框架结构抗震鉴定与加层加固改造设计

某框架结构抗震鉴定与加层加固改造设计
李玲玲1 ，郑七振1 ，王东1 ，杨珏1，2
( 1． 上海理工大学土木工程系，上海200093; 2． 中冶集团建筑研究总院华东分院，上海200093)
［提要］ 某9 层现浇混凝土框架结构房屋，由于使用功能的改变，要对其进行加层改造。为保障其以后能够正常安全的使
用，依据抗震规范对其进行了全面的结构检测和抗震鉴定。通过现场检测、结构计算分析，针对结构直接加层带来的柱轴压
比超限、梁承载力不足、层间位移超限等问题，给出了鉴定结论，同时提出了补强加固建议，可供类似工程参考。
［关键词］ 框架结构; 抗震鉴定; 补强加固
［中图分类号］ TU746． 3 ［文献标识码］ A
Seismic Appraisal and Strengthening Design of An Extension-story-frame Structure
Li Ling-ling1 ，Zheng Qi-zhen1 ，Wang Dong1 ，Yang Jue1，2 ( 1． Department of Civil Engineering，University of Shanghai for
Science and Technology，Shanhai 200093，China; 2． East China Branch of Central Research Institute of Building＆Contruction，MCC
Group，Shanghai 200093，China)
Abstract: Because of the change of functions，a nine-storey cast-in-place concrete frame office building is reconstructed with storey
adding． Assure to normal safe use，according to the code for seismic design buildings，seismic appraisal and dynamical test of the
structure are conducted． Based on the results of structure analysis and field test，aim at the problems when inserting layers directly，for
instance，the axial compression ratios of some frame columns will be out of the limit，the longitudinal reinforcement ratios of frame
beams will be less than the service level，and some stories drift will be out of the limit of seismic design code，some suggestions of
reinforcing and strengthening are proposed ． It will supply the reference for other similar project．
Keywords: frame structure; seismic appraisal; reinforcing and strengthening http://www.shjgu.com/
近几年来，我国破坏性地震频频发生，导致建筑结构的破坏和倒塌，造成了严重的人员伤亡和经济损失。老的抗震规范与现行国家设计规范和标准的要求有一定的差距，同时房屋经过长时间使用后，会造成结构不同程度的的老化和破坏，结构的承载力进一步降低，影响到以后的正常安全使用，需要对原结构进行全面的检测和抗震鉴定，并且根据新规范进行验算加固。
1 工程概况
某商务楼位于上海市中山北路止园路口，始建于1986 年，原设计为9 层现浇混凝土框架结构，无地下室，建筑面积6753 m2 ，长47． 0m，宽17． 5m，建筑总高度约为37． 2m，底层层高6． 0m，其余层层高均为3． 9m，采用柱下独立桩承台，承台基底标高为
－ 2． 4m。建筑平面见图1 所示。房屋最初设计用途为上海春光服装车间，后作为商务办公楼及商业网点使用至今。房屋过去曾对标高3． 0m 处用现浇混凝土无梁楼盖结构进行局部夹层改造，在1 轴线和D 轴线外增设两层附楼，附楼与主楼间设有变形缝，为独立结构。目前房屋拟增加两层，其中新加顶层用于屋面平改坡，并采用钢
结构进行屋顶平面改坡; 重新分配各楼层的使用功能，其中1 层～ 2 层主要用于餐饮; 原夹层用于出租房，主要用于影像出图等; 3 层及3 层以上均为商务办公室; 房屋改造后，房屋的外立面及局部构造发生相应变动，由于铺设管道需要，部分梁和楼板需重新开凿洞口并新砌筑各办公室隔墙。考虑原建筑建成时间太长，而且改变了其使用功能，为保证建筑的安全，需对该房屋进行抗震鉴定，并根据鉴定结果对房屋进行改造和加固。
2 现有结构检测与鉴定
2． 1 结构现状复核与完损情况检测现场收集建筑平、立面尺寸以及现有梁及柱截面尺寸和配筋等情况与原设计图纸基本相符。对主要构件进行现场目测、局部凿开以及仪器测试等方法进行全面检查。现场检测发现，房屋各单元的损伤及缺陷主要
有: 屋面防水层老化，局部排水不畅，女儿墙出现开裂、破损现象; 部分填充墙出现开裂渗水现象; 现浇楼( 屋) 面板出现开裂破损及渗水现象; 附楼及夹层存在部分结构损伤。
2． 2 混凝土构件检测
现场采用回弹法及钻芯法对建筑物中的混凝土构件强度进行了随机抽查测试，具体操作过程按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》( JGJ /23-2001) 及《钻芯法检测混凝土强度技术规程》( CECS03: 2007) 进行。评定结果为混凝土外观质量
较差，构件表面存在蜂窝麻面，混凝土强度离散性大，房屋混凝土现有强度推荐值为C25，低于原设计
强度C28。混凝土保护层碳化情况较为严重，个别构件的碳化深度已到达钢筋表面。
2． 3 倾斜和差异沉降检测
采用J2 － 2 经纬仪测量房屋外墙转角处的水平偏差，据此推算房屋的竖向倾斜率，测试结果发现:最大倾斜偏差量为44． 3mm，最大相对倾斜率为1. 4‰; 满足《建筑地基基础设计规范》( GB 50007-2002) 关于该高度范围内建筑结构相对倾斜率的限值( 3‰) 要求。采用NA2 水准仪测试房屋部分楼层平面的不均匀沉降趋势，测试结果显示: 房屋楼( 屋) 面整体未表现出有规律的不均匀沉降趋势。
2． 4 抗震性能鉴定
根据《建筑抗震鉴定标准》［2］ ( GB 50023-95) 的两级鉴定法对各部分结构抗震性能进行鉴定。原结构体系、构造与上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》( DBJ08-9-2003) 比较结果见表1 所示。从表中可看出，原结构的构造存在若干不能满足现行规范要求之处，其余构造措施基本满足抗震规程要
表1 第一级鉴定对照表
Table 1 The first level identification table
鉴定项目原结构现行规范备注
框架形式双向框架宜为双向框架满足
节点形式整浇节点宜为整浇节点满足
混凝土强度C25 ＞ C18 满足
柱端箍筋( ≤1 /6Hc
) ?6@ 250 ?6@ 200 不满足
梁端箍筋( ≤1 /6Hb
) @ 250 不应＞ @ 200 不满足
框架柱宽度最小400 不宜小于300 满足
求。
3 房屋抗震验算
3． 1 计算条件
根据现场检测结果并结合正常使用条件，采用
中国建筑科学研究院编制的PKPM( 2005 版) 计算
程序进行复核验算。计算时，不考虑原结构中施工
缺陷、钢筋锈蚀等不利因素的影响，拟加层部分框架
柱与原框架柱连接均以刚接考虑。验算的部分参数
如下［1］:
抗震设防: 7 度( 0． 10g) ，抗震设防第一组
抗震等级: 二级
场地土类别: IV 类
基本风压: 0． 55 kN /m2 ，B 类粗糙度
混凝土强度: 取C25
屋面活载: 2． 0 kN /m2 ( 上人屋面)
楼面活载: 2． 0 kN /m2 ( 办公室、会议室) ，2． 5
kN /m2 ( 餐厅、走廊、卫生间) ，5． 0 kN /m2 ( 储藏室、
配电间) ，7
． 0 kN /m2 ( 电梯机房)
3． 2 计算结果
( 1) 地基基础: 房屋基础为柱下独立桩承台，承台间设置闭合基础系梁，其中边柱为一柱4 桩，中柱为一柱6 桩，单桩极限承载力为180t。根据改造方案计算，现有基础基本满足改造后的使用要求，但基础承载力已基本接近限值。
( 2) 框架柱: 由于房屋整体荷载较原设计荷载
增加较多，根据改造方案计算: 房屋1 层～ 7 层大部分框架柱轴压比大于现行设计规范规定的限值，最大者达1． 30。3 层以上部分框架柱配筋不能满足使用要求。
( 3) 框架梁: 由于新增楼面荷载集中作用于部分框架梁上，荷载传递途径与原设计存在差异，根据改造方案计算: 房屋各层2 ～ 10 轴线框架横梁各支座处梁顶部配筋不能满足承载力要求; 房屋B、D 轴线框架纵梁各支座处梁顶部配筋不能满足承载力要
求，其余框架梁基本满足改造后的使用要求。
( 4) 楼( 屋) 板: 根据改造方案计算，房屋楼( 屋) 面板基本满足改造后的使用要求。
( 5) 结构抗震变形: 房屋在多遇地震作用下最大层间弹性位移角的计算值见表2 所示，结构的最大周期为2． 85s。根据《建筑抗震设计规范》［6］ ( GB50011-2001) 第5． 5． 1 条规定，钢筋混凝土框架结构的层间弹性位移角限值为1 /550。从表2 中可以看出，房屋在地震作用下层间弹性位移角最大值为1 /384，超出规范的弹性变形要求。表2 加固前多遇地震下层间弹性位移角结果
Table 2 The results of elastic drift angle under frequent
earthquake before the reinforcement
楼层
X 向Y 向
最大层间位移角
Max( Dx / h)
最大层间位移角
Max( Dy / h)
9 层1 / 613 1 / 643
8 层1 / 532 1 / 538
7 层1 / 490 1 / 480
6 层1 / 450 1 / 446
5 层1 / 500 1 / 544
4 层1 / 476 1 / 519
3 层1 / 450 1 / 494
2 层1 /423 1 /484
夹层1 /384 1 /495
1 层1 /503 1 /682
4 房屋加固措施
针对现场检测结果及根据改造方案计算后出现的问题，拟采取以下加固措施［3 ～ 5］:
( 1) 对屋面渗水部位应进行封缝和防水处理，或全面重换屋面防水层。
( 2) 对已产生裂缝的墙体，凿除粉刷层后，用Φ6@ 200 双向钢筋网加40 厚细石混凝土或高标号水泥砂浆分层压光进行加固。对于开裂较宽的裂缝，应对裂缝进行封堵，并采取防水措施。
( 3) 对于破损的混凝土构件应采用聚合物砂浆进行修补，为保证新旧混凝土的可靠连接，必要时，需补充一定的构造钢筋。
( 4) 对结构增设部分纵、横混凝土抗震墙以提高房屋结构的整体刚度，具体布置见图2 所示，使房屋在多遇地震作用下的抗震变形能满足规范要求，有效地传递地震荷载。
 
加固抗震墙布置图
 
图2 新增抗震墙布置图
Fig． 2 Additional shear wall layout
( 5) 对轴压比超限的框架柱，采用扩大断面法进行加固，具体做法见图3 所示。
 
柱增大截面示意图
 
图3 柱增大截面示意图
Fig． 3 Increasing section diagram of columns
( 6) 对于承载力不足的混凝土梁采用扩大截面法进行结构补强，具体做法见图4。
5 结构加固后计算结果结构进行加固后主要受力部分仍为框架部分，所以对加固后的结构仍然按框架结构再次进行抗震验算。计算表明，结构刚度比加固前增大，并且加固后的结构框架柱、梁的配筋满足承载力要求; 柱子的轴压比明显减小，最大者为0． 75，满足现行设计规范规定的限值。加固后结构在地震作用下的层间位移验算结果参见表3 所示，加固后结构的最大自振周期为1．46s，从表3 中可见，x，y方向地震作用下结构的层间位移均小于规范规定的1 /550 限值。表3 加固后结构在多遇地震下层间弹性位移角Table 3 Elastic drift angle under frequentearthquake after the reinforcement
楼层X 向Y 向最大层间位移角Max( Dx / h)最大层间位移角
Max( Dy / h)
9 层1 /1493 1 /1222
8 层1 /1236 1 /1058
7 层1 /1043 1 /930
6 层1 /904 1 /844
5 层1 /901 1 /814
4 层1 /856 1 /789
3 层1 /833 1 /790
2 层1 /847 1 /833
夹层1 /875 1 /917
1 层1 /1220 1 /1342
6 结语
( 1) 加固设计前，必须对原结构进行全面的检测、鉴定，检测出原结构主要承重构件的实际强度、不均匀沉降及构件损伤情况，并进行抗震验算;把检测及计算结果作为制定结构加固方案的依据。
( 2) 根据改造方案验算，基础承载力基本满足改造后使用要求。但在加层改造及未来使用过程中，应加强房屋的沉降监测，如出现不均匀沉降，视沉降发展的程度而采取相应措施，及时处理。
( 3) 改造加固设计方案选取过程中，在满足承载能力要求的基础上，应尽量使用施工方便、工效
高、对原结构受力影响小的加固方法。
( 4) 改造设计时，新增办公室分隔墙体尽可能采用双面石膏板，减轻楼面线荷载，以此减少楼面荷
载增加量。按文中建议的方法加固后，结构的抗震性能能够满足现行规范要求。该工程于2008 年竣工，并已
投入使用，3年来工作情况良好。参考文献( References) :
［1］ GB 50223-2008，建筑工程抗震设防分类标准［S］
GB 50223-2008，Standard for Classification of Seismic
Construction Standards［S］( in Chinese)
［2］ GB 50023-2009，建筑抗震鉴定标准［S］
GB 50023-2009， Standard for Seismic Assessment of
Buildings［S］( in Chinese)
［3］ JGJ 116-2009，建筑抗震加固技术规程［S］
JGJ 116-2009， Technical Specification for Seismic
Strengthening of Buildings［S］( in Chinese)
［4］ GB 50010-2002，混凝土结构设计规范［S］．
GB 50010-2002，Code for Design of Concrete Structures
［S］． ( in Chinese)
［5］ 丁绍祥． 混凝土结构加固工程技术手册［M］． 武汉: 华
中科技大学出版社，2008
Ding Shao-xiang． Technical Manual of Concrete Structure
Reinforcement Project［M］． Wuhan: Huazhong Science
and Technology University Press，2008( in Chinese)
［6］ GB 50011-2001，建筑抗震设计规范［S］
GB 50011-2001，Code for Seismic Design of Buildings
［S］( in Chinese)