大型公共建筑 (如体育馆) 由于人员密集，一旦由于地震等原因发生破坏将产生严重的后果，对结构安全性和抗震性能的要求更高。由于历史原因，目前在役的部分体育馆未考虑抗震设防或抗震设防标准较低，不能满足现行抗震规范要求。因此在致力于提高新建体育馆抗震性能的同时须对既有场馆抗震能力及潜在危险进行检测和鉴定，并根据鉴定结果对不满足抗震设防要求的建筑进行适当加固或更新，以提高结构抗震性能，避免造成人员伤亡。

　　 对既有大型体育场馆的检测、抗震鉴定及抗震加固国内已有部分案例，如北京工人体育场、首都体育馆、奥体中心、南京五台山体育馆、西宁体育馆等，并取得一定效果 ^[1,2]。以某大型体育馆改造项目为例，介绍场馆检测、抗震鉴定及加固方法。

　　 某大型体育馆建造于20世纪70年代中期，体育馆平面呈圆形，由内圈主馆和外圈单层辅房构成，并在内外圈结构间设有沉降缝，结构相互独立。场馆外圈直径136m，主馆直径110m。主馆中部为比赛场地，四周为环形看台，南北两侧设有主席台、裁判台。主馆顶高33.62m，柱顶标高24.100m，看台7.300m标高处设有夹层。屋面采用钢网架、铝合金板预制瓦屋面，直径124.6m。

　　 主馆基础主要采用钻孔灌注桩，桩沿径向和环向分布，承台间沿径向和环向均设基础梁。主馆主体采用装配式框排架结构，屋面为钢网架结构。原设计未考虑抗震设防，混凝土构件主要为预制构件，构件间通过预埋件/预埋钢筋焊接，并在节点空隙浇筑C28细石混凝土。柱截面均为矩形，沿场馆径向由内向外逐渐扩大，箍筋无加密区。主要径向看台梁为预应力混凝土梁，箍筋无加密区。环向设多道柱间环梁，部分为预应力混凝土梁，其余为非预应力混凝土梁。看台板主要采用预应力L形截面混凝土板，板沿环向布置，设备层、夹层主要采用预应力槽形板。

　　 主馆屋面为钢网架结构，网架平面为直径124.6m的内接60边形，在直径110m的圆上均匀布置36根柱作为支承，在支承处以外的部分为悬挑，悬挑长7.3m。采用空间三向网架结构，单元网格为正三角形，网格边长6.111m (水平投影) ，网格高6.0m。利用网架整体起拱形成结构找坡，网架中部与支承点高差2.5m。杆件采用圆钢管，种类较多，通过钢球焊接连接，杆件中部设有侧向支承，网架支座为钢铰支座，支座与柱顶预埋件焊接，钢材采用Q345。原设计荷载 (包括雪荷载) 在直径110m以内为250kg/m²，直径110m以外为200kg/m²。最外圈柱采用C38混凝土，其他柱采用C28混凝土，预应力梁和板采用C38混凝土，非预应力梁和板采用C18混凝土。预应力主筋采用Ⅳ级钢，非预应力主筋采用Ⅱ级钢，箍筋采用Ⅰ级钢。场馆平面如图1所示，典型剖面如图2所示。

　　 场馆在使用过程中于1999年进行改建，拆除北侧部分看台和下部结构，新增舞台结构及配套设备，拆建区域最外圈柱采用扩大截面法进行加固，相应基础也进行加固处理。

　　 现场对场馆建筑结构体系进行复核，并检测构件截面尺寸及配筋、混凝土及钢材材料性能、钢网架焊缝质量和施工质量及老化损伤、场馆变形等，得到场馆的整体现状。主要检测结果为:主馆总体建筑布局、结构体系、轴线及层高等与原设计和1999年改建设计较吻合;梁、柱截面尺寸与原设计基本吻合，网架杆件截面及球尺寸与原设计偏差较小，可满足原设计要求;混凝土构件主筋根数及规格与设计相符，箍筋直径满足要求，箍筋间距基本满足要求，保护层厚度基本满足要求;采用回弹法和取芯法 ^[3,4]检测混凝土强度，各强度等级混凝土构件实测强度均达到原设计要求;采用表面硬度法检测网架钢材强度，实测钢材强度基本满足要求;钢结构施工质量较好，由超声法 ^[5]抽样检测结果可知焊缝质量均满足要求;场馆整体施工质量较好，无明显缺陷，构件间连接可靠;场馆局部存在填充墙体开裂渗漏及预制板拼接缝老化损坏等情况，屋面钢网架保存较好;场馆无明显不均匀沉降，柱无明显倾斜变形 ^[6]，屋面网架整体变形与计算值基本一致。

　　 根据改建单位提供的初步改造方案，主要改造内容包括: (1) 拆除场馆北侧1999年改造时增加的舞台结构，恢复原有夹层及高区看台结构; (2) 拆除南侧主席台，对主席台范围内低区看台结构进行局部改造，调整座位间距; (3) 屋面钢网架中心直径16m范围内吊挂斗形显示屏，设备荷载约60t; (4) 部分标高7.300m夹层梁下侧吊挂通风设备。场馆主体结构以恢复原样为主，改造后的场馆主要用于赛事和文艺演出，主要功能不变。

　　 按照GB 50223—2008《建筑工程抗震设防分类标准》 ^[7]，场馆抗震设防类别为重点设防 (乙类) 。根据GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》 ^[8]，从外观和内在质量、层数和高度、结构体系、材料强度、整体性连接构造等方面对场馆结构体系与抗震措施按7度和A类建筑 (后续使用30年) 要求进行抗震鉴定。鉴定结果表明，主馆装配节点不完全符合抗震要求;柱箍筋间距偏大;部分柱截面宽度偏小;屋面钢网架部分构件长细比超限;场馆在结构体系和抗震构造方面不满足抗震要求。

　　 计算时采用MIDAS有限元分析软件，根据资料和现场检测数据确定主体结构计算模型和荷载，结构验算按改造后的场馆和相关抗震鉴定规范进行。场馆抗震设防烈度7度、乙类设防、A类建筑，地震加速度0.1g (第一组) ，计算时考虑水平和竖向地震作用，同时考虑偶然偏心的影响，计算振型数为15个，主体框排架结构阻尼比取0.05，屋面钢网架阻尼比取0.04，场地特征周期为0.90s。框排架整浇节点按刚接考虑，焊接节点按铰接考虑;屋面钢网架节点按刚接考虑，网架与柱顶节点按铰接考虑。屋面新增吊挂荷载施加于网架下弦节点处，计算模型如图3所示。

　　 主馆第1阶振型为扭转，第2, 3阶均为平动。由于前期改造和本次改造使主馆北侧区域、南侧局部区域结构较原结构变化较大，构件抗侧刚度沿环向分布不均匀、不对称，从而导致主馆第1阶振型为扭转。

　　 主馆结构在7度多遇地震作用下，东西向最大层间位移角为1/261，南北向最大层间位移角为1/256。场馆整体侧向刚度偏小，扭转效应较明显。

　　 柱最大轴压比为0.58，满足规范限值要求。主馆典型框架梁、柱实际配筋与计算配筋对比结果表明，中间夹层柱主筋不足，其他柱满足要求，全部柱箍筋不足;除低区看台梁箍筋不足外，其余框架梁配筋基本满足要求。

　　 钢网架上下弦杆及腹杆强度应力比基本满足要求。杆件平面内稳定应力比和长细比超限杆件数量约为9.0% (主要为腹杆) ，平面外稳定应力比和长细比超限杆件数量约为7.5% (主要为腹杆) ，超限杆件主要分布在网架中心、斗形显示屏区域周边和网架下弦支座附近，以斜腹杆、竖杆和支撑杆件为主。整体上网架承载力不满足要求，最大挠度发生在网架正中心，为646.8mm，挠跨比为1/170，大于规范限值1/250的要求。

　　 此外，对网架在不考虑地震作用时的承载力进行验算，验算结果显示承载力不足的构件数量较考虑地震作用时减少约1/3，承载力不足的杆件长细比偏大且平面内、外稳定性差。

　　 受设计安全水准的影响，结构主要以承受竖向荷载为主，混凝土构件间多通过预埋钢构件焊接，场馆整体性、抗侧向变形能力及承载力较差，而改造过程中拆除北侧部分结构又在一定程度上削弱了结构整体性。本次改造虽对原拆除部分进行恢复，但按照《建筑工程抗震设防分类标准》，该场馆抗震设防类别上升为重点设防，对结构抗震措施的要求相应提高，但体育馆建造时尚无抗震设防类别概念。由于场馆抗侧力构件平面分布不均匀，主体结构侧向变形偏大 (小震作用下填充墙明显开裂) ，柱和部分看台梁箍筋不足，部分网架杆件稳定应力及长细比不满足规范要求且竖向变形超限，场馆在抗震构造、抗侧刚度和抗震承载力方面均存在不足，整体抗震性能不满足规范要求，因此需采取相应加固措施。

　　 框排架结构整体性和抗侧向变形能力较差，通常可通过增设柱间支撑、剪力墙、阻尼器等方式进行加固，效果较明显。但该场馆采用装配式结构，预制构件间主要通过预埋钢板焊接为整体，节点连接较薄弱，地震作用下易发生破坏，引起倒塌，因此节点加固是重点也是难点。由于建筑功能布局的需求，在环向或径向柱间增设新结构均存在困难，加固方式和部位均受到限制。综合论证分析后，采用柱扩大截面法进行加固，梁柱节点处结合柱通过梁梁间、梁柱间增设拉结筋进行加固，加强连接并提高节点性能。对外圈?轴柱 (除1999年改造已加固柱外) 双侧各扩大200mm，其他轴柱双侧各扩大100mm。

　　 吊挂范围为网架中心直径16m范围内，多数杆件稳定性、长细比及变形能力不满足要求，且网架变形量超限。因此减小网架吊顶装饰荷载，同时将吊挂区域调大为直径30m范围内。

　　 采取上述加固措施和荷载调整方案后对场馆重新进行验算，计算结果表明场馆最大层间位移角为1/503，侧向刚度提升较大，抗侧向变形能力明显改善，基本可达到规范要求。屋面钢网架稳定应力比和长细比超限的杆件数量减少约20%，最大挠度值为512.4mm，挠跨比为1/215，较调整前有明显改善，但仍大于规范限值1/250的要求，吊挂荷载偏大，需进一步调整。

　　 框排架局部梁配筋不足可采用粘贴碳纤维布等方式进行补强，钢网架稳定应力比和长细比超限的杆件可采用钢围套进行加固。

　　 1) 早期建造的大型公共建筑存在未考虑抗震设防或抗震设防标准较低的问题，鉴于建筑物的重要性，应进行抗震鉴定和抗震加固。

　　 2) 框排架结构整体性和抗侧向变形能力较差，节点连接性能及抗震性能较差，抗震加固需从结构体系、抗震承载力和抗震构造等多方面进行综合考虑。

　　 3) 早期设计和建造的钢网架结构在计算分析理论和构造方面与现行理论区别较大，不宜增设吨位较大的设备或施加较大的荷载。

　　 4) 对场馆框排架柱采用扩大截面法进行加固，同时加强梁柱间节点的连接，提高场馆整体性。加固后的场馆层间位移角明显减小，抗侧向变形能力和承载能力均明显提高。钢网架杆件稳定应力比和长细比不满足规范要求时可采取增设钢围套的方式进行加固。