某框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓抗震鑒定與加固＊

丁 陽(yáng)

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

某中學(xué)1號(hào)教學(xué)樓位于上海市閔行區(qū)，建于2002年，建筑面積約3 941m2。1號(hào)教學(xué)樓由主樓、副樓2個(gè)單體組成，單體間設(shè)變形縫，均為框架結(jié)構(gòu)。由于使用方擬對(duì)教學(xué)樓進(jìn)行裝修改造，為保證結(jié)構(gòu)安全，應(yīng)委托方要求，需對(duì)房屋進(jìn)行抗震鑒定，并進(jìn)行相應(yīng)抗震加固。以下以1號(hào)教學(xué)樓主樓的抗震鑒定與加固為例進(jìn)行介紹。

2 原設(shè)計(jì)概況

1號(hào)教學(xué)樓主樓為5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑平面基本呈矩形，東西長(zhǎng)57.8m、南北寬9.6m，層高3.9m，室內(nèi)外高差0.75m，房屋高度20.25m。南北向2跨，柱距2.4m，6.6m，東西向12跨，柱距分別為6.6m，4.5m，3.6m。房屋框架柱截面尺寸為500mm×600mm，500mm×500mm，框架梁截面尺寸為250mm×500mm，250mm×650mm，樓面、屋面均采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，板厚主要為120mm。基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土柱下獨(dú)立承臺(tái)+預(yù)制方樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)及承臺(tái)均采用C20混凝土，樁采用C40混凝土，圍護(hù)墻和隔墻±0.000m以下采用MU10標(biāo)準(zhǔn)磚和M7.5水泥砂漿砌筑，±0.000m以上采用MU10多孔黏土磚和M7.5混合砂漿砌筑。1號(hào)教學(xué)樓主樓2層原結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示。

圖1 1號(hào)教學(xué)樓主樓2層原結(jié)構(gòu)平面

3 改造方案

該建筑原設(shè)計(jì)為教學(xué)樓，局部作為辦公輔助用房，使用過(guò)程中未進(jìn)行大規(guī)模改擴(kuò)建，實(shí)際使用狀況與原有設(shè)計(jì)基本一致。此次裝修改造對(duì)房屋進(jìn)行局部功能調(diào)整，使用荷載較原設(shè)計(jì)有所增加，無(wú)改擴(kuò)建。

4 抗震鑒定

原設(shè)計(jì)按7度一般設(shè)防類（丙類）抗震設(shè)防，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。按GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》要求，此次改建應(yīng)按C類建筑（后續(xù)使用50年）7度重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）進(jìn)行抗震設(shè)防，框架抗震等級(jí)需提高至二級(jí)。根據(jù)委托方提供的圖紙資料，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)房屋損傷調(diào)查、傾斜測(cè)量、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度測(cè)試及結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施調(diào)查，對(duì)房屋進(jìn)行鑒定分析，得到如下鑒定結(jié)論。

1）房屋建筑、結(jié)構(gòu)布置與原設(shè)計(jì)基本一致，構(gòu)件截面尺寸與原設(shè)計(jì)基本一致，混凝土構(gòu)件配筋情況與原設(shè)計(jì)圖紙基本相符。

2）房屋上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度達(dá)到原設(shè)計(jì)C20的要求。

3）房屋略向南向西傾斜，南北方向各測(cè)點(diǎn)傾斜率在0.21‰～1.16‰，東西方向各測(cè)點(diǎn)傾斜率在0.13‰～1.29‰；房屋傾斜率均小于上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-11—2017《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的限值4.00‰。

4）房屋存在局部填充墻墻體裂縫、局部樓板開(kāi)裂、局部樓板涂料脫落及滲水現(xiàn)象。房屋梁、柱、板等主要承重構(gòu)件基本完好，現(xiàn)有損傷主要為非結(jié)構(gòu)性損傷。

5）按照7度抗震設(shè)防C類建筑（乙類）的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)房屋的結(jié)構(gòu)體系及抗震措施進(jìn)行鑒定：房屋存在局部不規(guī)則問(wèn)題，樓梯間設(shè)置在房屋端部，結(jié)構(gòu)平面布置不合理，而且樓梯間填充墻構(gòu)造不符合要求；承載力驗(yàn)算結(jié)果表明：房屋存在部分框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪驗(yàn)算不滿足要求，部分框架梁、柱承載力不足，局部樓、屋面板承載力不足，樓梯間樁基承載力不足等問(wèn)題?？傮w上，房屋抗震性能未達(dá)到抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求，需進(jìn)行抗震加固。

5 抗震加固

5.1 加固方案

抗震加固設(shè)計(jì)以房屋抗震鑒定報(bào)告及建筑改造方案為依據(jù)，對(duì)房屋整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核、驗(yàn)算，并根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，對(duì)不滿足現(xiàn)行規(guī)范的構(gòu)件采取加固措施，確保房屋的安全使用。

1）房屋底層框架柱承載力普遍欠缺，而且框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)普遍存在抗剪驗(yàn)算不足的問(wèn)題，采取設(shè)置鋼筋混凝土抗震墻的加固措施，對(duì)房屋進(jìn)行整體加固。

通過(guò)增設(shè)一定數(shù)量的抗震墻，將原框架結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭蚣?抗震墻結(jié)構(gòu)，一方面可通過(guò)提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的側(cè)向位移；另一方面由于抗震墻承擔(dān)大部分地震作用，減小原框架梁柱的受力，進(jìn)而可以避免大量梁柱的加固工作；此外，通過(guò)加固改變結(jié)構(gòu)體系，可維持原框架梁柱的抗震等級(jí)為三級(jí)不變，配筋構(gòu)造要求不需要在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高。經(jīng)綜合考慮，最終選擇增設(shè)鋼筋混凝土抗震墻這一經(jīng)濟(jì)有效的加固方案。

2）對(duì)房屋進(jìn)行基礎(chǔ)加固，采取新增錨桿靜壓樁和擴(kuò)大承臺(tái)截面的加固方法，主要針對(duì)新增抗震墻和樓梯間位置。

3）對(duì)于增設(shè)混凝土抗震墻后仍不滿足承載力要求的框架柱采取擴(kuò)大截面的加固措施。

4）對(duì)于增設(shè)混凝土抗震墻后仍不滿足承載力要求的框架梁采取粘貼碳纖維布的加固措施。

5）對(duì)承載力不足的現(xiàn)澆板，采取粘貼碳纖維布的加固措施。

6）樓梯間均設(shè)置在房屋端部，對(duì)樓梯間的填充墻進(jìn)行雙面鋼絲網(wǎng)砂漿面層加強(qiáng)。

5.2 加固設(shè)計(jì)參數(shù)

原結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，加固后結(jié)構(gòu)體系為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，抗震鑒定類別為C類，加固設(shè)計(jì)的后續(xù)使用年限為50年。計(jì)算采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行計(jì)算。

1）樓屋面活荷載樓面活荷載：2.5kN/m2（教室），8.0kN/m2（廁所），2.0kN/m2（辦公室），3.5kN/m2（走廊、樓梯間）；屋面活荷載：0.5kN/m2（不上人屋面）。

2）風(fēng)荷載 上海地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度B類。

3）雪荷載 上海地區(qū)50年一遇基本雪壓為0.20 kN/m2，雪荷載準(zhǔn)永久值系數(shù)分區(qū)為Ⅲ區(qū)。

4）抗震設(shè)防參數(shù) 抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期0.90s，建筑場(chǎng)地類別為上海Ⅳ類場(chǎng)地，抗震等級(jí)為：框架為三級(jí)，抗震墻為二級(jí)。

5.3 加固設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1）由于房屋基礎(chǔ)埋置較深，底層計(jì)算高度較大，而且框架柱截面尺寸沿樓層自下而上有所減小，原結(jié)構(gòu)底層側(cè)移剛度與上3層平均側(cè)移剛度80%的比值（剪切剛度）為x向0.457 3，y向0.465 9，底層形成剛度薄弱層。增設(shè)抗震墻后，結(jié)構(gòu)體系改變?yōu)榭蚣?抗震墻結(jié)構(gòu)，根據(jù)上海市工程建設(shè)規(guī)范DGJ 08-9—2013《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》表5.5.1的要求，整體彈性計(jì)算時(shí)，框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的嵌固端上一層的彈性層間位移角限值為1/2 000。綜合以上兩點(diǎn)，需對(duì)底層側(cè)向剛度進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，以消除底部薄弱層，但同時(shí)要避免薄弱層的轉(zhuǎn)移。

2）房屋原結(jié)構(gòu)兩主軸方向的剛度差異較大，增設(shè)抗震墻時(shí)，應(yīng)使兩主軸方向的剛度適當(dāng)接近，以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。加強(qiáng)位置宜盡量集中，不宜分散，對(duì)樓梯位置宜做適當(dāng)加強(qiáng)，以減小樓梯構(gòu)件地震反應(yīng)。1號(hào)教學(xué)樓主樓2層加固平面布置如圖2所示。

圖2 1號(hào)教學(xué)樓主樓2層加固平面布置

3）根據(jù)DGJ 08-81—2015《現(xiàn)有建筑抗震鑒定與加固規(guī)程》第17.3.8條，采用擴(kuò)大截面加固后的梁柱可作為整體構(gòu)件進(jìn)行抗震驗(yàn)算，其中新增鋼筋、混凝土的強(qiáng)度折減系數(shù)不宜大于0.85，當(dāng)新增的混凝土強(qiáng)度等級(jí)比原框架柱高一個(gè)等級(jí)時(shí)，可直接按原強(qiáng)度等級(jí)計(jì)算而不再計(jì)入混凝土強(qiáng)度的折減系數(shù)。原框架梁、柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C20，此次加固新增抗震墻及構(gòu)件加固時(shí)擴(kuò)大截面部分均采用C25混凝土；原框架梁、柱主筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235，此次加固時(shí)擴(kuò)大截面部分均采用HRB400鋼筋。新增混凝土和鋼筋的材料強(qiáng)度均按原強(qiáng)度等級(jí)取用，而不再進(jìn)行強(qiáng)度折減。

4）增設(shè)抗震墻后，為確?？拐饓εc原有框架共同受力，新增抗震墻與原結(jié)構(gòu)的連接尤為重要。新增抗震墻與原結(jié)構(gòu)的連接主要有以下4種情況，如圖3～6所示。

圖3 新增剪力墻與框架柱混凝土擴(kuò)大截面連接

圖4 新增剪力墻與原框架柱連接

圖5 新增剪力墻基礎(chǔ)錨固

圖6 新增剪力墻與原框架梁連接

5）對(duì)新增抗震墻和樓梯間樁基承載力不足位置，采取新增錨桿靜壓樁和擴(kuò)大承臺(tái)截面的加固方法，為確保承臺(tái)擴(kuò)大截面部分與原承臺(tái)共同受力，做好新老承臺(tái)之間的連接同樣非常重要。新老承臺(tái)的連接做法如圖7所示。

圖7 新老承臺(tái)連接

6 加固后結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算

1）底層側(cè)移剛度與上3層平均側(cè)移剛度80%的比值（剪切剛度）為x向1.110 0，y向1.072 5，各樓層均未出現(xiàn)薄弱層。

2）房屋在地震作用下的最大層間位移角為x向1/1 150，y向1/1 437，滿足規(guī)范1/800限值要求；底層層間位移角為x向1/2 261，y向1/3 636，滿足規(guī)范1/2 000限值要求。

3）房屋在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力作用下的最大位移比為x向1.04，y向1.18，最大層間位移比為x向1.08，y向1.20，結(jié)構(gòu)平面布置基本規(guī)則。

構(gòu)件抗震承載力驗(yàn)算：增設(shè)抗震墻后，除底層有少數(shù)框架柱抗彎承載力不足外，其余框架梁、柱承載力均滿足計(jì)算要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本工程中1號(hào)教學(xué)樓主樓原為丙類設(shè)防框架結(jié)構(gòu)，按乙類設(shè)防進(jìn)行改造時(shí)，由于抗震等級(jí)提高，往往會(huì)出現(xiàn)框架梁、柱抗震承載力普遍不足的情況，此時(shí)可通過(guò)增設(shè)部分抗震墻，改變?cè)Y(jié)構(gòu)體系的方法進(jìn)行加固，從而減少加固工程量，降低工程造價(jià)。