框架剪力墻結(jié)構(gòu)抗震鑒定及加固設(shè)計(jì)分析
——以安徽省黃山市某酒店改造工程為例

劉杭杭 (安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031)

0 前言

我國框架剪力墻結(jié)構(gòu)應(yīng)用十分廣泛，其中框架和剪力墻共同組成結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系，由于設(shè)計(jì)規(guī)范的更新、建筑物使用年限的增長和不正當(dāng)使用，會導(dǎo)致建筑物存在一定程度的結(jié)構(gòu)缺陷或較嚴(yán)重的損傷變形。此外，由于建筑物使用功能和所處環(huán)境改變，而原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防或抗震設(shè)防要求提高等，都會導(dǎo)致其抗震性能無法滿足要求。根據(jù)《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》（GB 55021-2021）[1]中對于存在此類情況的建筑規(guī)定，應(yīng)同時進(jìn)行安全性評級和抗震鑒定，并采取有效的加固方式對不滿足規(guī)范要求的既有建筑進(jìn)行加固，以實(shí)現(xiàn)提升既有建筑抗震性能、完善其使用功能和延長其服役年限的目標(biāo)。

1 工程概況

某酒店位于黃山市屯溪區(qū)，地下一層，地上十九層，其中地上三層裙房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主樓地上十九層為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)總高72.80m。酒店于2009 年竣工后投入使用，后于2013 年10 月，酒店裙房加建第四層（主要內(nèi)容為加層混凝土柱、鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架、涂料涂裝、屋面彩鋼瓦）。主樓平面幾何尺寸為62.25m×67.90m，裙房平面幾何尺寸為19.90m×67.90m，總高度22.20m。酒店一層建筑平面布置圖如圖1所示。

圖1 酒店一層建筑平面布置圖（單位：mm）

現(xiàn)酒店擬改造為醫(yī)院，裙房及主樓四層以下改造為醫(yī)院門診、檢驗(yàn)、辦公等功能用房，主樓五層及以上改造為醫(yī)院病房。黃山市由原不設(shè)防地區(qū)變成了6度設(shè)防地區(qū)[2]，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。同時由于使用功能的改變，原丙類建筑提高到乙類，抗震等級由非抗震提高到框架二級、剪力墻二級，依據(jù)規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行抗震鑒定。

2 鑒定程序和體系核查

2.1 調(diào)查和檢測

根據(jù)委托方提出的鑒定原因和要求，首先進(jìn)行工程的初步調(diào)查，主要內(nèi)容包括工程圖紙資料、建筑物歷史、實(shí)物現(xiàn)狀、建筑物實(shí)際使用條件和環(huán)境、已發(fā)現(xiàn)的問題和有關(guān)人員的意見等。

根據(jù)初步調(diào)查信息，明確鑒定的目的、范圍和內(nèi)容，再對建筑物進(jìn)行詳細(xì)檢測[1-2]，主要包括地基基礎(chǔ)現(xiàn)狀查勘和上部承重結(jié)構(gòu)檢測，后者包含結(jié)構(gòu)體系及其結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)缺陷、損傷和腐蝕、結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料強(qiáng)度性能及幾何參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接、結(jié)構(gòu)位移和變形、影響建筑安全的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

2.2 安全性評級和抗震鑒定

既有建筑的安全性鑒定應(yīng)按構(gòu)件、子系統(tǒng)和鑒定系統(tǒng)三個層次進(jìn)行，子系統(tǒng)的安全性鑒定評級應(yīng)按場地與地基基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)兩個子系統(tǒng)分別進(jìn)行評定。鑒定系統(tǒng)的安全性鑒定評級根據(jù)場地與地基基礎(chǔ)子系統(tǒng)、主體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的安全性等級以及與整幢建筑有關(guān)的其他安全問題進(jìn)行綜合評定。

抗震鑒定應(yīng)根據(jù)后續(xù)使用年限確定建筑類別，明確抗震設(shè)防類別，選擇相應(yīng)的抗震鑒定方法，結(jié)合調(diào)查和檢測結(jié)果，從結(jié)構(gòu)體系、材料強(qiáng)度、構(gòu)造措施和承載力驗(yàn)算等方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定。

2.3 結(jié)構(gòu)體系核查

該建筑物主樓系地下一層、地上十九層鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，裙房系地下一層、地上三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，主樓和裙房分離設(shè)計(jì)。主要承重構(gòu)件為混凝土墻柱、混凝土梁、混凝土板。

主樓結(jié)構(gòu)平面布置呈矩形，橫向4排墻柱列，間距為5.5m、5.5m、8.5m；縱向7 排墻（柱）列，間距為2.8m、5.6m、8.4m×4、3.2m。負(fù)1 層層高4.0m，1～3層層高5.0m，4～19 層層高3.3m。裙房結(jié)構(gòu)平面布置基本呈矩形，雙向框架多跨布置，橫向最多11 排柱列，間距為8.0m×2、8.4m×5、4.0m、3.7m、4.7m、5.3m。負(fù)1 層層高4.0m，1～3 層層高5.0m，加層層高5.7m?，F(xiàn)場實(shí)測建筑物結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)整，豎向抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)，結(jié)構(gòu)體系完整，傳力路徑明確。

酒店工程設(shè)計(jì)使用年限為50 年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，建筑耐火等級為一級，抗震設(shè)防類別為丙類，未考慮抗震設(shè)防。主樓墻柱混凝土強(qiáng)度等級為-1～5層C45、6～10 層C40、11～15 層C35、16層及以上C30，梁板混凝土強(qiáng)度等級為1～6 層C35、7 層及以上C30。裙房墻柱混凝土強(qiáng)度等級為-1～1 層C35、2 層及以上C30，梁板混凝土強(qiáng)度等級為1 層C35、2 層及以上C30。主樓框架柱截面尺寸在(600～800)mm×(600～900）mm之間；裙房框架柱截面尺寸在（500～600）mm×（500～600）mm 之間。填充磚墻采用Mu7.5 加氣混凝土砌塊和M5水泥砂漿進(jìn)行砌筑，沿框架柱全高每隔450～500mm設(shè)2根φ6拉結(jié)筋。

裙房為獨(dú)立基礎(chǔ)，取圓礫層作基礎(chǔ)持力層，基礎(chǔ)埋深4.100m；主樓樁基取中風(fēng)化泥巖層作基礎(chǔ)持力層，樁端嵌入中風(fēng)化泥巖層層內(nèi)500mm。

3 檢測結(jié)果

3.1 地基基礎(chǔ)檢測

上部結(jié)構(gòu)無明顯傾斜，未見因不均勻沉降造成的上部結(jié)構(gòu)承重構(gòu)件開裂和變形，地基基礎(chǔ)無明顯靜載缺陷。

3.2 上部承重結(jié)構(gòu)檢測

3.2.1 實(shí)體質(zhì)量抽檢

當(dāng)資料完整齊全時，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料的性能、幾何尺寸可僅進(jìn)行校核性和復(fù)核性檢測[3]。本工程資料比較齊全，隨機(jī)抽取混凝土構(gòu)件，采用回彈法對構(gòu)件混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行檢測[4]，抽檢單個混凝土構(gòu)件修正后現(xiàn)齡期混凝土抗壓強(qiáng)度推定值在31.4～50.1MPa，達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級（C30、C35、C40、C45）的要求。抽檢混凝土柱、梁、板構(gòu)件幾何尺寸、鋼筋布置和保護(hù)層厚度偏差在施工驗(yàn)收允許偏差范圍內(nèi)[5]。

3.2.2 結(jié)構(gòu)缺陷、損傷和腐蝕

對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的缺陷、損傷及腐蝕應(yīng)進(jìn)行全面檢測，并詳細(xì)記錄缺陷、損傷和腐蝕部位、范圍、程度和形態(tài)。現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)除混凝土梁構(gòu)件有因鋼筋銹蝕因素引起的順箍筋方向保護(hù)層脫落、露筋、銹蝕現(xiàn)象外，未見墻柱梁構(gòu)件存在開裂、損傷和腐蝕現(xiàn)象。但是房屋在使用過程中存在私改搭建現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)局部存在缺陷，具體包括三層和四層局部位置加建了輕鋼樓梯、四層局部加設(shè)輕鋼平臺和隔層以及屋面局部加蓋了螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架屋面。

3.2.3 結(jié)構(gòu)側(cè)向位移

根據(jù)現(xiàn)場觀測條件布置4 個測點(diǎn)來量測結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的側(cè)向位移，所測測點(diǎn)側(cè)向位移方向無明顯一致性，最大側(cè)向位移未超過規(guī)范不適于繼續(xù)承載的側(cè)向位移限值（多層框架結(jié)構(gòu)的限值為H/200、框架剪力墻結(jié)構(gòu)的限值為H/300 或400mm）[3]。

3.3 結(jié)構(gòu)復(fù)核驗(yàn)算

依據(jù)現(xiàn)場采集的結(jié)構(gòu)及材料數(shù)據(jù)資料，結(jié)合建筑實(shí)際使用狀態(tài)、專家意見書，采用YJK 計(jì)算軟件進(jìn)行建模驗(yàn)算[6-9]，鑒定結(jié)果如下。

①安全性鑒定

總體上，本工程主要承重結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其中場地與地基基礎(chǔ)子系統(tǒng)可評定為Au級、主體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)可評定為Bu級、頂點(diǎn)側(cè)向位移可評定為Au級，綜合評定本工程鑒定系統(tǒng)安全性等級為Bsu級。

②抗震鑒定

根據(jù)檢測結(jié)果，地基基礎(chǔ)抗震性能和上部結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施滿足規(guī)范要求。但是，根據(jù)YJK 軟件計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)的綜合抗震能力不滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023-2009）中對A 類建筑（后續(xù)使用年限30 年）要求。因此，需要對其進(jìn)行加固處理。

4 加固方案

4.1 項(xiàng)目特點(diǎn)

本項(xiàng)目的抗震設(shè)防烈度由非地震設(shè)防區(qū)提高到6 度設(shè)防區(qū)，抗震設(shè)防類別由丙類提高到乙類，抗震等級由非抗震提高到框架二級、剪力墻二級。

采用YJK 計(jì)算分析軟件對既有建筑在多遇地震下進(jìn)行分析，大部分的框架梁、框架柱由于抗震承載力不足需要進(jìn)行加固。此外，由于抗震等級的提高，所有框架柱、框架梁及剪力墻等構(gòu)件均需進(jìn)行抗震構(gòu)造措施的加固，如增設(shè)框架梁和框架柱的箍筋加密區(qū)、加長鋼筋錨固長度、提高構(gòu)件配筋率、提高框架梁和框架柱的最小鋼筋直徑等，不僅現(xiàn)場濕作業(yè)大，而且加固成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)。因此，制定一種經(jīng)濟(jì)、高效的加固方案十分必要。

4.2 抗震加固措施

根據(jù)《建筑消能減震加固技術(shù)規(guī)程》(T/CECS 547 )第6.3.6 條及專家論證會意見，罕遇地震下樓層彈塑性最大層間位移角不大于1.5Δue時，A 類鋼筋混凝土房屋可按非抗震鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施采用。為達(dá)到結(jié)構(gòu)在罕遇地震下樓層彈塑性最大層間位移角不大于1.5Δue的目標(biāo)參數(shù)，本項(xiàng)目提出以耗散地震能量為主的方式對既有建筑進(jìn)行抗震加固，即減震加固技術(shù)，主要通過在既有建筑內(nèi)合理布設(shè)K 型支撐式粘滯阻尼器（粘滯阻尼器現(xiàn)場安裝示意圖詳見圖2），增加既有建筑附加阻尼比來耗散地震能量并降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從而提高既有建筑的抗震性能，實(shí)現(xiàn)小震不壞、中震可修、大震不倒的性能目標(biāo)。

圖2 粘滯阻尼器安裝

4.3 承重構(gòu)件加固方式

本工程混凝土梁加固方式為增大截面法和粘貼碳纖維布法，混凝土板加固方式為板底粘貼碳纖維布法，混凝土柱加固方式為外粘型鋼加固法[9]。

4.4 加固效果

在YJK 軟件中對采用粘滯阻尼器和截面增大加固措施之后的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X向和Y 向最大位移角分別為1/6168、1/4911；設(shè)防地震作用下，結(jié)構(gòu)X 向和Y 方向最大位移角分別為1/826、1/833；罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)X 向和Y 方向最大位移角分別為1/566、1/575。

5 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，原設(shè)計(jì)未考慮抗震設(shè)防或抗震設(shè)防提高的建筑以及需改變結(jié)構(gòu)用途的建筑應(yīng)進(jìn)行抗震鑒定，通過抗震鑒定研判出抗震薄弱和不滿足規(guī)范要求的部位，并為抗震加固提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

加固之后的建筑結(jié)構(gòu)抗震性能滿足要求，實(shí)現(xiàn)了最大層間位移角不大于1.5倍彈性位移角限值（1/535）的減震目標(biāo)，具有良好的減震效率。

消能減震技術(shù)對既有建筑進(jìn)行加固，提高既有建筑的抗震性能、減少加固工作量、縮短加固工期、降低加固難度，解決了既有建筑抗震設(shè)防烈度、抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)雙提高的抗震加固難題，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。