建筑基于抗震性能加固设计探究

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摘要：传统的既有建筑抗震加固设计方法多数沿用新建建筑的设计方法，重点关注抗震承载力及抗震构造措施的加固，采用该方法往往会导致加固量、加固施工面、造价等大幅度增加，同时不可避免地对原建筑的使用带来较大影响。文章提出了针对既有建筑的基于抗震性能的加固设计方法，该方法除关注抗震承载力及抗震变形外，还以达到预期的抗震性能为目标，不再强调抗震构造措施的相关加固。并且文章以某工程为例进行了抗震加固设计方案的比较，表明既有建筑的加固采用抗震性能的加固设计方法，能在满足抗震要求的同时，缩短工期并降低造价，同时也显著减少了对原建筑使用的影响，对一般既有建筑结构的抗震加固设计有借鉴意义。

关键词：既有建筑；加固设计方法；抗震性能

我国的抗震设计规范，经历了从无到有、从试行到实践的发展过程。工程试行阶段是指20世纪70年代初到20世纪80年代末这一时间段，其间发布了《工业与民用建筑抗震设计规范（试行）》（TJLL—74）及《工业与民用建筑抗震设计规范（试行）》（TJLL—78）。全面实践阶段发布了《建筑抗震设计规范》1989版、2001版、2010版、2016版。目前，大量的既有建筑存在接近或超过使用年限或需要提高抗震设防要求、进行改扩建等情况，但因此类建筑建造年代较早，所依据的抗震设计规范已经多次改版，导致多数既有建筑不能满足现行抗震设计规范要求，需要进行抗震加固。文章主要探讨传统抗震加固设计方法存在的问题，提出了在既有建筑抗震加固设计中运用抗震性能加固设计方法，尽可能缩短加固施工工期并降低造价，同时对原建筑的使用影响也尽可能降至最低。

1传统的抗震加固设计方法及其存在的问题

1.1不同版本抗震规范的主要变化

《建筑抗震设计规范》1989版首次提出了三水准的抗震设防目标（小震不坏、中震可修、大震不倒）两阶段（弹性阶段和弹塑性阶段）的抗震设计思想。以该指导思想为基本的抗震设防目标，其后发布的规范逐步提高了对房屋结构抗震措施及抗震构造的要求。《建筑抗震设计规范》1989版将抗震等级作为钢筋混凝土房屋抗震设计的重要参数，通过抗震等级的划分，体现对不同抗震设防类别、不同结构类型、同一烈度不同高度的钢筋混凝土房屋结构不同延性要求，以及同一种构件在不同结构类型中的不同延性要求，以实现第二水准（中震可修）及第三水准（大震不倒）的抗震设防目标。“强柱弱梁”作为重要的抗震设计概念之一，在《建筑抗震设计规范》1989版及其之后的版本的规范中均有体现且对依据这一概念对内力计算调整的要求逐步提高。规范采用增大柱端弯矩的方法即设置强柱弱梁的弯矩增大系数来实现这一目标。《建筑抗震设计规范》2001版相对于1989版提高了强柱弱梁的弯矩增大系数ηc，该系数考虑了一定的超配钢筋（包括楼板的配筋）和钢筋超强。一级框架结构及9度时，仍应采用框架梁的实际受弯承载力确定柱端弯矩设计值，取二者的较大值。《建筑抗震设计规范》2010版再次提高了框架结构的柱端弯矩增加系数，其他结构中框架的柱端弯矩增大系数仍与2001版相同，并补充了四级框架的柱端弯矩增大系数。随着抗震规范版本的更新，除抗震计算的内力调整要求外，规范对抗震措施的要求也在不断提高。《建筑抗震设计规范》2001版中明确了抗震措施与抗震构造措施的区别。抗震构造措施只是抗震措施的一部分，一般规定及计算要点中的地震作用效应（内力和变形）调整的规定属于抗震措施，设计要求中的规定，可能包含抗震措施和抗震构造措施。

1.2传统抗震加固设计方法

加固改造项目传统抗震设计方法通常采用了以下两阶段设计方法：（1）第一阶段设计。采用第一水准烈度的地震动参数，计算出结构在弹性状态下的地震作用效应，与风、重力等合作效应组合，并引入承载力抗震调整系数，进行原结构构件截面的设计校核，对不满足抗震承载力要求的结构构件进行加固处理，从而满足第一水准的强度要求；采用同一地震动参数计算出结构弹性层间位移，如不满足现行抗震规范要求则采用增设抗侧力构件或通过增大截面法加固竖向构件等方法增加结构的侧向刚度，使加固改造后的结构抗震变形验算满足要求。（2）第二阶段设计。通过加固原结构构件，使其配筋构造满足现行规范的抗震构造要求，以保证结构具有足够的延性、变形能力和塑性耗能，满足第二、第三水准的要求。

1.3存在的问题

按上述方法实施，在工程实践中通常会碰到以下问题：（1）既有房屋结构的竖向构，如框架柱的加固，采用的加固方法包括增大截面法加固（轴压比超限或结构整体刚度不足）、外包型钢（抗震承载力不足）、外粘钢板或碳纤维（抗震承载力不足或体积配箍率不满足要求等）。该加固施工必须拆除框架柱周边一定范围的填充墙、凿除粉刷层，对于外侧框架柱，还需要拆除外立面围护结构。（2）框架梁的加固通常包括梁顶支座处粘贴钢板或碳纤维（抗震承载力不足）、梁底粘贴钢板或外包型钢（抗震承载力不足）、粘贴碳纤维或钢箍板等，该加固施工需拆除梁底一定范围的填充墙、梁顶相关区域楼面面层等。

2基于抗震性能的加固设计方法

2.1抗震性能设计概述

结构的抗震性能是指在地震作用下，结构构件的承载能力、变形能力、耗能能力、刚度及破坏形态的变化和发展。延性大的结构其抗震性能好，因为良好的延性使结构有更大的变形能力，塑性区的发展能有效耗散地震能量，从而减弱地震反应。抗震性能化设计的基本思路是“高延性，低弹性承载力”或“低延性，高弹性承载力”。提高结构或构件的抗震承载力或变形能力，都是提高结构抗震性能的有效途径。为满足抗震性能化设计要求，新建建筑结构的设计是通过多遇地震下抗震验算来保证弹性承载力，通过抗震构造措施来保证结构构件的延性。

2.2抗震加固设计方法

（1）地震动水准的确定。对于后续使用年限为50年的结构，选用现行抗震规范的多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震作用。对于目标使用期小于50年的结构，可以对地震作用进行相应的折减。（2）选定合适的加固方案。要减少原结构构件的加固必须减小其地震作用效应，可采用的方法有增设新的抗侧力构件如剪力墙或支撑等来分担地震力，通过设置阻尼来减弱整个房屋结构的地震效应等。另外，还可以利用房屋装修的契机，通过将原有的砖砌隔墙改为轻钢龙骨石膏板等类似的轻质隔墙，减小楼屋面面层厚度，采用轻质装修材料等来减轻结构自重，同样能够达到减轻地震作用的目的。（3）选定性能设计指标。对加固改建后的结构分别进行多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震作用下的动力弹塑性分析。要求多遇地震作用下结构整体的抗震变形验算及抗震承载力验算（不含抗震措施）满足现行规范要求；罕遇地震作用下弹塑性变形满足预期的性能目标要求，具体如表1所示。

3案例分析

3.1工程概况

文章以某办公楼改建为例，采用了基于抗震性能的加固设计方法。（1）原房屋建筑结构概况。位于上海地区的某建筑建于1994年，地下1层，地上4层，原设计为商场，后作为酒店及办公综合楼使用。因城市更新需要，拟拆除该房屋酒店区域，仅保留办公区域，保留区域拟作为办公楼继续使用。房屋采用现浇钢筋混凝土框架结构，主体结构高度为22.8m。基础采用预制桩及柱下独立承台。房屋依据《建筑抗震设计规范》1989版进行设计，抗震设防烈度为7度，设防类别为丙类，场地土类别为上海Ⅳ类，框架抗震等级为三级。（2）加固设计方案分析比较。该房屋主要改建内容为局部拆除，且拆除涉及原结构体系的框架柱及框架梁，即改变原有抗侧力体系，按现行相关规范规定，显然属于改建项目，必须按照现行抗震规范及其他现行规范进行设计。经初步验算核查，并对照现行规范，该房屋有以下几点不满足现行规范要求：房屋抗震变形验算不满足要求；部分框架梁柱配筋不满足抗震承载力验算要求；部分框架柱的箍筋肢距、箍筋加密范围等不满足现行规范要求；部分框架梁箍筋间距、肢距等不满足现行规范要求。根据以上初步验算核查结果，按传统加固设计方法，可采用的加固方案包括增加抗侧力构件或用增大截面法加固框架柱以解决抗震变形不满足要求的问题。加固必然要求拆除相关构件周边的填充墙，涉及的加固施工面较大，且加固施工周期较长。加固施工必然导致房屋停止使用、重新装修等，综合造价较高，业主很难接受。此次加固采用局部增设防屈曲钢板剪力墙的方案，加固范围仅涉及增设剪力墙区域的相关框架梁柱，不对其余构件作抗震构造加固。预期的目标是多遇地震作用下结构抗震变形验算及抗震承载力验算满足要求，罕遇地震作用下预期的性能目标不低于性能3的要求。

3.2计算分析

（1）分析软件及模型。该工程采用YJK软件进行计算分析，包括多遇地震作用下反应谱分析及罕遇地震作用下动力弹塑性分析[1]。改建后的结构分析包括小震弹性分析和大震动力弹塑性分析。（2）小震弹性分析。小震作用下主要计算结果如表2所示。以上计算结果表明：增加钢板墙后，小震作用下的层间位移显著减小，满足现行抗震规范关于框架结构层间位移角的限值。依据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）[2]及《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）[3]等对原结构框架梁柱进行抗震承载力校核验算，结果表明其配筋基本满足要求。（3）大震弹塑性分析。大震动力弹塑性分析采用的地震波选自上海市地方标准《建筑抗震设计规程》（DGJ08-9—2013）[4]附录A，此次分析以天然波SHW11为例，分析结果如图1所示。大震弹塑性分析结果表明，改建后的结构弹塑性层间位移角最大为1/95（X、Y方向相同），小于现行抗震规范[Δup]（即1/50），同时小于6[Δue]（即1/92），满足表1所列的性能3的要求[5]。

4结束语

新建建筑的抗震设计多数采用相应的抗震构造措施来保证结构具体足够的延性、变形能力和塑形耗能，对既有建筑而言，如果去苛求其结构构件的抗震构造满足现行规范要求，往往会导致较大的加固量，甚至会因为加固施工难以实现而放弃加固。既有建筑的抗震加固可通过增设新的抗侧力构件、增加阻尼等方法，减弱原结构主要抗侧力构件的地震作用效应，从而提高其抗力效应比，达到“低延性，高弹性承载力”，提高其抗震性能的目的。因此，加固设计关注点也应从抗震构造转为预期的性能目标。

参考文献

[1]罗开海,黄世敏.《建筑抗震设计规范》发展历程及展望[J].工程建设标准化,2015(7):73-78.

[2]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范:GB50011—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2016.

[3]中国建筑科学研究院.混凝土结构设计规范:GB50010—2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[4]同济大学.建筑抗震设计规程:DGJ08-9—2013[S].上海:上海市城乡建设和交通委员会,2013.

[5]刘晓光.装配式框架结构梁柱节点优化设计及抗震性能研究[J].工程技术研究,2021,6(14):201-202.

作者:朱咸亮 刘厚华 单位:同纳检测认证集团有限公司