建筑基于抗震性能加固設計探究

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摘要：傳統的既有建筑抗震加固設計方法多數沿用新建建筑的設計方法，重點關注抗震承載力及抗震構造措施的加固，采用該方法往往會導致加固量、加固施工面、造價等大幅度增加，同時不可避免地對原建筑的使用帶來較大影響。文章提出了針對既有建筑的基于抗震性能的加固設計方法，該方法除關注抗震承載力及抗震變形外，還以達到預期的抗震性能為目標，不再強調抗震構造措施的相關加固。并且文章以某工程為例進行了抗震加固設計方案的比較，表明既有建筑的加固采用抗震性能的加固設計方法，能在滿足抗震要求的同時，縮短工期并降低造價，同時也顯著減少了對原建筑使用的影響，對一般既有建筑結構的抗震加固設計有借鑒意義。

關鍵詞：既有建筑；加固設計方法；抗震性能

我國的抗震設計規范，經歷了從無到有、從試行到實踐的發展過程。工程試行階段是指20世紀70年代初到20世紀80年代末這一時間段，其間發布了《工業與民用建筑抗震設計規范（試行）》（TJLL—74）及《工業與民用建筑抗震設計規范（試行）》（TJLL—78）。全面實踐階段發布了《建筑抗震設計規范》1989版、2001版、2010版、2016版。目前，大量的既有建筑存在接近或超過使用年限或需要提高抗震設防要求、進行改擴建等情況，但因此類建筑建造年代較早，所依據的抗震設計規范已經多次改版，導致多數既有建筑不能滿足現行抗震設計規范要求，需要進行抗震加固。文章主要探討傳統抗震加固設計方法存在的問題，提出了在既有建筑抗震加固設計中運用抗震性能加固設計方法，盡可能縮短加固施工工期并降低造價，同時對原建筑的使用影響也盡可能降至最低。

1傳統的抗震加固設計方法及其存在的問題

1.1不同版本抗震規范的主要變化

《建筑抗震設計規范》1989版首次提出了三水準的抗震設防目標（小震不壞、中震可修、大震不倒）兩階段（彈性階段和彈塑性階段）的抗震設計思想。以該指導思想為基本的抗震設防目標，其后發布的規范逐步提高了對房屋結構抗震措施及抗震構造的要求。《建筑抗震設計規范》1989版將抗震等級作為鋼筋混凝土房屋抗震設計的重要參數，通過抗震等級的劃分，體現對不同抗震設防類別、不同結構類型、同一烈度不同高度的鋼筋混凝土房屋結構不同延性要求，以及同一種構件在不同結構類型中的不同延性要求，以實現第二水準（中震可修）及第三水準（大震不倒）的抗震設防目標。“強柱弱梁”作為重要的抗震設計概念之一，在《建筑抗震設計規范》1989版及其之后的版本的規范中均有體現且對依據這一概念對內力計算調整的要求逐步提高。規范采用增大柱端彎矩的方法即設置強柱弱梁的彎矩增大系數來實現這一目標。《建筑抗震設計規范》2001版相對于1989版提高了強柱弱梁的彎矩增大系數ηc，該系數考慮了一定的超配鋼筋（包括樓板的配筋）和鋼筋超強。一級框架結構及9度時，仍應采用框架梁的實際受彎承載力確定柱端彎矩設計值，取二者的較大值。《建筑抗震設計規范》2010版再次提高了框架結構的柱端彎矩增加系數，其他結構中框架的柱端彎矩增大系數仍與2001版相同，并補充了四級框架的柱端彎矩增大系數。隨著抗震規范版本的更新，除抗震計算的內力調整要求外，規范對抗震措施的要求也在不斷提高。《建筑抗震設計規范》2001版中明確了抗震措施與抗震構造措施的區別?？拐饦嬙齑胧┲皇强拐鸫胧┑囊徊糠郑话阋幎坝嬎阋c中的地震作用效應（內力和變形）調整的規定屬于抗震措施，設計要求中的規定，可能包含抗震措施和抗震構造措施。

1.2傳統抗震加固設計方法

加固改造項目傳統抗震設計方法通常采用了以下兩階段設計方法：（1）第一階段設計。采用第一水準烈度的地震動參數，計算出結構在彈性狀態下的地震作用效應，與風、重力等合作效應組合，并引入承載力抗震調整系數，進行原結構構件截面的設計校核，對不滿足抗震承載力要求的結構構件進行加固處理，從而滿足第一水準的強度要求；采用同一地震動參數計算出結構彈性層間位移，如不滿足現行抗震規范要求則采用增設抗側力構件或通過增大截面法加固豎向構件等方法增加結構的側向剛度，使加固改造后的結構抗震變形驗算滿足要求。（2）第二階段設計。通過加固原結構構件，使其配筋構造滿足現行規范的抗震構造要求，以保證結構具有足夠的延性、變形能力和塑性耗能，滿足第二、第三水準的要求。

1.3存在的問題

按上述方法實施，在工程實踐中通常會碰到以下問題：（1）既有房屋結構的豎向構，如框架柱的加固，采用的加固方法包括增大截面法加固（軸壓比超限或結構整體剛度不足）、外包型鋼（抗震承載力不足）、外粘鋼板或碳纖維（抗震承載力不足或體積配箍率不滿足要求等）。該加固施工必須拆除框架柱周邊一定范圍的填充墻、鑿除粉刷層，對于外側框架柱，還需要拆除外立面圍護結構。（2）框架梁的加固通常包括梁頂支座處粘貼鋼板或碳纖維（抗震承載力不足）、梁底粘貼鋼板或外包型鋼（抗震承載力不足）、粘貼碳纖維或鋼箍板等，該加固施工需拆除梁底一定范圍的填充墻、梁頂相關區域樓面面層等。

2基于抗震性能的加固設計方法

2.1抗震性能設計概述

結構的抗震性能是指在地震作用下，結構構件的承載能力、變形能力、耗能能力、剛度及破壞形態的變化和發展。延性大的結構其抗震性能好，因為良好的延性使結構有更大的變形能力，塑性區的發展能有效耗散地震能量，從而減弱地震反應?？拐鹦阅芑O計的基本思路是“高延性，低彈性承載力”或“低延性，高彈性承載力”。提高結構或構件的抗震承載力或變形能力，都是提高結構抗震性能的有效途徑。為滿足抗震性能化設計要求，新建建筑結構的設計是通過多遇地震下抗震驗算來保證彈性承載力，通過抗震構造措施來保證結構構件的延性。

2.2抗震加固設計方法

（1）地震動水準的確定。對于后續使用年限為50年的結構，選用現行抗震規范的多遇地震、設防地震和罕遇地震的地震作用。對于目標使用期小于50年的結構，可以對地震作用進行相應的折減。（2）選定合適的加固方案。要減少原結構構件的加固必須減小其地震作用效應，可采用的方法有增設新的抗側力構件如剪力墻或支撐等來分擔地震力，通過設置阻尼來減弱整個房屋結構的地震效應等。另外，還可以利用房屋裝修的契機，通過將原有的磚砌隔墻改為輕鋼龍骨石膏板等類似的輕質隔墻，減小樓屋面面層厚度，采用輕質裝修材料等來減輕結構自重，同樣能夠達到減輕地震作用的目的。（3）選定性能設計指標。對加固改建后的結構分別進行多遇地震作用下的彈性分析和罕遇地震作用下的動力彈塑性分析。要求多遇地震作用下結構整體的抗震變形驗算及抗震承載力驗算（不含抗震措施）滿足現行規范要求；罕遇地震作用下彈塑性變形滿足預期的性能目標要求，具體如表1所示。

3案例分析

3.1工程概況

文章以某辦公樓改建為例，采用了基于抗震性能的加固設計方法。（1）原房屋建筑結構概況。位于上海地區的某建筑建于1994年，地下1層，地上4層，原設計為商場，后作為酒店及辦公綜合樓使用。因城市更新需要，擬拆除該房屋酒店區域，僅保留辦公區域，保留區域擬作為辦公樓繼續使用。房屋采用現澆鋼筋混凝土框架結構，主體結構高度為22.8m?；A采用預制樁及柱下獨立承臺。房屋依據《建筑抗震設計規范》1989版進行設計，抗震設防烈度為7度，設防類別為丙類，場地土類別為上海Ⅳ類，框架抗震等級為三級。（2）加固設計方案分析比較。該房屋主要改建內容為局部拆除，且拆除涉及原結構體系的框架柱及框架梁，即改變原有抗側力體系，按現行相關規范規定，顯然屬于改建項目，必須按照現行抗震規范及其他現行規范進行設計。經初步驗算核查，并對照現行規范，該房屋有以下幾點不滿足現行規范要求：房屋抗震變形驗算不滿足要求；部分框架梁柱配筋不滿足抗震承載力驗算要求；部分框架柱的箍筋肢距、箍筋加密范圍等不滿足現行規范要求；部分框架梁箍筋間距、肢距等不滿足現行規范要求。根據以上初步驗算核查結果，按傳統加固設計方法，可采用的加固方案包括增加抗側力構件或用增大截面法加固框架柱以解決抗震變形不滿足要求的問題。加固必然要求拆除相關構件周邊的填充墻，涉及的加固施工面較大，且加固施工周期較長。加固施工必然導致房屋停止使用、重新裝修等，綜合造價較高，業主很難接受。此次加固采用局部增設防屈曲鋼板剪力墻的方案，加固范圍僅涉及增設剪力墻區域的相關框架梁柱，不對其余構件作抗震構造加固。預期的目標是多遇地震作用下結構抗震變形驗算及抗震承載力驗算滿足要求，罕遇地震作用下預期的性能目標不低于性能3的要求。

3.2計算分析

（1）分析軟件及模型。該工程采用YJK軟件進行計算分析，包括多遇地震作用下反應譜分析及罕遇地震作用下動力彈塑性分析[1]。改建后的結構分析包括小震彈性分析和大震動力彈塑性分析。（2）小震彈性分析。小震作用下主要計算結果如表2所示。以上計算結果表明：增加鋼板墻后，小震作用下的層間位移顯著減小，滿足現行抗震規范關于框架結構層間位移角的限值。依據《建筑抗震設計規范》（GB50011—2010）[2]及《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）[3]等對原結構框架梁柱進行抗震承載力校核驗算，結果表明其配筋基本滿足要求。（3）大震彈塑性分析。大震動力彈塑性分析采用的地震波選自上海市地方標準《建筑抗震設計規程》（DGJ08-9—2013）[4]附錄A，此次分析以天然波SHW11為例，分析結果如圖1所示。大震彈塑性分析結果表明，改建后的結構彈塑性層間位移角最大為1/95（X、Y方向相同），小于現行抗震規范[Δup]（即1/50），同時小于6[Δue]（即1/92），滿足表1所列的性能3的要求[5]。

4結束語

新建建筑的抗震設計多數采用相應的抗震構造措施來保證結構具體足夠的延性、變形能力和塑形耗能，對既有建筑而言，如果去苛求其結構構件的抗震構造滿足現行規范要求，往往會導致較大的加固量，甚至會因為加固施工難以實現而放棄加固。既有建筑的抗震加固可通過增設新的抗側力構件、增加阻尼等方法，減弱原結構主要抗側力構件的地震作用效應，從而提高其抗力效應比，達到“低延性，高彈性承載力”，提高其抗震性能的目的。因此，加固設計關注點也應從抗震構造轉為預期的性能目標。

參考文獻

[1]羅開海,黃世敏.《建筑抗震設計規范》發展歷程及展望[J].工程建設標準化,2015(7):73-78.

[2]中國建筑科學研究院.建筑抗震設計規范:GB50011—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2016.

[3]中國建筑科學研究院.混凝土結構設計規范:GB50010—2010[S].北京:中國建筑工業出版社,2015.

[4]同濟大學.建筑抗震設計規程:DGJ08-9—2013[S].上海:上海市城鄉建設和交通委員會,2013.

[5]劉曉光.裝配式框架結構梁柱節點優化設計及抗震性能研究[J].工程技術研究,2021,6(14):201-202.

作者:朱咸亮 劉厚華 單位:同納檢測認證集團有限公司