某框架結(jié)構(gòu)屈曲約束支撐法加固改造設(shè)計

0 引言

國內(nèi)數(shù)量眾多的老建筑物，其抗震設(shè)防水準(zhǔn)已無法滿足我國現(xiàn)行抗震設(shè)防的要求。在其加固改造過程中，需要廣大設(shè)計人員不斷探索出合理有效的加固設(shè)計方法，確保改造后既能提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和建筑使用全過程中的安全可靠，又能滿足新的建筑功能需求，且經(jīng)濟(jì)合理。

近年來，在改造設(shè)計領(lǐng)域，較為常用的加固方法有外包鋼加固法、黏鋼法、黏貼碳纖維法、加大截面法等。這些常用的加固方法，對于常規(guī)建筑的加固是有效合理的。但是對于高設(shè)防要求的老建筑（如特殊設(shè)防類、重點設(shè)防類），這些加固方法的效率不高，有待探索更為合理有效的加固改造技術(shù)。

本文以上海市靜安區(qū)某街道社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心遷建工程為例，介紹一種綜合加固方法，即“增設(shè)屈曲約束支撐-加大構(gòu)件截面”的方法。此方法從兩個維度入手：一方面，從結(jié)構(gòu)體系的維度著手,通過增設(shè)屈曲約束支撐改變原有結(jié)構(gòu)體系；另一方面，從具體構(gòu)件的維度著手,通過采用加大構(gòu)件截面的方法，提高構(gòu)件的承載能力。

1 工程概況

上海市靜安區(qū)某建筑原為上海裸銅線廠綜合樓，始建于1987年，地上4層，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。1989年，該建筑進(jìn)行了第一次改建，改建內(nèi)容為在原有結(jié)構(gòu)上加建1層，房屋總層數(shù)增加為5層，房屋使用功能沒有改變。

本次改建將其改為社區(qū)醫(yī)院，主要功能包括醫(yī)技、門診、病房、醫(yī)護(hù)辦公等。改建過程中，擬對其先拆層再加層，將原來的第3層樓板（標(biāo)高10.770）整體拆除，然后在原來的2～4層結(jié)構(gòu)板之間增加2層，新增加的2層樓板標(biāo)高分別為8.610、10.660（圖1）。

2 鑒定檢測結(jié)論

改建前，首先對原建筑進(jìn)行檢測鑒定，結(jié)果如下：

（1）該建筑有關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級達(dá)到C28的等級要求。

（2）根據(jù)房屋損壞情況調(diào)查結(jié)果，該建筑目前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)損壞現(xiàn)象，但西側(cè)、北側(cè)和東側(cè)外墻均出現(xiàn)大面積龜裂現(xiàn)象。

（3）根據(jù)沉降測量結(jié)果，該建筑最大總偏移量為16.3mm，最大傾斜率為0.9‰，其值在《上海市地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（DGJ 08—11—2010）規(guī)定的限值4.0‰之內(nèi)；而《危險房屋鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 125—99）規(guī)定傾斜率＞10‰的為危險房屋，因此，本建筑不屬于危險房屋。

（4）按現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對房屋結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行了計算復(fù)核，必須對承載力不足的構(gòu)件采取加固措施。

（5）遵照《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009）中C類建筑的要求對該建筑進(jìn)行抗震鑒定。根據(jù)對其相關(guān)抗震措施的核查和結(jié)構(gòu)抗震驗算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其部分抗震措施不滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）的要求，需進(jìn)行抗震加固處理。

4．療效評估：評估指標(biāo)主要為消化不良癥狀(脂肪瀉、體重減輕、腹脹)以及營養(yǎng)狀況的改善[32]。胰腺外分泌功能檢測亦可協(xié)助評估療效，如13C-MTG-BT檢查有助于評價PERT的治療效果[40]，而FE-1檢查只能測定自身胰酶分泌情況，因此不用于評估療效。

圖1 改造示意圖

3 加固改造設(shè)計

3.1 房屋原結(jié)構(gòu)情況

原房屋采用樁基—柱下獨立承臺基礎(chǔ)。樁基采用鋼筋混凝土預(yù)制方樁，樁基截面為240×240，樁長24.5m，總樁數(shù)為90根；承臺間設(shè)有基礎(chǔ)梁。上部結(jié)構(gòu)（框架結(jié)構(gòu)）的構(gòu)件截面尺寸如表1。

對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，得到的計算結(jié)果如表2、3。

上述計算結(jié)果表明，原房屋在地震作用下，X向、Y向的層間位移角不滿足現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于框架結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值（＜1 / 550）的要求。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

原建筑主體的結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。本次加固改造過程中，需考慮如下幾個因素：①原有房屋抗側(cè)剛度不足，無法滿足現(xiàn)行規(guī)范對于層間位移角的要求；②原有房屋抗震能力有限，原有框架梁柱配筋均不大；③本次改建設(shè)計，需要在原有房屋基礎(chǔ)上再增加1層，導(dǎo)致總的地震作用顯著加大；④房屋功能改變后，恒、活荷載均有所增加，導(dǎo)致總的地震作用加大。因此，經(jīng)過方案對比試算，從結(jié)構(gòu)體系上決定采用增設(shè)屈曲約束支撐的方法。

表1 各層構(gòu)件截面尺寸

表2 原結(jié)構(gòu)最大層間位移角

表3 原結(jié)構(gòu)周期

圖2 支撐南立面圖

圖4 支撐東西立面圖

圖3 支撐北立面圖

圖5 結(jié)構(gòu)透視圖

沿房屋東南西北4個立面均增設(shè)了屈曲約束支撐，各立面圖如圖2～4所示，結(jié)構(gòu)三維透視圖如圖5所示。在原來的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)上增加支撐后，可達(dá)到如下效果。

（1）可以有效增大結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使結(jié)構(gòu)滿足現(xiàn)行規(guī)范對于層間位移角的要求。

（2）結(jié)構(gòu)加層后，樓層層高差別較大，導(dǎo)致各層抗側(cè)剛度比嚴(yán)重不滿足的現(xiàn)狀，可以通過調(diào)整支撐截面、數(shù)量的方法解決，從而顯著改善結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則性。

（3）沿房屋通高布置的支撐，可有效減小框架梁柱所承擔(dān)的地震作用，減小混凝土框架的配筋量，從而可以較大程度地減少混凝土梁柱的加固工作量，減少施工周期及加固造價。

（4）采用屈曲約束支撐，可以有效減小支撐斷面，減少增設(shè)支撐后對建筑功能的影響，且支撐安裝、拆卸均較為方便。

3.3 抗震等級

本項目的建筑功能為社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心，設(shè)有門診、醫(yī)技、住院功能，參照規(guī)范《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）的要求，房屋的抗震設(shè)防類別為乙類（重點設(shè)防類）。房屋大屋面高度為23.370m，屬于多層建筑。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，本結(jié)構(gòu)的抗震等級為二級。另外，對與支撐相連的框架，框架的抗震等級提高至一級；室內(nèi)樓梯間四周的框架柱、框架梁，其抗震等級亦提高至一級。

3.4 整體指標(biāo)結(jié)果

采用PKPM系列軟件中的SATWE進(jìn)行計算，得到加固改造后結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)（表4）。

3.5 位移角控制標(biāo)準(zhǔn)

原建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)，增設(shè)屈曲約束支撐后，底層支撐承擔(dān)的傾覆力矩占比分別為38.07%、38.77%，未超過50%。參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第6.1.3條，結(jié)構(gòu)仍然按照框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計，但層間位移角的控制標(biāo)準(zhǔn)取框架結(jié)構(gòu)（1/550）和框架剪力墻結(jié)構(gòu)（1/800）的插值。

表4 整體指標(biāo)結(jié)果

圖6 支撐與梁柱的連接節(jié)點

計算得到的最大層間位移角分別為1/680、1/783，滿足插值要求。

3.6 支撐與原有梁柱構(gòu)件的連接

本項目為加固改建項目，新增的屈曲約束支撐需與原有梁柱構(gòu)件可靠連接。設(shè)計中，在節(jié)點處包裹連接用的鋼板，用對穿錨栓將鋼板與梁柱可靠連接，再將屈曲約束支撐安裝在鋼板上（圖6）。

3.7 梁柱構(gòu)件加大截面法加固

采用SATWE對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全模型計算分析，并考慮相應(yīng)的抗震構(gòu)造要求。比對已有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋設(shè)計，當(dāng)原有構(gòu)件不滿足承載力要求或抗震構(gòu)造要求時，對原有構(gòu)件進(jìn)行加大截面法加固。加固設(shè)計的主要依據(jù)是《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》（JGJ 116—2009）、《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》（GB 50367—2013），典型加固詳圖如圖7、8所示。

圖7 框架柱加大截面法典型詳圖

圖8 框架梁加大截面法典型詳圖

3.8 地基基礎(chǔ)的加固

原建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計采用預(yù)制混凝土樁基-柱下承臺-基礎(chǔ)梁形式。本次加固改造，涉及房屋加層，且伴隨著建筑功能的改變，房屋恒、活荷載和墻體荷載均發(fā)生變化。經(jīng)計算，加固改造后房屋總體重量增加，需要對原有樁基基礎(chǔ)進(jìn)行加固。

參考地質(zhì)勘查報告的建議，結(jié)合過往工程建設(shè)經(jīng)驗，并考慮施工可能性及場地限制條件，決定采用錨桿靜壓樁進(jìn)行樁基加固。錨桿靜壓樁具有施工機(jī)械輕便靈活、作業(yè)面小、可在室內(nèi)施工、無振動、無噪音等特點，在場地狹小、施工高度受限制的改建建筑物的地基加固工程中，有良好的效果。

圖9 承臺典型加固詳圖

設(shè)計選擇300x300的預(yù)制混凝土方樁作為受力樁型，樁端持力層定為第⑥層（暗綠色粉質(zhì)黏土），有效樁長24.5m，單樁承載力設(shè)計值（上海規(guī)范）為500kN。加樁后，對承臺進(jìn)行相應(yīng)的加固（圖9）。

4 結(jié)語

綜上所述，本次改建工程通過采用增設(shè)屈曲約束支撐的方法，提高原結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，使其滿足規(guī)范對于層間位移角的要求；同時，通過調(diào)節(jié)屈曲約束支撐的數(shù)量、軸向剛度，改善結(jié)構(gòu)的豎向不規(guī)則性，改善因?qū)痈卟町愡^大引起的各層抗側(cè)剛度比嚴(yán)重不滿足的現(xiàn)狀。此外，通過增設(shè)屈曲約束支撐，亦減少了框架梁柱所承擔(dān)的地震力，減少對梁柱構(gòu)件的加固量；而對仍然不滿足的梁柱構(gòu)件，則采用加大截面法進(jìn)行構(gòu)件承載力加固。

最終，通過合理布置屈曲約束支撐，使結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，符合現(xiàn)行抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，確保加固后結(jié)構(gòu)的安全可靠性。