多層砌體結(jié)構(gòu)加固改造后抗震性能分析

楊飛標(biāo)，陳信堂

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

1 工程概況

本工程位于安徽省合肥市蜀山區(qū)，建造于1984年，建成時(shí)作為旅社主樓使用，現(xiàn)要改為醫(yī)療建筑.基礎(chǔ)型式為條形基礎(chǔ)，地上6層(局部7層)，結(jié)構(gòu)型式為磚混結(jié)構(gòu)，面布置基本呈矩形，縱、橫墻共同承重體系，內(nèi)側(cè)走廊預(yù)制樓板兩端支承于房屋內(nèi)縱向墻；北側(cè)房間開(kāi)間為3 400 mm，進(jìn)深為4 500 mm；南側(cè)房間開(kāi)間為3 400 mm，進(jìn)深為5 400 mm.1～6層高約為3 400 mm.2～6層樓面板大部分采用預(yù)制板，13～15軸局部采用現(xiàn)澆樓板，7層屋面板為整體現(xiàn)澆.1層承重墻體厚度為360 mm，2～6層承重墻體厚度為240 mm.建筑面積為4 345 m2，屋蓋為鋼筋預(yù)制樓面板，采用預(yù)應(yīng)力多孔板和小平板，平面形式為長(zhǎng)方形，建筑原有平面如圖1所示.

圖1 1層建筑平面布置(單位：mm)

2 房屋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及檢測(cè)鑒定結(jié)果

項(xiàng)目所在地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，后續(xù)使用年限為30 a.依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[1]《砌體工程現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[2]《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[3]等檢測(cè)鑒定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范和PKPM抗震鑒定模塊對(duì)該建筑進(jìn)行抗震檢測(cè)鑒定.本工程鑒定結(jié)果如下：

1) 本工程建設(shè)場(chǎng)地屬于非邊坡地帶，場(chǎng)地較為平整，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果表明，地基基礎(chǔ)比較穩(wěn)定未出現(xiàn)基礎(chǔ)滑移現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)開(kāi)挖，表明該基礎(chǔ)的形式為條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約3.2 m；

2) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘和檢測(cè)：本次檢測(cè)時(shí)未見(jiàn)承重墻體裂縫；多處預(yù)制板拼接處出現(xiàn)裂縫；7層13～15/C～F軸屋面板滲漏嚴(yán)重，底板粉刷層脫落；3～4層7～10/E軸外墻滲漏，墻體粉刷層脫落；

3) 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，該砌體結(jié)構(gòu)的承重墻體強(qiáng)度值為MU7.5，砂漿強(qiáng)度值為1.7～2.5 MPa，混凝土強(qiáng)度推定值為C18.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算：1)部分承重墻體承載能力不符合標(biāo)準(zhǔn)要求；2)砌筑砂漿強(qiáng)度不符合標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造要求；3)構(gòu)造柱設(shè)置不符合標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造要求.因此結(jié)構(gòu)的承載功能等級(jí)可評(píng)定為Cu級(jí).依據(jù)《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》，該砌體結(jié)構(gòu)的安全性等級(jí)為Csu級(jí)，因此需要對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面加固.

3 工程改造與加固方案

3.1 改造方案

現(xiàn)將該建筑進(jìn)行整體改造，改造之后作為醫(yī)學(xué)影像診斷中心使用，主要改造內(nèi)容如下：

1) 拆除原結(jié)構(gòu)部分承重墻，將小房間改造為大房間，其中1層2～4/B～D軸之間的房間改造為3.0T的核磁共振室，1層5～7/A～B軸與3層2～4/A～B軸之間的房間改造為CT室，3層5～7/A～B軸之間的房間改造為DR室；

2) 將1層的8～11/A～C軸之間的原預(yù)制樓板進(jìn)行拆除，改造成為大廳；

3) 在8～9/C軸，10～11/ C軸之間新增2部電梯.

3.2 加固方案

依據(jù)檢測(cè)報(bào)告和改造之后房屋的平面布置(如圖2所示)，提出如下加固方案：

圖2 二層平面布置

1) 砌體結(jié)構(gòu)墻體加固方法主要有鋼筋混凝土面層加固，粘貼纖維復(fù)合材加固，鋼筋網(wǎng)砂漿面層加固等.其中，對(duì)于鋼筋網(wǎng)砂漿面層和粘貼纖維復(fù)合材加固砌體墻體，要求其砂漿等級(jí)不小于M2.5 MPa；對(duì)于鋼筋混凝土面層加固墻體，其加固的面層厚度一般不小于50 mm.考慮到原有結(jié)構(gòu)的砂漿強(qiáng)度等級(jí)以及改造之后房屋的使用功能，本工程墻體加固采用高延性混凝土加固.高延性混凝土加固是近些年來(lái)快速發(fā)展的一種新型加固方法，與傳統(tǒng)加固方法相比，其具有高韌性、高抗裂能力、高耐損傷、高強(qiáng)度(抗壓、抗拉強(qiáng)度都很高)等優(yōu)點(diǎn).振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)表明，單面加固磚墻比傳統(tǒng)鋼筋網(wǎng)水泥砂漿優(yōu)勢(shì)明顯，在罕遇地震作用下不倒甚至不壞[4]，因此，采用高延性混凝土加固墻體，以提高墻體的抗震性能和受壓承載力.

2) 根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，原有砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱設(shè)置不符合規(guī)范要求，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)的整體性剛度較差，抗震能力不足.因此，需要對(duì)原結(jié)構(gòu)縱橫墻交接處增設(shè)部分構(gòu)造柱以此保證加固后結(jié)構(gòu)的整體抗震性能滿足要求，其中新增部分構(gòu)造柱采用高延性混凝土-砌體組合構(gòu)造柱，如圖3所示.

3) 該砌體結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)改造之后，部分房間改造成為大空間，需要對(duì)原有結(jié)構(gòu)的部分承重墻進(jìn)行拆除，拆除后原有結(jié)構(gòu)的傳力路徑被打斷，原承重墻體的上部荷載無(wú)法再通過(guò)墻體傳遞到原結(jié)構(gòu)的條形基礎(chǔ)上.因此需要對(duì)拆除部位增設(shè)新結(jié)構(gòu)，其中新結(jié)構(gòu)體系不僅要承擔(dān)原承重墻體所承受的上部荷載和水平荷載，還要滿足房屋的凈高要求，因此采用拆墻托梁是實(shí)現(xiàn)這一目的的唯一途徑.

(a) 一字墻

(b) 縱橫墻交接處圖3 新增構(gòu)造柱

根據(jù)原建筑結(jié)構(gòu)圖紙，本工程采用2種托梁設(shè)計(jì)方案：1)在原有圈梁的基礎(chǔ)上，采用增大截面法對(duì)原有圈梁進(jìn)行加固(如圖4所示)；2)對(duì)于原建筑無(wú)圈梁處新增框架梁，并通過(guò)新增的扶壁柱(如圖5所示)或者混凝土框架柱，將托梁承受的荷載傳遞到基礎(chǔ).托梁設(shè)計(jì)時(shí)除了采用PKPM軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算的同時(shí)，還要依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)復(fù)核.

圖4 梁增大截面

圖5 新增組合扶壁柱

4) 由于改造之后16～17軸之間的房間作為衛(wèi)生間，3樓的部分房間將作為CT室和DR室，原有結(jié)構(gòu)樓板的承載力已不滿足要求，因此對(duì)于該部分預(yù)制樓板將進(jìn)行拆除新增混凝土現(xiàn)澆板.對(duì)于衛(wèi)生間的混凝土現(xiàn)澆板，其樓板板厚100 mm，配筋C8@200，雙層雙向拉通布置.CT和DR室的樓板板厚120 mm，配筋C10@200，雙層雙向拉通布置.

4 加固改造后結(jié)構(gòu)抗震性能分析

時(shí)程分析是更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，并且可以輸出地震作用下每一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移響應(yīng)的全過(guò)程.因此，本文通過(guò)采用SAP2000有限元軟件，運(yùn)用時(shí)程分析的方法對(duì)加固后的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析.

4.1 模型建立

圖6 加固后SAP2000模型

4.2 地震波選取

對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析法進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，考慮到地震波的隨機(jī)性，選取的地震波總數(shù)不應(yīng)小于實(shí)際抗震記錄的2/3.本工程擬采用3條地波EI Centro波，Tangshan SN波和Lanzhou波作為本次有限元分析中地震波的輸入(如圖7所示)，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》結(jié)構(gòu)在多遇地震和罕遇地震下的最大加速度，應(yīng)對(duì)選取的地震波進(jìn)行調(diào)幅，其地震波調(diào)幅系數(shù)見(jiàn)表1.

(a) EI Centro波

(b) Lanzhou波

(c) Tangshan SN波圖7 地震波時(shí)程曲線

表1 加速度調(diào)整系數(shù)

4.3 多遇地震下的線性時(shí)程分析

對(duì)加固后的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的線性時(shí)程分析，對(duì)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行7度抗震設(shè)防烈度下不同地震波的輸入，其結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)見(jiàn)表2.由于結(jié)構(gòu)在x方向的跨度要遠(yuǎn)大于x方向的跨度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在x方向的剛度要遠(yuǎn)大于y方向的剛度，結(jié)構(gòu)在x方向的位移變化不明顯，因此本文只列出結(jié)構(gòu)在y方向的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng).

表2 多遇地震下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中規(guī)定，結(jié)構(gòu)的層間位移角限值為1/1 000. 多遇地震下結(jié)構(gòu)最大剪力及最大加速度如表3所示，可以看出：結(jié)構(gòu)的層間位移角要遠(yuǎn)小于規(guī)范中所規(guī)定的，其經(jīng)加固改造后結(jié)構(gòu)滿足抗震規(guī)范要求.由于砌體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的橫墻對(duì)地震波在縱向的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了約束，導(dǎo)致不同地震波所產(chǎn)生的最大位移均出現(xiàn)在中間部分，其中在多遇地震下結(jié)構(gòu)的最大位移為10 mm，最大加速度為0.86 cm/s2，說(shuō)明在多遇地震作用下經(jīng)過(guò)改造加固后，砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足規(guī)范要求且達(dá)到了小震不壞的抗震設(shè)防目標(biāo).

表3 多遇地震下結(jié)構(gòu)最大剪力及最大加速度

4.4 罕遇地震下的非線性時(shí)程分析

在我國(guó)三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)中，明確給出了在多遇地震作用下砌體結(jié)構(gòu)的層間位移角限值，但是對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間位移角并沒(méi)有給出明確的限值.綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多層砌體結(jié)構(gòu)在進(jìn)行彈塑性分析時(shí)，其對(duì)砌體結(jié)構(gòu)采用的模型一般是理想彈塑性(EPP)模型，可將砌體結(jié)構(gòu)破壞的EPP模型與我國(guó)《建(構(gòu))筑物地震破壞等級(jí)劃分》進(jìn)行對(duì)應(yīng).其中蔣利學(xué)[10]給出了不同地震破壞等級(jí)所對(duì)應(yīng)的層間位移角，來(lái)評(píng)定砌體結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能，見(jiàn)表4.

表4 各性能點(diǎn)層間位移角限值

在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)位移及最大剪力響應(yīng)如表5所示，可以看出：結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的最大層間位移角均在1/300范圍以內(nèi)，說(shuō)明經(jīng)過(guò)加固改造之后的結(jié)構(gòu)滿足在大震情況下不倒塌的目的；結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的層間剪力較大，因此在對(duì)砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造過(guò)程中需要對(duì)砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱，承重墻等強(qiáng)度進(jìn)行重視，并針對(duì)抗震能力及受壓承載力不足的構(gòu)件進(jìn)行加固.

表5 罕遇地震下結(jié)構(gòu)位移及剪力響應(yīng)

5 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)比幾種墻體加固方法，并依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和改造后結(jié)構(gòu)使用功能的要求，確定了墻體采用高延性混凝土加固方法；同時(shí)當(dāng)砌體結(jié)構(gòu)拆除原有部分承重墻，原有結(jié)構(gòu)的傳力體系被打斷，因此采用“拆墻托梁”的加固改造方法實(shí)現(xiàn)大空間改造的目的.

2) 通過(guò)高延性混凝土方法加固之后的砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)此種加固改造之后的砌體結(jié)構(gòu)在小震作用下的各項(xiàng)抗震性能基本完好，在大震作用下結(jié)構(gòu)能發(fā)揮其延性性能，達(dá)到大震不倒的抗震設(shè)防目標(biāo).