基于ETABS軟件的檢測鑒定及加固設(shè)計分析

梁亞雄王立功

（1蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

基于ETABS軟件的檢測鑒定及加固設(shè)計分析

梁亞雄1,2王立功1

（1蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

本文以甘肅省某18層框剪結(jié)構(gòu)住宅樓的地下室框架柱出現(xiàn)軟弱夾層為背景，對該住宅樓進(jìn)行了檢測鑒定及加固設(shè)計。該建筑由于施工不當(dāng)，致使地下室相鄰的兩根框架柱出現(xiàn)了軟弱夾層。因為有軟弱夾層的存在，最終導(dǎo)致在使用過程中夾層處被壓縮，柱身產(chǎn)生較為嚴(yán)重的不均勻沉降，并且變形還在繼續(xù)。通過檢測得到混凝土框架柱的形變大小、混凝土的強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度以及裂縫寬度等重要數(shù)據(jù)，然后使用有限元軟件ETABS進(jìn)行了建模分析，由此也進(jìn)一步的驗證出檢測數(shù)據(jù)的可靠性。通過有限元分析同時也得到更加準(zhǔn)確的加固順序以及加固范圍，從而制定出更加有效可行的加固方案。有了這一分析過程也將給現(xiàn)實(shí)工程中的加固方案制定過程提供參考。

框架柱；軟弱夾層；檢測鑒定；加固

隨著對建筑物進(jìn)行檢測和加固的工程項目增多，從而使得對檢測和加固的技術(shù)要求越來越高。2006年，徐鎮(zhèn)凱[1]等人對已有的檢測和加固方法做了系統(tǒng)的總結(jié)與歸納。根據(jù)對建筑物進(jìn)行檢測和加固的經(jīng)驗來看，檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對加固方法制定有很大的影響，而在對建筑物進(jìn)行檢測的過程中，會因為許多主觀和客觀因素的影響，從而導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。2015年，胡智偉[2]對影響某結(jié)構(gòu)安全性鑒定結(jié)論的因素做了差異性分析。為了能夠制定更加有效合理的加固措施，可以先對所要檢測的建筑物利用有限元軟件進(jìn)行建模分析，然后將分析結(jié)果與檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，最后制定加固方法。2015年，夏敏[3]等人為了分析受損結(jié)構(gòu)在修復(fù)、加固后的力學(xué)性能，利用ABAQUS有限元軟件的開發(fā)平臺，建立ASFCF分析系統(tǒng)，對受損、修復(fù)和加固后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析?；谏鲜鲈?，對本次的工程進(jìn)程制定了以下次序：首先對框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，然后利用有限元軟件對加固前的住宅樓進(jìn)行建模分析，最后根據(jù)對比結(jié)果制定合理的加固方案。

1 建筑結(jié)構(gòu)概況

該工程為某住宅小區(qū)二期的一棟住宅樓，建成于2013年05月，為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)地上十八層（局部十九層），設(shè)一層地下室，建筑總高度54.60米，矩形平面，建筑總長度為55.6米，總寬度為16米，高寬比4.83，室內(nèi)外高差400mm；設(shè)計使用年限為50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15g，設(shè)計地震分組第三組；基礎(chǔ)設(shè)計為乙級，框架抗震等級為三級，剪力墻抗震等級為二級。該建筑基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土平板式筏形基礎(chǔ)，筏板厚度為1米，基礎(chǔ)持力層為卵石層（平面布置圖如圖1所示）。

該住宅樓某住戶在9月13日發(fā)現(xiàn)地下室16/C軸和16/B軸線兩根混凝土柱腹部部位出現(xiàn)抹灰層脫落，周圍框架梁出現(xiàn)較為密集的裂縫。對此相關(guān)管理部門十分重視，隨即對發(fā)現(xiàn)的兩個混凝土柱進(jìn)行抹灰面層開鑿觀察，觀察發(fā)現(xiàn)材料顏色呈灰白色，不同于正常混凝土的顏色，材質(zhì)松散，內(nèi)部無粗細(xì)骨料，并出現(xiàn)多道豎向裂縫，該層物質(zhì)與上下部混凝土有明顯分界線，剝落下來為白灰色粉末凝結(jié)塊狀物，手可掰碎。在發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的第二天建設(shè)單位對出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷的兩根柱子四周用HN300工字鋼進(jìn)行了臨時支撐（見圖2所示）。

圖1 地下室平面布置圖（圖中紅色標(biāo)記柱有軟弱夾層）

圖2 嚴(yán)重缺陷柱工字鋼臨時加固照片

2 檢測鑒定

根據(jù)建設(shè)局提供的原設(shè)計圖紙、在現(xiàn)場了解到的情況以及《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[4]和《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]等規(guī)范，對現(xiàn)場已經(jīng)開鑿的16軸兩根框架柱、缺陷柱鄰近區(qū)域框架柱以及框架梁進(jìn)行了現(xiàn)場檢測鑒定。

2.1 現(xiàn)場檢測鑒定[6]

1）外觀普查

外觀普查包括出現(xiàn)軟弱夾層的框架柱、缺陷柱鄰近區(qū)域框架柱以及框架梁等。

①缺陷柱：材料顏色呈灰白色，不同于正常混凝土的顏色，材質(zhì)松散，內(nèi)部無粗細(xì)骨料，并出現(xiàn)多道豎向裂縫，該層物質(zhì)與上下部混凝土有明顯分界線（詳見圖3）。

②相鄰框架柱：柱身有較多的裂紋，框架柱7/B、9/C出現(xiàn)離析、蜂窩及露筋嚴(yán)重缺陷。

③相鄰框架梁：梁身有大量的裂縫（見圖4）

圖3 缺陷柱的異質(zhì)夾層

圖4 框架梁的彎剪裂縫

2）裂縫普查與檢測

從檢測結(jié)果來看，混凝土柱和梁均出現(xiàn)了不同程度的裂縫。

①混凝土梁裂縫主要表現(xiàn)為剪切裂縫、剪彎裂縫、斜拉裂縫和彎裂縫，出現(xiàn)的位置為缺陷柱相鄰區(qū)域。同時，普查了1-4層該區(qū)域的混凝土梁，同樣出現(xiàn)了類似的裂縫，窗角出現(xiàn)斜向裂縫。

②缺陷柱相鄰18/B、18/C、15/B出現(xiàn)了一些豎向裂縫；其余柱裂縫，多數(shù)表現(xiàn)為不規(guī)則的龜裂，為非受力性裂縫。

3）混凝土構(gòu)件變形檢測

本次工程現(xiàn)場檢測時缺陷柱夾層壓潰沉陷，梁端下移，采用拉線測量梁端高差，檢測的結(jié)果中包含了梁端下移量、施工誤差和自重作用下的變形。經(jīng)檢測最大下移量為C/7-9框架梁端2.28cm。

4）鋼筋位置、直徑、數(shù)量及保護(hù)層厚度檢測

本次工程現(xiàn)場檢測使用鋼筋位置測定儀對框架柱進(jìn)行了普檢，對框架梁進(jìn)行了抽檢。檢測結(jié)果顯示被檢測的所有構(gòu)件的鋼筋位置、直徑、數(shù)量及保護(hù)層厚度均達(dá)到了規(guī)范要求。

5）混凝土抗壓強(qiáng)度測試

混凝土抗壓強(qiáng)度測試，采用回彈法進(jìn)行測試，檢測范圍為5#住宅樓地下室所有混凝土梁、柱構(gòu)件。經(jīng)測試，所測地下室混凝土梁、柱共有54個構(gòu)件（不含缺陷柱），其中梁混凝土抗壓強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，柱混凝土抗壓強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度的有3個構(gòu)件，分別為4/D、5/D和13/D。從測試數(shù)據(jù)來看，變異系數(shù)較大，混凝土抗壓強(qiáng)度值存在較大離散性。

6）混凝土內(nèi)部缺陷與均勻性檢測

為了防止地下室其他框架柱內(nèi)也存在缺陷，所以對構(gòu)件混凝土內(nèi)部質(zhì)量（連續(xù)性和完整性）、均質(zhì)性、不密實(shí)區(qū)、空洞等進(jìn)行抽檢，抽檢數(shù)量9根，其余構(gòu)件剔除抹灰層觀察，并結(jié)合回彈數(shù)據(jù)分析。此次混凝土內(nèi)部缺陷的檢測，采用NM-4B非金屬超聲檢測分析儀進(jìn)行測試，對于內(nèi)部質(zhì)量采用對測法和斜側(cè)法。在抽檢過程中，著重對缺陷柱周圍的柱子進(jìn)行了檢測，另外因為在前面檢測過程中發(fā)現(xiàn)7/B軸線的框架柱出現(xiàn)了離析、蜂窩及露筋，缺陷區(qū)域為17cm×20cm，所以對其也進(jìn)行了檢測。

從對測法超聲數(shù)據(jù)看，所測柱混凝土勻質(zhì)性較差，在所測數(shù)據(jù)中存在較多的異常點(diǎn)，和本批數(shù)據(jù)相比存在差異，說明混凝土本身質(zhì)量波動性較大。

表1 對測波幅、聲速統(tǒng)計判斷情況

從斜測法超聲數(shù)據(jù)看，同樣具有較大的波動性，但所測柱未出現(xiàn)明顯的異質(zhì)松散材料夾層。但18/B斜測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，懷疑有異質(zhì)材料或松散。

7）混凝土構(gòu)件變形檢測

構(gòu)件變形應(yīng)該是直接或間接荷載作用下，物體形狀、位置發(fā)生的變化。本次工程現(xiàn)場檢測時缺陷柱夾層壓潰沉陷，梁端下移，采用拉線測量梁端高差，檢測的結(jié)果中包含了梁端下移量、施工誤差和自重作用下的變形。最大下移量為C/7-9框架梁端2.28cm。

3 ETABS計算與分析

3.1 ETABS軟件建模數(shù)據(jù)

ETABS集成了大部分國家和地區(qū)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要計算分析軟件[7]，該工程為混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的建筑物，建筑平面呈矩形分布?？箓?cè)力體系由混凝土框架部分和剪力墻部分組成，剪力墻部分由三個樓梯間剪力墻及框架內(nèi)部三個電梯井組成的核心筒組成。結(jié)構(gòu)布局如下：X 方向 24 跨，總長度是55.6米，Y 方向 4 跨，總寬度是16米；結(jié)構(gòu)共 19 層，包括地下一層，地上18層，地下一層層高3.6米，地上一到二層層高為3.9米，其余層高均為2.9米。各構(gòu)件的截面尺寸如下：樓板厚度100mm； 剪力墻厚度：250mm；立柱尺寸分別為700mm、600mm、650mm、500mm、400mm的正方形截面；主梁截面：500mm×300mm；250mm×500mm；250mm×400mm。計算荷載具體如下：結(jié)構(gòu)自重荷載，樓板面荷載 7kN/m2（因為樓內(nèi)住戶基本上已全部入住），外圈梁線荷載 10kN/m；樓板面荷載 2kN/m2，風(fēng)荷載依據(jù)中國規(guī)范 2010 自動施加，基本風(fēng)壓 0.3kN/m2，地面粗糙度 B 類。

表2 斜側(cè)波幅、聲速統(tǒng)計判斷情況

計算模型采用的材料屬性數(shù)據(jù)如下：混凝土強(qiáng)度等級C35、C30，縱向受力鋼筋 HRB335，箍筋HRB235。

3.2 ETABS軟件運(yùn)行分析結(jié)果

由上文可知兩根柱子在柱子中部以及下部出現(xiàn)了夾層，致使柱子被壓縮，整體承載力下降，經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)夾層處的混凝土強(qiáng)度低于C15，基于以上的情況，在ETABS中將這兩根柱子C35的強(qiáng)度降低到現(xiàn)有混凝土的最低值C15來進(jìn)行模擬計算，在計算完畢后對其周圍圓圈內(nèi)的柱子軸力做統(tǒng)計，觀察其變化。另外，在對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)現(xiàn)柱1/B、4/D、5/D、13/D的強(qiáng)度未達(dá)到C35，這幾根柱子的強(qiáng)度分別為C30、C30、C25、C25，同時對這幾根進(jìn)行降低強(qiáng)度分析，觀察變化。

圖5 三維模型圖

1）內(nèi)力分析

D+L組合下軸向壓力的變化

柱子編號軸線位置原始軸向壓力（KN）降低砼強(qiáng)度D+L組合軸向壓力（KN）D+L組合軸力差值（KN）增減百分比KZ-3a 18/A -4937.28 -6566.47 -1629.19 增大 33.00%KZ-3 17/A -6481.79 -8153.41 -1671.62 增大 25.79%KZ-3 15/A -5991.70 -7323.60 -1331.9 增大 22.23%KZ-3 10/A -6002.01 -7343.61 -1341.6 增大 22.35%KZ-8 18/B -9191.98 -8143.44 1048.54 減小 -11.41%KZ-8 16/B -927.05 -931.57 -4.52 增大 0.49%KZ-7 15/B -6747.58 -7251.34 -503.76 增大 7.47%KZ-1 1/B -4094.29 -5271.64 -1177.35 增大 28.76%KZ-4 18/C -13823.67 -15132.95 -1309.28 增大 9.47%KZ-5 16/C -10643.91 -9622.64 1021.27 減小 -9.59%KZ-10 18/D -4082.0 -5139.07 -1057.07 增大 25.90%KZ-10 16/D -4023.09 -5417.48 -1394.39 增大 34.66%KZ-10 13/D -3206.69 -4502.01 -1295.32 增大 40.39%KZ-10 5/D -3615.27 -4874.06 -1258.79 增大 34.82%KZ-10 4/D -3452.52 -4685.76 -1233.24 增大 35.72%

從以上結(jié)果可以看到，由于地下室框架柱16/B和16/C的缺陷，導(dǎo)致周邊大部分柱子(18/A、17/A、15/A、10/A、、16/B、15/B、1/B、18/C、18/D、16/D、13/D、5/D、4/D)軸力增加，軸壓比發(fā)生變化，故建議對軸力增加較大的柱子進(jìn)行加固。

4 加固設(shè)計方案

通過對ETABS軟件計算結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，將地下室16/B和16/C缺陷框架柱的混凝土強(qiáng)度降為C15之后，導(dǎo)致其周圍的8根柱子（18/A、17/A、15/A、15/B、18/C、18/D、16/D、13/D）軸力增加?；贓TABS軟件分析，對結(jié)構(gòu)加固方案進(jìn)行了設(shè)計，具體的加固方案如下：

1）對地下室16/B和16/C缺陷框架柱進(jìn)行托換處理。具體做法：首先，在地下室有夾層的柱子周圍砌筑四個托柱，對缺陷柱進(jìn)行卸載；然后，鑿除夾層中的廢料，換掉銹蝕的鋼筋，再在柱子四面粘上有預(yù)留孔洞的厚鋼板，通過預(yù)留的孔洞向剔除廢料的地方澆注C60微膨脹高強(qiáng)度的混凝土，然后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，當(dāng)它徹底凝固后，拆掉四周的托柱即可。

2）一層16/B和16/C框架柱進(jìn)行外粘鋼加固：在柱子四周粘貼鋼板，后灌環(huán)氧樹脂，最后做保護(hù)層即可。

3）對因內(nèi)力重分布導(dǎo)致的相鄰區(qū)域軸力增幅較大、軸壓比不足或出現(xiàn)受壓裂縫的框架柱16/D、17/A、13/D、18/D、18/A、18/B、18/C、15/A和15/B進(jìn)行粘鋼加固，對軸力變化較小的框架柱10/A、12/D、19/A和20/D進(jìn)行粘貼碳纖維加固。

4）對因地下室16/B和16/C框架柱異質(zhì)夾層壓潰沉陷導(dǎo)致地下室相鄰區(qū)域出現(xiàn)裂縫的框架梁，及以上部分樓層相應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)剪切裂縫的框架梁，進(jìn)行注漿封閉處理，并用粘貼碳纖維或粘鋼進(jìn)行加固。

5 結(jié) 語

該工程因為地下室16/B、16/C軸線的框架柱出現(xiàn)異質(zhì)性軟弱夾層，而對這兩根框架柱進(jìn)行了臨時支護(hù)，并對地下室梁柱進(jìn)行了詳細(xì)的檢測鑒定。使用ETABS有限元軟件建模分析，制定出了更加準(zhǔn)確的加固方案，大大的增加了加固方案的可行性。

1）利用超聲進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示KZ8（軸線號18/B）的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，懷疑有異質(zhì)材料或松散，所以建議對其實(shí)施加固補(bǔ)強(qiáng)。ETABS軟件模擬分析結(jié)果顯示，兩根缺陷柱周圍共有8根框架柱的軸力增大，考慮到住宅的使用年限，提出對這8根框架柱實(shí)施加固。

2）ETABS軟件的分析結(jié)果充分的展示了框架柱軸力的變化情況，從另一個角度也可以看出，如果不對軸力增大的8根框架柱實(shí)行加固，那么隨著建筑使用年限的增加，缺陷柱周圍的這8根柱子肯定會首當(dāng)其沖的受到影響，甚至破壞。

3）結(jié)合現(xiàn)場檢測和軟件模擬分析的數(shù)據(jù)，制定的加固方案，更加具有可信度和可行性。

[1]徐鎮(zhèn)凱.袁志軍.胡濟(jì)群.建筑結(jié)構(gòu)檢測與加固方法[J].工程力學(xué),2006,23（Ⅱ）：117-130.

[2]胡智偉.某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)安全鑒定結(jié)論差異分析 [J].安徽建筑 ,2015,205(5):113-115.

[3]夏敏.余江滔.陸洲導(dǎo).火災(zāi)后空間混凝土框架結(jié)構(gòu)的受力性能模擬[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報,2015,35(3):378-342.

[4]GB50292:1999,民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

[5]GB50344:2004, 建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[6]王青沙.某框剪結(jié)構(gòu)的檢測鑒定及加層加固設(shè)計要求[J].工程抗震與加固改造，2015,37（1）：129-134.

[7]江雪梅.明偉.王海光.基于ETABS軟件鋼管砼板柱結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)分析[J]. 工程抗震與加固改造，2010,32（5）：37-39.

Inspection assessment and reinforcement design analysis with ETABS software

In this paper，having a 18-storey residential building of frame-shear wall structure in GANSU province which its basement frame columns appear weak interlayer as the background,carried on detection and identification of the residential building and reinforcement design.Due to the unreasonable construction,weak intercalated layer was appeared between the two adjacent frame columns in the basement.Because of the existence of frame column with weak interlayer，eventually the intercalated layer was compressed in the employment.What’s worse, the frame columns produced severe and uneven subsidence, and deformation was developed continuously. Detailed detection on the whole structure at the scene was carried out,the settlement of frame column is deformation,the strength,carbonization depth,concrete cover thickness and crack width,and other important data, on these basis, a finite element model was established by the software of ETABS prior to the development of reinforcement scheme.so the testing data is reliable.Through finite elements analysis giving a more accurate sequence of reinforcement and reinforcement range, thus to develop a more effective and feasible strengthening program,with this analysis also give real engineering development process strengthening scheme reference.

frame column；weak intercalated layer；inspection assessment；reinforcement

TU746.3文獻(xiàn)辨識碼：B

：1003-8965(2017)02-0007-04

梁亞雄(1979－)，男，甘肅人，講師，在讀博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)與科研(E-mail:liangyx@lut.cn)；王立功(1988－)，男，甘肅人，碩士研究生；

國家自然科學(xué)基金項目(51368037) ；甘肅省高等學(xué)校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項基金項目(1404ZTB256)，甘肅省建設(shè)科技建筑節(jié)能項目（JK2014-11）