某多層RC框架結構抗震加固研究★

叢 宇 鐘 燕 褚云朋 古 松

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041； 2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

1990年后，建筑業迅速崛起，鋼筋混凝土結構(RC)房屋大量修建。隨著時代發展，人們對建筑的功能要求隨之提高，加上諸多鋼混結構建筑出現了不同程度的材料老化和構件損壞現象，極大影響結構穩定性和安全性。拆除重建建筑不僅耗時耗材耗力，產生的建筑垃圾也會對環境產生影響，同時為了響應國家綠色建筑的號召，一系列鋼混結構建筑改造與加固的技術方法順應產生。在保留原有主體結構的基礎上，進行功能改造并采用適當加固措施，只需花少量投資來維修、加固就可恢復承載力，確保抗震安全可靠性[1-4]。

以成都某多層RC框架為例，其建造時間為1992年，至今已服役近30年，存在強度較低、材料性能老化、軸壓比不滿足現有混凝土建筑抗震設計規范[5]的問題，且功能不滿足現有需求。基于此，對該建筑進行功能改造和提升，通過粘型鋼法對柱進行加固，提升強度，加強整體穩定性、承載性能，提高抗震性能。

1 工程概況

本工程位于成都市青羊區，建筑特點符合城市整體規劃要求。該工程采用七層RC框架結構體系，電梯采用RC剪力墻，由3層辦公樓和4層客房樓組成，辦公樓建筑高度為12 m，客房樓建筑高度為27.3 m。客房部分9.30 m標高以下(包括4層樓面)用C30混凝土，以上部分用C20混凝土，梁、柱主筋選用HPB300，箍筋選用HPB235級，墻、板受力鋼筋選用HPB300。該地區地形較為平坦，Ⅱ類場地；抗震設防烈度為7度，基本加速度0.10g；丙類建筑抗震設防，設防地震第三組。

2 改造結構SATWE分析

2.1 結構模型建立

本改造工程為拆除客房樓一樓門廳的頂板和二樓會議室的底板。因為辦公樓和客房樓之間設有100 mm的抗震縫，依結構受力實際，主要怕地震時兩建筑發生碰撞，所以需對結構側移進行分析。兩個部分可分開進行建模分析，用PKPM建立結構模型，采用SATWE模塊進行分析。開孔后結構模型如圖1所示。

2.2 計算結果分析

2.2.1抗震性能

本工程選取振型計算數為15個，振型計算過程中考慮了扭轉偶聯對結構的影響。結構的自振周期如表1所示，由此可知前三階振型分別是以X,Y方向的平動和扭轉為主，符合概念設計要求。第一平動周期T1=1.416 1 s，第一扭轉周期T3=0.785 7 s，周期比T3/T1=0.554 8，符合規范[5]中周期比小于0.85的要求。有效質量系數X向為95.95%，Y向為91.33%，均大于90%，滿足高層建筑設計規范[6]要求。

表1 結構振型信息

在水平地震作用下，結構的層間位移和層間位移角如表2所示：1)X,Y向頂層最大位移分別為17.7 mm,28.99 mm，滿足規范限值要求；2)三層Y向側移為15.32 mm，小于客房樓與辦公樓之間的抗震縫100 mm；3)X,Y向最大層間位移角分別為1/978，1/615，均小于1/550。該結構在頻遇地震作用下構件不易損壞，滿足人體舒適度要求。

表2 層間位移和層間位移角

結構改造后經過SATWE分析發現，1層～5層柱子均存在軸壓比超限的情況，原因是原結構中9.30 m標高以下混凝土為C30，以上部分混凝土僅為C20，強度較低，且部分柱截面尺寸較小，僅為400 mm×400 mm，故計算得到的軸壓比不滿足現在的建筑抗震設計規范[5]對軸壓比限值要求，需對柱進行加固。

2.2.2整體穩定性

為了驗證結構的整體穩定性，需計算結構剛重比。結構剛重比公式如式(1)所示。

(1)

根據式(1)計算出結構最小剛重比為23.66，滿足公式中不小于10的要求，表明其整體穩定性符合要求。其結構最小剛重比不小于20可以不考慮重力二階效應的影響。

3 結構加固及措施

采用粘型鋼法[7]使柱子成為組合結構，粘貼鋼板法是通過粘膠劑直接將鋼板貼合在鋼筋混凝土構件表面，使其代替原有受力結構成為新的承載系統，從而降低柱軸壓比，提高結構側向剛度，有效提升整個結構的承載能力和抗震能力。

3.1 柱加固

本工程采用Q345B鋼材外包型鋼進行加固，依據混凝土結構加固設計規范[8]知，采用外加型鋼加固RC結構軸心受壓構件，其軸壓比計算公式如下：

(2)

以每層相同截面尺寸的所受軸力最大的柱為對象進行加固計算。現對第一層截面尺寸為600 mm×600 mm的柱進行加固計算，其所受最大軸力為6 075 kN，按照式(2)計算得出As≥9 371.43 mm2，選取角鋼L125×10。外包鋼加固立面圖如圖2所示，外包型鋼加固截面大樣圖見圖3。

考慮到經濟性，根據每層柱子的截面尺寸和所受軸力的不同，且根據同層內每根柱子的不同，加固所采用的型鋼截面也不同。計算不同截面的柱在各結構層所需要的外包鋼的面積和型號，計算結果見表3。

表3 各層各截面外包鋼面積和選用型號

3.2 開洞樓板構造加固

樓板在建筑結構中起到承受上部豎向荷載的作用，同時為結構提供橫向剛度，協調結構側向變形，維持整體共同工作。樓板對整體結構有著重要作用，故對開洞樓板需要進行加固處理，否則會留下結構安全隱患，影響建筑的安全使用。

通過對樓板開洞結構建模SATWE分析，以及前文數據分析可知：1)樓板開洞沒有降低樓層的整體剛度和結構整體性；2)樓板開洞未影響到建筑抗震性能，在地震作用下樓板不會因為產生較大變形而破壞；3)樓板開洞并未較大影響開洞周圍樓板的承載力，結構的整體承載能力較強。但樓板開洞會在開洞處產生應力集中現象，故需對開洞樓板進行構造加固。在樓板板高范圍內的梁側面貼鋼板，固定板面內鋼筋，采用10 mm厚鋼板內側貼邊，開洞處采用Q235B鋼材進行加固。

4 結論

本工程是對一棟老舊的鋼筋混凝土框架結構建筑進行功能改造和加固，通過建模分析得到以下結論：

1)建筑整體穩定性符合要求，1層～5層部分柱存在軸壓比超限情況，影響結構抗震性能，采用粘型鋼法并依照設計規范進行了加固處理。

2)樓板開洞對結構抗震性能和整體穩定性影響較小，只需在開洞樓板處進行構造加固即可。