內(nèi)嵌式帶框鋼支撐在建筑抗震加固中的應(yīng)用分析

王靚

（山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，濟(jì)南 250000）

1 引言

在我國，很多建筑由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)抗震設(shè)防水平不高，導(dǎo)致建筑的抗震性能不滿足要求，對(duì)建筑的使用安全有極大的影響。所以，要對(duì)既有建筑采取抗震加固措施，提升建筑的抗震能力。本文以某既有建筑改造為例，對(duì)內(nèi)嵌式帶框鋼支撐的應(yīng)用進(jìn)行分析，希望能為同類工程項(xiàng)目提供借鑒。

2 工程概述

本項(xiàng)目位于我國南方某城市，始建于1986 年，在1996 年改造后地上2 層與地下1 層屬于磚混結(jié)構(gòu)，且很長(zhǎng)一段時(shí)間作為餐廳使用。后來，對(duì)地上建筑拆除后進(jìn)行改造，將原有磚混結(jié)構(gòu)改為兩層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架柱一直延伸到基礎(chǔ)，將1 層鋼框架結(jié)構(gòu)增加到屋頂，對(duì)框架進(jìn)行擴(kuò)建，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)屬于擴(kuò)建部分基礎(chǔ)，變形縫設(shè)置在平面擴(kuò)建部分與原有結(jié)構(gòu)之間。地下室、1 層、2 層、3 層高度分別為3.40 m、3.75 m、3.70 m、4.00 m。室內(nèi)外高差、建筑總高度分別為0.45 m、11.90 m。經(jīng)調(diào)查可知，墊層、基礎(chǔ)層混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為C7.5 與C20，地基承載力特征值為180 kPa。建筑抗震防烈強(qiáng)度為8度。本工程項(xiàng)目針對(duì)實(shí)際情況，在改造過程中按照B 類建筑設(shè)計(jì)，后續(xù)使用年限為40 a。

3 建筑情況分析

在改造前對(duì)該建筑進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為：

1）在對(duì)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，使用的方法為回彈-鉆芯法，可得混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C20，符合實(shí)際需求。

2）對(duì)混凝土構(gòu)件的配筋設(shè)計(jì)圖進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)配筋符合要求，但在檢查中發(fā)現(xiàn)保護(hù)層厚度出現(xiàn)偏差，主筋保護(hù)層厚度15 mm，檢測(cè)偏差時(shí)使用的設(shè)備為結(jié)構(gòu)探測(cè)雷達(dá)，偏差較大。

3）在1 層發(fā)現(xiàn)軸框架跨梁有豎向貫通裂縫出現(xiàn)，且在各層檢測(cè)中均發(fā)現(xiàn)滲漏等問題。

4）地下室外墻、內(nèi)墻分別為鋼筋混凝土墻與磚墻，但外墻不全是鋼筋混凝土，在頂部600 mm 高程范圍內(nèi)有一部分使用磚墻砌筑，使用灰土夯實(shí)，不符合實(shí)際要求與標(biāo)準(zhǔn)，滲漏現(xiàn)象嚴(yán)重[1]。

5）檢查中發(fā)現(xiàn)地下室基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)，筏板厚、筏板配筋分別為400 mm、φ25 mm@200 mm。

6）地下室墻體與梁柱等不同區(qū)域露筋現(xiàn)象嚴(yán)重，且存在銹蝕、保護(hù)層剝落的情況。

7）位于北側(cè)的樓梯與墻體沒有落地，采用平板為地下室頂板，樓梯及墻體荷載僅由小柱和局部梁來承托。

4 既有建筑中經(jīng)常存在的問題

項(xiàng)目單位在改造前通過檢測(cè)、抗震與安全性鑒定，發(fā)現(xiàn)建筑存在的問題主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

1）本項(xiàng)目1~2 層與3 層分別為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)與鋼框架結(jié)構(gòu)，剛度突變位于上下層之間，阻尼比存在差異[2]。對(duì)阻尼比進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可采用自由衰減法，使用式（1）計(jì)算：

式中，F(xiàn)為阻尼比；A1、A2為自由衰減曲線中振幅的2 個(gè)峰值。

2）變形縫西側(cè)部分的結(jié)構(gòu)為單跨框架，GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》不允許將這類結(jié)構(gòu)用于重點(diǎn)設(shè)防。主要是由于兩個(gè)單根梁形成單跨框架，如果地震后其中1 根被破壞，整個(gè)建筑就會(huì)倒塌[3]。同時(shí)為減少鑒定量，使鑒定工作與固定改造工作有效銜接，按照3 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震承載力進(jìn)行驗(yàn)算，根據(jù)東西段連成整體考慮禁用西段單跨框架結(jié)構(gòu)。樓層抗震能力指數(shù)計(jì)算如下：

式中，β 為平面結(jié)構(gòu)樓層綜合抗震能力指數(shù)；ψ1為體系影響系數(shù)；ψ2為局部影響系數(shù)；ξy為樓層屈服強(qiáng)度系數(shù)；Vy為樓層現(xiàn)有受剪承載力；Ve為樓層彈性地震力。通過計(jì)算可以得到建筑的綜合抗震承載力等級(jí)，具體見表1。

表1 建筑的綜合抗震承載力等級(jí)

3）圍護(hù)墻砌筑不合理，導(dǎo)致周邊柱凈高與截面高度比在4以內(nèi)，箍筋沒有全高加密。同時(shí)有少部分柱的軸壓比在0.7 以上，但柱軸壓比限值為0.5。柱軸壓比的計(jì)算公式為：

式中，N為組合軸壓力設(shè)計(jì)值；A為柱全截面面積；fc為混凝土受壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；n0為箍筋柱軸壓比限值。

普通復(fù)合箍筋柱軸壓比限值可通過式（5）計(jì)算：

式中，λV為柱的配箍特征值；εc為非約束混凝土應(yīng)變?nèi)≈?；?為柱截面變形角的下限值。

4）樓層側(cè)向剛度不符合要求，1~3 層的層間位移角計(jì)算結(jié)果為：X向1/515、1/468、1/763；Y向1/535、1/533、1/1 003，通過觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)均超過1/550。

5）在平面與豎向布置的砌體填充墻向西側(cè)偏，結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。在地震作用下，要求結(jié)構(gòu)閣樓層的剪力需符合以下要求：

式中，VEKi為第i層對(duì)應(yīng)用于水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)的樓層剪力；λ為剪力系數(shù)；Gi為第i層的重力荷載代表值。若樓層位移比或?qū)娱g位移比大于1.2，則說明存在扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

5 內(nèi)嵌式帶框鋼支撐在建筑抗震加固中的應(yīng)用

5.1 改為鋼筋混凝土框架

將3 層鋼框架拆除，改為鋼筋混凝土框架，使其與2 層結(jié)構(gòu)有效連接，對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行改善，確保結(jié)構(gòu)符合要求，解決了下層剛度突變與結(jié)構(gòu)體系混亂的問題。采用HEB400 級(jí)鋼筋與HRB335 級(jí)鋼筋作為縱向受力，選擇HPB235 鋼筋為箍筋。混凝土墊層、婁底等普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別控制在C10、C20 以上，選擇的水泥砂漿強(qiáng)度等級(jí)需控制在M5 以上。鋼筋混凝土框架的抗震設(shè)計(jì)需注意兩個(gè)要點(diǎn)：

1）梁與柱的彎曲延性。軸壓比增大變形能力就會(huì)降低，軸壓比的計(jì)算見公式（4）。

2）受剪構(gòu)件的剪跨比及破壞特征。在彎矩與剪力的共同作用下，構(gòu)件受剪破壞與剪跨比有關(guān)，可以使用式（7）計(jì)算剪跨比：

式中，M為彎矩；V為剪力；h0為截面有效高度。

5.2 避免采用單跨框架，設(shè)置防撞墻

西段與東段框架需合理連接，對(duì)于這類重點(diǎn)設(shè)防類建筑要避免使用單跨框架，增加結(jié)構(gòu)的抗震冗余度，處理好兩側(cè)結(jié)構(gòu)在地震時(shí)由于變形縫寬度不足產(chǎn)生的碰撞問題，單跨框架的超靜定次數(shù)少，安全冗余度差，抗震性能較差。將黏彈性或黏性阻尼器設(shè)置在兩側(cè)變形縫之間，可解決建筑物的移動(dòng)問題，即使發(fā)生地震沖擊，也只局限于撞擊部位。將垂直于防震縫的抗撞墻設(shè)置在縫兩側(cè)房屋盡端，設(shè)置需沿全高進(jìn)行。設(shè)置要求抗撞墻數(shù)量在兩道以上，且將墻肢長(zhǎng)度控制在2 m 以上。

5.3 樓梯間設(shè)置剛度較大的混凝土墻

要結(jié)合框架結(jié)構(gòu)樓梯震害情況，將剛度較大的混凝土墻設(shè)置在樓梯間兩側(cè)，讓混凝土墻能落地，要避免破壞樓梯，確保在發(fā)生地震時(shí)，能發(fā)揮樓梯的作用。將帶框鋼支撐設(shè)置在建筑周邊，這樣能將其作為第一道抗震防線，提升抗震設(shè)防類別。為了減少層間變形和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，需增加剪力墻和鋼支撐。樓梯構(gòu)件的抗震構(gòu)造如下：

1）拉通縱向配筋，且要求其在最小配筋率以上；

2）按照斜支撐設(shè)計(jì)梯板，要求板厚控制在140 mm 以上；

3）將暗梁設(shè)置在梯板兩側(cè)，要求箍筋直徑大于6 mm，間距在200 mm 以上；

4）梯梁的抗剪抗扭構(gòu)造需加強(qiáng)，箍筋采用φ8 mm，間距150 mm；腰筋2 根φ14 mm，間距200 mm；梯柱截面墻厚300 mm；混凝土標(biāo)號(hào)在C25 以上。增加梯間框架柱配筋，并加密箍筋。

5.4 鋼支撐需咬合牢固

利用鋼框腹板上焊接的栓釘，將鋼支撐與框架周邊上種植的化學(xué)錨筋互相咬合，將螺旋筋設(shè)置在上面，使用灌漿材料進(jìn)行澆筑，確保鋼支撐與原有框架相互之間緊密連接。根據(jù)工程設(shè)計(jì)情況，通過鉆孔，在鋼筋混凝土基材孔內(nèi)注入化學(xué)錨固膠，在基材中插入鋼筋，這就是化學(xué)植筋?；瘜W(xué)植筋施工工藝需做好定位、鉆孔、插筋等操作，確保施工質(zhì)量。采用鋼筋與螺桿處理植筋錨固系統(tǒng)，對(duì)錨固連接承載力進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，可以使用式（8）和式（9）（有地震的作用組合）進(jìn)行計(jì)算：

式中，S為錨固連接承載力；R為錨固連接荷載效應(yīng)組合設(shè)計(jì)值；Rk為錨固承載力設(shè)計(jì)值；k為地震作用下錨固承載力降低系數(shù)；γRE為錨固承載力抗震調(diào)整系數(shù)；rR為錨固承載力分項(xiàng)系數(shù)。

5.5 板底增設(shè)鋼梁

如果樓板無法滿足承載力需求，要將鋼梁增設(shè)在板底，從而減小樓板跨度與變形，提升樓板承載力。加固采用Q345B鋼梁，沿長(zhǎng)度方向布置194 mm×150 mm×6 mm×9 mm 鋼梁，將布置間距控制在1 260 mm。在鉆墻內(nèi)部嵌入錨板，錨板的規(guī)格為16 mm×250 mm×250mm，將背板增加到鉆墻背面，采用4 根M16 通栓對(duì)錨板進(jìn)行連接，采用塞焊方式與錨板固定。連接板與鋼梁連接在一起，使用兩個(gè)M20 螺栓進(jìn)行連接。采用結(jié)構(gòu)膠對(duì)鋼梁與原結(jié)構(gòu)連接表面填實(shí)。這種方式較為簡(jiǎn)單，且材料具有較高的強(qiáng)度。

5.6 修補(bǔ)開裂

當(dāng)墻和樓板有開裂問題時(shí)，需將開裂表面清理干凈，然后使用壓力灌漿或聚合物砂漿封閉的方法進(jìn)行修補(bǔ)。比如，可以采用環(huán)氧樹脂加壓灌漿處理，混凝土表面的塵土需清理干凈，將浮皮等雜物清除，使用聚合物砂漿修補(bǔ)露筋部位。進(jìn)漿口要設(shè)置在裂縫較寬處，底座安設(shè)可以使用封縫膠，封縫膠使用YJ 快干型膠，在縫隙上涂抹，寬度設(shè)置為3~4 cm。配置好樹脂后開始連續(xù)注膠，在沒有漿液流出時(shí)停止注漿。將底座拆除，拆除灌漿器。

6 結(jié)語

既有建筑抗震加固是提升建筑抗震性能，確保建筑安全性的重要手段，內(nèi)嵌式帶框鋼支撐是當(dāng)下應(yīng)用比較廣泛的一種。為確保應(yīng)用質(zhì)量與效率，要求做好施工各個(gè)環(huán)節(jié)的控制，并能結(jié)合實(shí)際情況做好板底增設(shè)鋼梁與開裂修補(bǔ)工作。同時(shí)，也要嚴(yán)格控制安全與細(xì)節(jié)，避免在施工過程中出現(xiàn)安全問題，確?？拐鸺庸坦ぷ鞯母咝ч_展。