某既有建筑加固改造的抗震性能化设计

某既有建筑加固改造的抗震性能化设计

金,姝

上海市建工设计研究总院有限公司 上海 200000

摘要：伴随着规范的更新以及新规范的实施，现有建筑的结构加固设计提出了抗震性能化设计的新要求。本文通过一个超限建筑的加固改造设计过程，详细介绍了抗震性能化设计在改造工程中的应用。

关键词：加固设计；抗震加固设计；抗震性能化设计

一、前言：

随着我国经济发展的需要，人们对既有建筑的功能提出了新的要求，既有房屋的改造即可以降低建筑成本又可以提高建筑用地的利用率，因此既有房屋的改造将会是城市建设的重点项目之一。改造建筑一般为八、九十年代的老旧建筑，房屋结构以及抗震性能都有待提升，采用以结构抗震性能化设计为基础的加固改造设计，既可以满足业主需求又可以达到结构经济合理满足现行规范的目标。接下来就结合工程实例介绍抗震性能化设计在改造加固中的应用。

二、工程概况：

本工程是一幢1997年设计并建造的商住两用楼，建筑总层数为7层，建筑总高度为20.8m，总建筑面积为29760m2。建筑底部三层为框架结构大底盘，其主要建筑功能为小型商铺。建筑上部多塔分为两种类型，西侧为三层钢筋混凝土框架结构的办公楼，其余四栋为四层砌体结构住宅楼。基础采用桩基础。现业主拟将底部三层改为大型商场整体营业，上部办公及住宅的使用功能不变。

三、建筑结构现状分析：

1.设计依据分析

查阅本工程竣工存档图纸后可知，本工程设计完成至今历经多次规范改版以及国家地震动参数更新，当时选用的规范以及设计参数与现行要求存在较大差异，现选取重要规范以及参数进行对比详见表1。

表1：设计依据对比表

经对比可知，现有地震烈度相较于原设计有所提高，并且原设计活荷载取值明显小于改造后建筑功能的活荷载需求。

2.结构体系分析

建筑的现状结构体系较为复杂，存在以下两项不符合规范要求之处：一是南北两侧砖混住宅为底部三层的底框结构，不符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[3]中的第7.1.1条的规定；二是大底盘上部框架结构与砌体结构两种结构体系合用未设置抗震缝，不符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）第3.5节关于结构体系的相关规定。同时建筑存在错层、多塔、平面凹凸不规则、扭转不规则等的多项平立面不规则项，属于极不规则的多层建筑。建筑平面示意图详见图3.1，剖面示意图详见图3.2。

图3.1 建筑平面示意图

图3.2建筑剖面示意图

四、加固设计方案：

  1、优化结构形式，现有建筑采用的底部三层框架上部四层砖混的结构形式不仅抗震性能差，同时也不满足现行国家规范的相关规定。经综合评估后决定将上部四层砖混结构拆改为混凝土框架结构，即房屋的整体结构形式可改为框架结构。对比原设计的底框结构，框架结构具有结构整体性好、刚度均匀，结构延性好可避免地震作用下的脆性破坏等优点，更有利于提高建筑的抗震性能。原底部三层框架部分，针对承载力不足的构件采用加大截面法进行加固。

2、 建筑改为框架结构之后依然存在多项平立面不规则的情况。为提高建筑的整体抗震性能，又为兼顾加固改造的经济性，本工程采用基于结构抗震性能化设计的多目标多层级的结构设计方法进行抗震验算。

3、超限分析及判定

采用YJK软件建模进行初步分析后根据计算得到的结果，结合现有结构的布置，依据“建设部令第111号”对建筑的超限分析[4]详见表2。

表2：结构不规则项目

经分析本工程具有扭转不规则、竖向抗侧力构件不连续、复杂结构三项一般不规则项以及平面凹凸尺寸超50%的一项特别不规则项。

针对以上不规则项，采取以下措施对结构进行加强：

（1）采用YJK和MidasGEN两种软件进行多遇地震下的弹性分析。控制结构的刚度、层间位移角、位移比、周期等指标在规范允许范围内，同时通过加强结构的整体刚度控制偶然偏心作用下最大扭转位移比小于1.4。

（2）在多遇地震下，采用时程分析法进行补充计算。

（3）将错层柱、框支柱、框支梁设置为关键构件，在多遇地震下采取抗震等级提高一级的加强措施。同时要求满足中震弹性、大震抗剪不屈服的抗震性能。

（4）对于存在错层楼层板以及凹进尺寸过大的楼层板，进行楼板应力分析，要求在多遇地震作用下楼板拉应力t，楼板钢筋取多遇地震和设防地震作用下的计算结果包络设计；同时要求设防地震作用下满足抗剪不屈服、罕遇地震作用下楼板受剪满足截面限值条件。

五、多遇地震下的弹性分析

两种软件的计算结果详见表3，通过表3的对比分析可见两种软件的计算结果基本接近，结构自振周期、层间位移角、位移比都在合理范围内。

表3：YJK和MidasGEN计算结果对比

六、弹性时程分析

1、采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。选取5组天然波+2组人工波，时程分析结果取七组地震波计算结果的平均值。选取的地震波分别为：

（1）天然波Irpinia, Italy-02_NO_298,Tg(0.49)

（2）天然波San Fernando_NO_59,Tg(0.46)

（3）天然波Chi-Chi, Taiwan-05_NO_2983,Tg(0.48)

（4）天然波Big Bear-02_NO_1868,Tg(0.47)

（5）天然波Kobe, Japan_NO_1119,Tg(0.49)

（6）人工波ArtWave-RH4TG045,Tg(0.45)

（7）人工作ArtWave-RH3TG045,Tg(0.45)

2、多波对比图，详见图6.1.1。

图6.1.1 规范普与反映谱对比图

通过图6.1.1的对比图可以看到，两条谱线在结构前两阶平动周期处的误差较小，满足规范“多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”的要求。

3、对动力时程分析得到的结构基底剪力分析表明：与振型分解反应谱法的计算结果相比，七组地震波对应的基底剪力平均值误差小于20%，满足规范要求。计算结果详见表4。

表4：动力时程分析基底剪力对比表

4、动力时程分析结果显示：动力时程分析结果大于反应谱计算结果，构件设计时，X方向地震剪力按照计算结果放大1.159倍，Y方向地震剪力按照计算结果放大1.106倍。

七、抗震性能化设计与加强措施

    由于建筑布局的限制本工程在三层大底盘屋面处存在错层；又因为上部住宅柱间距太密全部落地会影响底部商场的使用，所以在三层顶局部将住宅柱网转换为规整商场柱距。三层错层柱以及框支转换柱的柱位示意如图7.1。

图7.1 性能化设计框架柱示意

错层会形成短柱，当水平地震力来临时容易发生脆性的剪切破坏，破坏过程短暂且突然，是地震力作用下造成建筑破坏和倒塌的重要原因。转换柱造成竖向构件不连续，引起竖向刚度突变，造成局部构件因吸收过大地震力而引起的破坏。

设定转换柱、转换梁、错层柱在中震作用下抗剪、抗弯弹性，配筋选取小震、中震包络设计，在大震下满足截面抗剪不屈服。用一根转换柱的计算过程举例说明，柱配筋文件见图7.2、7.3、7.4。

图7.2 小震作用下柱加固计算结果

图7.3 中震作用下柱加固计算结果

图7.4大震作用下柱加固计算结果

根据图7.2、7.3的计算结果，框支柱按中震作用下结果进行配筋，加固区单边纵筋计算配筋As=2629-1521=1108mm2需配置4Φ20（As=1256mm2>1108mm2）；加固区核心区箍筋计算面积为Asv=403-151=252mm2需配置Φ14@100，（Asv=154×2=308mm2>252mm2）。根据图7.4的计算结果，框支柱抗剪承载能力CB_XF=322.79KN>Vx=320.0KN，CB_YF=379.33KN>Vy=345.2KN，满足大震作用下抗剪不屈服的要求。

八、楼板应力分析

地震水平荷载作用下楼板作为传递水平力的重要构件，同时还是协调结构体系变形保证空间完整性的重要构件。

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[5]中的性能化设计要求及相应的楼板应力验算示例[6][7]，即中震满足式（8-1）和式（8-2），大震满足式（8-1）和式（8-3）。

（8-1）

（8-2）

                         （8-3）

以三层楼板为例，小震、中震作用下楼板拉应力设计值详见图8.1、8.2；中震作用下楼板剪力设计值见图8.3、图8.4，大震作用下楼板剪力设计值详见图8.5、图8.6。

图8.1小震下三层楼板拉应力（MPa）

图8.2中震下三层楼板拉应力（MPa）

图8.3 中震下三层楼板Vxz向的剪力设计值

图8.4 中震下三层楼板Vyz向的剪力设计值

图8.5 大震下三层楼板Vxz向的剪力设计值

图8.6 大震下三层楼板Vyz向的剪力设计值

如图8.1、8.2所示，小震、中震作用下楼板最大拉应力分别为 0.5、0.8均小于f t=2.01（C30混凝土），则楼板配筋满足构造要求即可。

如图8.3、8.4所示，选取楼板最大剪力设计值为39.1KN/m[7]。当不考虑混凝土抗剪贡献时，则由钢筋承担所有剪力，根据式(8-2)，取，计算得楼板每延米所需钢筋面积Ash=163mm2。查阅原始竣工图，原建筑楼板配筋采用分离式配筋，底部为双向Φ8@150配筋面积Ash1=335 mm2>Ash，满足要求。顶部增补50mm厚混凝土层，增补混凝土内双向通长配置Φ8@150，满足要求。

如图8.5、8.6所示，选取楼板最大剪力设计值为138KN/m[7]，加固后楼板厚度为120mm，混凝土标号为C30，则根据式(8-3)，每延米楼板抗剪承载力Rk=361 KN/m>138KN/m，楼板在大震作用下满足抗剪截面控制。

九、结论

本工程为旧房改造工程，改造过程中不仅要满足现行规范的荷载要求，对构件进行承载力验算。更要对结构多项不规则进行有针对性的抗震验算。抗震性能化设计主要通过制定不同的抗震水准目标对结构进行多层次的验算，找到抗震薄弱点对其进行结构加强。这样不仅可以提高建筑的抗震性能，更加可以有针对性的采取加强措施，达到节约造价的目的。

参考文献：

[1]GB50023-2009,建筑抗震鉴定标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[2]GB55001-2021,工程结构通用规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2021.

[3]GB 50011-2010,建筑抗震设计规范(2016版)[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4]《超限高层建筑工程抗震设防管理规定》(建设部令第111号)

[5]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]魏琏，王森，陈兆荣，曾庆立，杨仁孟.高层建筑结构在水平荷载作用下楼板应力分析与设计[J].建筑结构,2017(47)：10-16.

[7]张波.大开洞商业建筑构件性能化设计[J].建筑施工，2021.4：660-661