概念設(shè)計在改變結(jié)構(gòu)體系加固項目中的應(yīng)用

關(guān)宇 楊靖 李寶欣

承德市建筑設(shè)計研究院有限公司 河北 承德 067000

隨著我國抗震設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，一些過去常見的結(jié)構(gòu)形式逐漸被歷史淘汰，新建項目已不再允許應(yīng)用，如上世紀(jì)七、八十年代常見的內(nèi)框架結(jié)構(gòu)建筑。這種內(nèi)部為框架承重，外部為磚墻承重的房屋，從抗震概念設(shè)計原則可以看出，這種內(nèi)外不同的兩種材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，對于抗震性能是十分不利的。事實證明，在歷次地震中內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的震害都是相對比較嚴(yán)重的?！督ㄖ拐痂b定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2009[1]中規(guī)定的內(nèi)框架建筑不適用于重點設(shè)防類建筑。但在實際項目中，由于業(yè)主對建筑的使用功能的需求，及建筑自身存在的缺陷，往往已經(jīng)超過了規(guī)范要求的最低標(biāo)準(zhǔn)，所以處理這種項目應(yīng)采用比規(guī)范要求更嚴(yán)格的技術(shù)措施。應(yīng)通過符合抗震概念的結(jié)構(gòu)布置、可靠的結(jié)構(gòu)計算及合理的構(gòu)造措施，制定合理的房屋加固方案。

1 結(jié)構(gòu)改造方案的計算與分析

1.1 結(jié)構(gòu)改造方案

在既有建筑加固改造項目中，當(dāng)內(nèi)框架結(jié)構(gòu)的高度和層數(shù)超過《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB50023-2009中的規(guī)定的最大高度和層數(shù)時，或建筑的抗震設(shè)防分類不低于重點設(shè)防類時，為滿足業(yè)主需求，改變原有建筑結(jié)構(gòu)體系就成為首選的結(jié)構(gòu)改造方案。

內(nèi)框架結(jié)構(gòu)可根據(jù)預(yù)期的使用功能和原始的結(jié)構(gòu)布置條件，改為抗震性能更好的框架結(jié)構(gòu)或框架-抗震墻結(jié)構(gòu)。如在外框磚墻中對應(yīng)框架的位置設(shè)置框架柱，與原有內(nèi)框架形成標(biāo)準(zhǔn)的框架體系，然后拆除原有磚墻；或采用鋼筋混凝土面層法加固原有磚墻，并根據(jù)情況在適當(dāng)?shù)奈恢迷鲈O(shè)鋼筋混凝土抗震墻，形成外葉鋼筋混凝土墻內(nèi)夾磚墻的抗震墻與新增抗震墻及原有內(nèi)框架形成框架—抗震墻體系。

1.2 結(jié)構(gòu)計算與分析

目前常見的鑒定加固類軟件，均不能直接設(shè)計砌體結(jié)構(gòu)類改變結(jié)構(gòu)體系的項目，砌體結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常采用不同類型的計算模式。如砌體結(jié)構(gòu)的抗震計算通常采用底部剪力法求解，而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震計算通常采用振型分解反應(yīng)譜法求解。所以，由于材料特性的原因，振型分解反應(yīng)譜法無法直接分析內(nèi)框架中磚墻采用鋼筋混凝土面層法加固的抗震墻。

改變結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計應(yīng)從概念設(shè)計出發(fā)，先研究結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，再研究構(gòu)件的可靠性，是從整體到局部，再回歸整體的設(shè)計思想。所謂概念設(shè)計[2]，就是運用清晰的結(jié)構(gòu)概念，不經(jīng)過數(shù)值計算，依據(jù)整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理、震害、實驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想，對結(jié)構(gòu)及計算結(jié)果進(jìn)行正確的分析，并考慮結(jié)構(gòu)實際受力狀況與計算假定間的差異，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，使結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)、受力安全合理。

內(nèi)框架結(jié)構(gòu)改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)先從抗震墻布置入手，根據(jù)建筑功能，原有磚墻視情況采用鋼筋混凝土面層法加固或拆除，根據(jù)計算結(jié)果，如有需要，建筑內(nèi)部也可適當(dāng)增加鋼筋混凝土抗震墻或框架柱，框架可根據(jù)計算結(jié)果按需加固處理。結(jié)構(gòu)計算可以采用與目標(biāo)模型近似的結(jié)構(gòu)模型，通過調(diào)整抗震墻厚度和框架構(gòu)件截面，控制結(jié)構(gòu)的規(guī)則程度，以快速的確定合理的結(jié)構(gòu)布置方案。

2 算例

本節(jié)通過某磚混內(nèi)框架既有建筑加固改造的實際案例，說明概念設(shè)計在設(shè)計前期快速制定結(jié)構(gòu)加固改造方案的應(yīng)用。

本項目原有建筑為內(nèi)框架結(jié)構(gòu)，地上7層，局部8層設(shè)備間，建筑高度23.8m，由240mm厚磚墻砌筑，建筑所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地。

根據(jù)業(yè)主對本建筑未來的使用需求，加固設(shè)計方案擬采用改變結(jié)構(gòu)體系的方法[3]，將原內(nèi)框架的磚墻采用鋼筋混凝土面層法加固，局部新增鋼筋混凝土抗震墻，內(nèi)框架采用增大截面法和增加框架柱的方法加固，將結(jié)構(gòu)體系改為框架—抗震墻體系。

結(jié)構(gòu)計算首先將模型簡化為圖1所示的純框架結(jié)構(gòu)（模型一）做整體分析，主要分析結(jié)構(gòu)平面和豎向的規(guī)則性有無明顯的缺陷。原建筑各層層高接近，平面方正，無凹凸、大開洞，計算結(jié)果見表1。

表1 模型一主要計算結(jié)果

圖1 模型一標(biāo)準(zhǔn)層平面

根據(jù)表1結(jié)果可以判斷，結(jié)構(gòu)的位移角很小，位移比略大于1.2，周期比稍大，可見平面抗扭能力稍不足，此時可初步判斷，在結(jié)構(gòu)周邊增加抗震墻后，可顯著提高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力，但要注意建筑內(nèi)部增加的抗震墻對結(jié)構(gòu)規(guī)則性是否會產(chǎn)生不利的影響。如模型增加抗震墻后結(jié)構(gòu)的規(guī)則性沒有問題，那么即可證明原結(jié)構(gòu)通過預(yù)期的方法改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)是合理可行的。

結(jié)構(gòu)計算第二個模型將結(jié)構(gòu)原有砌體墻按抗剪強度等強的原則等效為較薄厚度的鋼筋混凝土抗震墻建入模型（模型二），并按框架—抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震墻布置要求在部分區(qū)域新增抗震墻，使X、Y方向的抗剪承載力及動力性能相近，同時根據(jù)建筑要求將需要墻開洞的位置留好結(jié)構(gòu)洞，如圖2。

圖2 模型二標(biāo)準(zhǔn)層平面

根據(jù)結(jié)果可以判斷，結(jié)構(gòu)周期比已滿足規(guī)范要求，位移比依然略大于1.2，位移角很小，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說明抗震墻布置合理，結(jié)構(gòu)剛度很大，模型增加的鋼筋混凝土抗震墻沒有產(chǎn)生對結(jié)構(gòu)不利的影響。再看結(jié)構(gòu)位移的變化，如圖3、圖4。

圖3 模型一結(jié)構(gòu)位移

圖3為模型一的位移結(jié)果，圖4為模型二的位移結(jié)果，位移曲線形狀的變化和位移絕對值的變化均符合預(yù)期，均是由框架結(jié)構(gòu)的位移曲線特征向剪力墻結(jié)構(gòu)的位移曲線特征變化，由于Y方向增加了較多且長度較長抗震墻，所以Y方向的位移值也變化的更快。經(jīng)核查，圖2模型二的規(guī)定水平力下框架柱地震傾覆力矩百分比小于10%，屬于剪力墻較多的框架—抗震墻結(jié)構(gòu)[2]。綜上說明，原結(jié)構(gòu)通過預(yù)期的方法改為框架—抗震墻結(jié)構(gòu)方案合理可行。結(jié)構(gòu)方案確定后，后續(xù)設(shè)計以構(gòu)件的加固處理為主。

這里應(yīng)注意，采用鋼筋混凝土面層加固的磚墻，仍屬于混合材料的構(gòu)件，加固后墻體的豎向承載力可以通過計算得到保證，但其抗震性能和普通鋼筋混凝土抗震墻有一定區(qū)別，這種不容易計算的情況就需要應(yīng)用概念設(shè)計的思想，首先計算結(jié)果應(yīng)留有足夠的冗余量，二是關(guān)鍵墻體盡量采用雙面加固的方法，內(nèi)部墻距較近的墻體，可考慮采用單面加固的方法，例如本算例的電梯井部分，三是應(yīng)精細(xì)化設(shè)計新增結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點，使構(gòu)件實際受力情況更接近計算假定。

3 結(jié)論

近年來，隨著我國城市化的高速發(fā)展，人們生活質(zhì)量得到迅速提升，合理的利用城市資源是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要措施?，F(xiàn)階段的城市正在由傳統(tǒng)模式向著生態(tài)模式轉(zhuǎn)變，據(jù)統(tǒng)計，截至2021年底，我國既有建筑面積已超800億平方米，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部日前印發(fā)的《“十四五”建筑節(jié)能與綠色建筑發(fā)展規(guī)劃》提出，到2025年，完成既有建筑節(jié)能改造面積3.5億m2以上。既有建筑面積大，改造任務(wù)重，是近年來既有建筑改造的大背景。

根據(jù)《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》GB 55021-2021[3]規(guī)定：既有建筑的鑒定與加固，應(yīng)遵循先檢測、鑒定，后加固設(shè)計、施工與驗收的原則。必要時，業(yè)主應(yīng)組織相關(guān)專家對加固方案進(jìn)行論證。既有建筑改造項目情況復(fù)雜多變，能夠快速準(zhǔn)確的找到合理的加固方案，是結(jié)構(gòu)工程師的重要工作內(nèi)容，這時概念設(shè)計的思想尤為關(guān)鍵，它可以更好的激發(fā)設(shè)計靈感，不斷的做到設(shè)計創(chuàng)新，能夠滿足建筑專業(yè)更高的要求。