概念設計在改變結構體系加固項目中的應用

關宇 楊靖 李寶欣

承德市建筑設計研究院有限公司 河北 承德 067000

隨著我國抗震設計技術的發展，一些過去常見的結構形式逐漸被歷史淘汰，新建項目已不再允許應用，如上世紀七、八十年代常見的內框架結構建筑。這種內部為框架承重，外部為磚墻承重的房屋，從抗震概念設計原則可以看出，這種內外不同的兩種材料組成的復合結構，對于抗震性能是十分不利的。事實證明，在歷次地震中內框架結構的震害都是相對比較嚴重的。《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009[1]中規定的內框架建筑不適用于重點設防類建筑。但在實際項目中，由于業主對建筑的使用功能的需求，及建筑自身存在的缺陷，往往已經超過了規范要求的最低標準，所以處理這種項目應采用比規范要求更嚴格的技術措施。應通過符合抗震概念的結構布置、可靠的結構計算及合理的構造措施，制定合理的房屋加固方案。

1 結構改造方案的計算與分析

1.1 結構改造方案

在既有建筑加固改造項目中，當內框架結構的高度和層數超過《建筑抗震鑒定標準》GB50023-2009中的規定的最大高度和層數時，或建筑的抗震設防分類不低于重點設防類時，為滿足業主需求，改變原有建筑結構體系就成為首選的結構改造方案。

內框架結構可根據預期的使用功能和原始的結構布置條件，改為抗震性能更好的框架結構或框架-抗震墻結構。如在外框磚墻中對應框架的位置設置框架柱，與原有內框架形成標準的框架體系，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，并根據情況在適當的位置增設鋼筋混凝土抗震墻，形成外葉鋼筋混凝土墻內夾磚墻的抗震墻與新增抗震墻及原有內框架形成框架—抗震墻體系。

1.2 結構計算與分析

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

改變結構體系的設計應從概念設計出發，先研究結構的規則性，再研究構件的可靠性，是從整體到局部，再回歸整體的設計思想。所謂概念設計[2]，就是運用清晰的結構概念，不經過數值計算，依據整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、震害、實驗現象和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思想，對結構及計算結果進行正確的分析，并考慮結構實際受力狀況與計算假定間的差異，對結構進行設計，使結構變形協調、受力安全合理。

內框架結構改為框架—抗震墻結構，應先從抗震墻布置入手，根據建筑功能，原有磚墻視情況采用鋼筋混凝土面層法加固或拆除，根據計算結果，如有需要，建筑內部也可適當增加鋼筋混凝土抗震墻或框架柱，框架可根據計算結果按需加固處理。結構計算可以采用與目標模型近似的結構模型，通過調整抗震墻厚度和框架構件截面，控制結構的規則程度，以快速的確定合理的結構布置方案。

2 算例

本節通過某磚混內框架既有建筑加固改造的實際案例，說明概念設計在設計前期快速制定結構加固改造方案的應用。

本項目原有建筑為內框架結構，地上7層，局部8層設備間，建筑高度23.8m，由240mm厚磚墻砌筑，建筑所在地區抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第三組，場地類別為Ⅱ類場地。

根據業主對本建筑未來的使用需求，加固設計方案擬采用改變結構體系的方法[3]，將原內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，內框架采用增大截面法和增加框架柱的方法加固，將結構體系改為框架—抗震墻體系。

結構計算首先將模型簡化為圖1所示的純框架結構（模型一）做整體分析，主要分析結構平面和豎向的規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，計算結果見表1。

表1 模型一主要計算結果

圖1 模型一標準層平面

根據表1結果可以判斷，結構的位移角很小，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，在結構周邊增加抗震墻后，可顯著提高結構的抗扭轉能力，但要注意建筑內部增加的抗震墻對結構規則性是否會產生不利的影響。如模型增加抗震墻后結構的規則性沒有問題，那么即可證明原結構通過預期的方法改為框架—抗震墻結構是合理可行的。

結構計算第二個模型將結構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—抗震墻結構的抗震墻布置要求在部分區域新增抗震墻，使X、Y方向的抗剪承載力及動力性能相近，同時根據建筑要求將需要墻開洞的位置留好結構洞，如圖2。

圖2 模型二標準層平面

根據結果可以判斷，結構周期比已滿足規范要求，位移比依然略大于1.2，位移角很小，遠小于規范限值，說明抗震墻布置合理，結構剛度很大，模型增加的鋼筋混凝土抗震墻沒有產生對結構不利的影響。再看結構位移的變化，如圖3、圖4。

圖3 模型一結構位移

圖3為模型一的位移結果，圖4為模型二的位移結果，位移曲線形狀的變化和位移絕對值的變化均符合預期，均是由框架結構的位移曲線特征向剪力墻結構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。經核查，圖2模型二的規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—抗震墻結構[2]。綜上說明，原結構通過預期的方法改為框架—抗震墻結構方案合理可行。結構方案確定后，后續設計以構件的加固處理為主。

這里應注意，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別，這種不容易計算的情況就需要應用概念設計的思想，首先計算結果應留有足夠的冗余量，二是關鍵墻體盡量采用雙面加固的方法，內部墻距較近的墻體，可考慮采用單面加固的方法，例如本算例的電梯井部分，三是應精細化設計新增結構與原有結構的連接節點，使構件實際受力情況更接近計算假定。

3 結論

近年來，隨著我國城市化的高速發展，人們生活質量得到迅速提升，合理的利用城市資源是國家可持續發展戰略的重要措施。現階段的城市正在由傳統模式向著生態模式轉變，據統計，截至2021年底，我國既有建筑面積已超800億平方米，住房和城鄉建設部日前印發的《“十四五”建筑節能與綠色建筑發展規劃》提出，到2025年，完成既有建筑節能改造面積3.5億m2以上。既有建筑面積大，改造任務重，是近年來既有建筑改造的大背景。

根據《既有建筑鑒定與加固通用規范》GB 55021-2021[3]規定：既有建筑的鑒定與加固，應遵循先檢測、鑒定，后加固設計、施工與驗收的原則。必要時，業主應組織相關專家對加固方案進行論證。既有建筑改造項目情況復雜多變，能夠快速準確的找到合理的加固方案，是結構工程師的重要工作內容，這時概念設計的思想尤為關鍵，它可以更好的激發設計靈感，不斷的做到設計創新，能夠滿足建筑專業更高的要求。