估。該辦公樓屬于框架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)6層，局部7層，層高3.6m，如圖1所示。結(jié)構(gòu)所處環(huán)境正常，基礎(chǔ)設(shè)計容許承載力為30t/m2。建筑在工程施工中曾經(jīng)進行過變更：上層加層和局部設(shè)地下室，因此實際建筑與原始設(shè)計并不一致。整體建筑外觀無明顯的破損、不均勻沉降和傾斜現(xiàn)象，但是地下室存在個別透水點。業(yè)主方要求在建筑的一些局部進行重新分割，增加或拆除部分附屬墻體，對一些使用房間功能進行變更改造，但是不能影響建筑的安全使用。

根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》 (GB50204-2015)、《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》(GB/T50344-2004)、《混凝土中鋼筋檢測技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T152-2008)等規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定，對其進行安全性分析，為整體結(jié)構(gòu)的改造加固提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)原位檢測

圖2 地下室梁取芯位置

1)鋼筋混凝土構(gòu)件取芯強度檢測。采用《鉆

芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》(CECS03：2007)進行了部分構(gòu)件混凝土強度檢測，目的是對后續(xù)的混凝土回彈強度進行修正，取樣比例為30%。檢測方法：在選取適合取芯位置之前，對其進行回彈，再對取芯試樣進行抗壓強度試驗，將芯樣強度均值除以對應(yīng)的回彈強度均值，得出修正系數(shù)。將構(gòu)件現(xiàn)齡期混凝土強度推定值乘以修正系數(shù)得出構(gòu)件混凝土齡期修正值[4]，其中梁取芯的具體位置如圖2所示。

按照規(guī)范要求對所取芯樣進行了力學測試，測試結(jié)果顯示，地下室梁混凝土強度推定值為51.79MPa，三層梁混凝土強度推定值為39.95MPa。

2) 鋼筋混凝土構(gòu)件碳化深度檢測。隨機抽取混凝土構(gòu)件進行碳化深度檢測，抽檢比例為回彈測區(qū)的30%，目的是修正混凝土的回彈強度[5]。碳化深度抽樣測試部位涵蓋了地下室、三層、四層梁、柱等構(gòu)件。碳化深度測試結(jié)果顯示，地下室梁、柱混凝土平均碳化深度分別為5.5、6.0mm；三層梁、柱混凝土平均碳化深度分別為5.0、7.5mm；四層梁、柱混凝土平均碳化深度分別為7.0、7.5mm。

3) 鋼筋混凝土構(gòu)件強度回彈檢測。根據(jù)該建筑結(jié)構(gòu)類型及現(xiàn)場實際情況，依據(jù)國家標準《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準》(GB/T50344-2004)及行業(yè)標準《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T23-2011)，對該工程混凝土構(gòu)件進行隨機抽樣(抽樣比例30%)，采用回彈法對其現(xiàn)齡期混凝土抗壓強度進行了批量檢測[6]，回彈測區(qū)如圖3所示。

圖3 混凝土回彈測區(qū)分布

從圖3(a)可以看出，混凝土柱表面的抹灰層較厚，鑿開后發(fā)現(xiàn)除了抹灰以外，柱表面存在一層明顯的砂漿層，厚度為30mm以上，說明該框架結(jié)構(gòu)的混凝土柱子經(jīng)過二次的加固處理，回彈過程中應(yīng)剔除該加固層。從圖3(b)中可以看出，這種加固方法在梁中未出現(xiàn)。測試結(jié)果(數(shù)據(jù)經(jīng)過芯樣混凝土的強度和碳化修正)：地下室梁、柱混凝土強度修正值分別為34.62、34.22MPa；三層梁、柱混凝土強度修正值分別為29.99、29.26MPa；四層梁、柱混凝土強度修正值分別為29.26、31.2MPa。綜合混凝土回彈的測試結(jié)果，可以確定該框架結(jié)構(gòu)混凝土達到C30的強度等級。

4) 鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋間距檢測。采用P.S-1000混凝土結(jié)構(gòu)掃描儀(工程雷達)、一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)和鋼尺對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)辦公樓的主要構(gòu)件(梁、柱)內(nèi)部鋼筋間距進行檢測，抽檢比例為2%[7～9]。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)及原始設(shè)計圖紙推定出梁柱內(nèi)部鋼筋的原始間距，梁、柱的鋼筋加密區(qū)和非加密區(qū)間距分別為100、200mm。通過比較得出，地下室柱子縱筋、箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)間距合格率分別為30%、66.7%和64.3%。；三層柱子縱筋、箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)間距合格率分別為36.7%、58.1%和30%；四層柱子縱筋、箍筋加密區(qū)和非加密區(qū)間距合格率分別為36.7%、60.6%和38.6%；梁的縱筋、箍筋間距合格率相對較高，均達到60%以上。測試結(jié)果說明，該棟建筑的鋼筋間距合格率整體偏低。

5) 鋼筋混凝土構(gòu)件保護層厚度檢測。采用一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)對該棟辦公樓主要構(gòu)件(梁、柱)的鋼筋保護層厚度進行了批量檢測，抽檢按最低比例2%。與現(xiàn)行規(guī)范進行比較，檢測結(jié)果顯示，地下室梁、柱保護層厚度合格率分別為50%、33.3%；三層梁、柱保護層厚度合格率分別為20.8%、33.3%；四層梁、柱保護層厚度合格率分別為25%、8.3%。結(jié)構(gòu)的保護層合格率低，不滿足規(guī)范要求，但是檢測過程中發(fā)現(xiàn)除保護層外，構(gòu)件表面仍有一層砂漿層(推測是二次加固形成的)，對鋼筋也可以起到保護作用。

6) 鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫檢測。采用KON-FK(A)裂縫寬度測定儀對框架辦公樓主要構(gòu)件的表面裂縫進行了檢測，發(fā)現(xiàn)整棟建筑外墻面可見位置布滿干縮裂縫，造成建筑部分位置出現(xiàn)滲水點，內(nèi)部發(fā)現(xiàn)少量的非受力性裂縫，但是檢測表明地下室滲水點并非裂縫造成，而是穿入地下室管道的接口密封破壞，典型的裂縫如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)裂縫情況

由圖4(a)可以看出，地下室的2根橫梁的抹灰層出現(xiàn)裂縫，呈現(xiàn)縱向分布，初步判斷屬于非受力性裂縫。其中，裂縫平均寬度最大為0.79mm，長度100cm。在鑿開水泥砂漿抹灰層的過程中，發(fā)現(xiàn)被鑿開的一個柱子中有2根內(nèi)部出現(xiàn)了裂縫，如圖4(b)所示。但裂縫并沒有擴展趨勢，屬于陳舊裂縫，對結(jié)構(gòu)安全無明顯影響。

圖5 地下室梁箍筋銹蝕

7) 鋼筋混凝土構(gòu)件截面尺寸檢測。采用鋼尺對框架結(jié)構(gòu)辦公樓主要構(gòu)件(梁、柱)截面尺寸進行了批量檢測[6]，依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50204-2015)和《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)進行測試，抽檢最低比例為10%。測試結(jié)果顯示：地下室，三層及四層梁、柱的截面尺寸合格率在90%以上，符合設(shè)計要求。

8) 鋼筋銹蝕檢測。對建筑保護層厚度檢測過程中，發(fā)現(xiàn)個別梁中存在箍筋裸露情況，并且銹蝕較為嚴重，如圖5所示。

圖6 工程雷達三維掃描圖像

從圖5可以看出，梁的箍筋3處出現(xiàn)外露情況，由于地下室相對潮濕，鋼筋的銹蝕被加速，但是這種情況在其他樓層未被發(fā)現(xiàn)，為了不影響結(jié)構(gòu)的安全，檢測未對銹蝕鋼筋進行鑿開。

9) 混凝土內(nèi)部缺陷檢測。雷達檢測法是一種無損檢測技術(shù)，具有快速、無損、能連續(xù)檢測、檢測結(jié)果直觀等特點，該方法已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用于土木工程的各個領(lǐng)域。檢測采用P.S-1000混凝土結(jié)構(gòu)掃描儀(工程雷達)，對構(gòu)件混凝土開裂、酥松等質(zhì)量缺陷進行了三維掃描[10～12]，部分掃描結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，縱筋、箍筋分布均勻，混凝土介質(zhì)分布連續(xù)，未發(fā)現(xiàn)明顯質(zhì)量缺陷。

2 結(jié)構(gòu)數(shù)值建模分析

1) 靜力分析。使用有限元軟件ANSYS對該框架結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值建模，框架梁、柱均選擇beam188單元，模型選用雙線性隨動強化模型，樓板選擇shell63單元模擬，按照實測數(shù)據(jù)，混凝土采用C30，在靜力荷載作用下，結(jié)構(gòu)的受力如圖7所示。

圖7 框架結(jié)構(gòu)靜載受力圖

從圖7可以看出，結(jié)構(gòu)在靜力荷載的作用下最大應(yīng)力僅為3.15MPa，最大豎向變形為2.1mm，滿足靜力承載的要求。

2) 動力分析。為了得到框架結(jié)構(gòu)辦公樓的動力特性，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)進行了分析，得出結(jié)構(gòu)的前2階振型，如圖8所示。

由圖8可以看出，受檢框架結(jié)構(gòu)辦公樓一階、二階振型均以平動為主，其自振頻率分別為1.742Hz和1.843Hz，符合框架結(jié)構(gòu)的動力屬性特點。

考慮到淮南地區(qū)7度抗震設(shè)防，利用峰值加速度為220gal的3條地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)對結(jié)構(gòu)進行了三向激勵，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)滿足變形及強度要求。以Elcentro波作用下，結(jié)構(gòu)整體受力和頂點位移為例進行說明，如圖9所示。

圖8 結(jié)構(gòu)振型圖

圖9 框架結(jié)構(gòu)受力與位移時程

從圖9可以看出，在Elcentro波激勵下，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在底層，其值為68.6MPa，頂層最大位移為162.4mm，層間最大相對彈塑性位移角為1/218，與現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)進行對比可知，結(jié)構(gòu)滿足彈塑性位移角限值為1/50的要求[13]。

3 結(jié)構(gòu)安全性鑒定

3.1 第1層次鑒定[構(gòu)件安全性評級au、bu、cu、du]

1) 混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件。根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.2節(jié)[7]，鋼筋混凝土梁、柱的回彈強度達到C30，外觀無明顯缺陷，連接方式正確，無影響承載的撓度和裂縫等問題，同時考慮到結(jié)構(gòu)已經(jīng)進行過加固行為，因此將混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全等級評定為bu級。

2) 圍護系統(tǒng)。根據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.4節(jié)[7]，圍護系統(tǒng)中未出現(xiàn)明顯的非受力性裂縫或受力性裂縫，墻體高厚比符合國家現(xiàn)行規(guī)范的要求，工作無異常，該建筑的圍護系統(tǒng)安全性等級評定為au級。

3.2 第2層次鑒定[子單元安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1) 上部承重結(jié)構(gòu)子單元。依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.3節(jié)[7]，該建筑上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全性等級評定為bu級的占80%以上，無du級，因此該建筑物上部承重結(jié)構(gòu)子單元的安全性鑒定等級為Bu級。

2) 圍護系統(tǒng)子單元。該建筑物圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施等均滿足規(guī)范要求，依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.4節(jié)[7]，圍護系統(tǒng)子單元安全性等級評定為Au級。

3.3 第3層次鑒定[鑒定單元(建筑)安全性評級Asu、Bsu、Csu、Dsu]

按照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第9.1節(jié)的規(guī)定[7]，整棟建筑外觀完整，框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度滿足要求，同時考慮到整棟建筑未出現(xiàn)沉降、開裂等現(xiàn)象，結(jié)合結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的結(jié)論，整體結(jié)構(gòu)的安全性等級綜合評定為Bsu級。

4 結(jié)構(gòu)改造加固建議

1) 施工之前應(yīng)設(shè)計科學的施工方案，考慮改造對原結(jié)構(gòu)的影響，尤其是原結(jié)構(gòu)相關(guān)構(gòu)件的受力影響，采取科學的施工順序。

2) 改變房屋使用功能時，建議增加120mm(或100mm)厚隔墻，同時當墻長大于5m(或墻長超過層高2倍)時，應(yīng)該在墻長中部(遇有洞口在洞口邊)設(shè)置構(gòu)造柱，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3) 加固改造之前，首先解決地下室的漏水問題，施工應(yīng)委托具有相應(yīng)資質(zhì)和有該方面施工經(jīng)驗的施工隊伍，對于裸露的梁箍筋，建議采取保護措施，防止銹蝕加劇。

4) 嚴禁拆除框架結(jié)構(gòu)主要受力構(gòu)件，如果確需拆除，需經(jīng)原設(shè)計單位設(shè)計并復核。

5 結(jié)論

既有建筑的改造是全壽命周期理念的一項重要工作，其基礎(chǔ)是首先明確既有建筑的安全狀況，進而采取合理有效的加固方式。以一鋼筋混凝土框架辦公樓為例進行了安全性診斷與分析，得出以下結(jié)論：

1) 以回彈法結(jié)合取芯修正是目前檢測混凝土強度的主要手段，以該方法對待檢混凝土進行了檢測，結(jié)果表明混凝土的強度等級達到C30的要求。

2) 工程雷達三維缺陷掃描結(jié)果能夠較為清晰的顯示混凝土內(nèi)部質(zhì)量均勻，無明顯缺陷，對混凝土強度的檢測結(jié)果是非常有效的補充。

3) 既有建筑承載力校核是鑒定結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一，利用ANSYS軟件，在靜力和動力載荷的作用下，對框架辦公樓結(jié)構(gòu)進行了受力分析，證明了結(jié)構(gòu)受力及變形均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4) 綜合現(xiàn)場檢測和數(shù)值分析的結(jié)果，整棟框架結(jié)構(gòu)的安全性等級被評定為Bsu級，在此基礎(chǔ)上可以適當進行局部改造。

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[4] CECS03：2007，鉆芯法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程 [S].

[5] JGJ/T23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程 [S].

[6] GB/T50344-2004，建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標準 [S].

[7] GB50292-2015，民用建筑可靠性鑒定標準 [S].

[8] GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].

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[10] GB50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范 [S].

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[13] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范 [S].

[編輯] 計飛翔

2016-09-25

安徽省高校自然基金重點項目(KJ2016A209)；安徽理工大學人才引進基金項目(ZY044)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目(2012-k2-39)。

楊明飛(1979-)，男，博士，副教授，現(xiàn)主要從事建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定方面的教學與研究工作；E-mail：yangmf_aust@163.com。

TU375

A

1673-1409(2016)34-0004-06

[引著格式]楊明飛,姜黎，徐穎，等.鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：4～9.