0 引言

　　 随着第五代《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015) ^[1]的施行,湖南省地区取消了原有的非抗震设防区域,新增的抗震设防区域占到了湖南省面积50%以上。因此建设在原非抗震设防区的既有建筑物普遍存在抗震能力偏低,甚至没有任何抗震设防构造措施的情况。这些区域内既有的应重点设防的建筑、生命线工程建筑以及老旧保护性建筑等有提高抗震能力的切实需求。通过积累和总结,并提出湖南地区高效、经济、可快速实施的鉴定、加固技术方案迫在眉睫。

1 工程概况

　　 湖南株洲某酒店(图1)为第五代地震动参数区划图颁布实施之前设计建造。当时株洲为非抗震设防区域,酒店设计过程中未考虑抗震设防且仅考虑了部分抗震构造措施。现当地政府计划将其改造为妇幼保健计划生育服务中心。根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015) ^[1],该地区已成为6度区,且根据《建筑工程抗震设防分类标准》(GB 50223—2008) ^[2]规定,本工程建筑抗震设防类别为重点设防类(乙类),应按6度进行地震作用计算,按7度采取抗震措施。显然,原酒店结构已不能满足当前的抗震设防需求。

　　 图1 湖南株洲某酒店原结构  

　　  

　　 该酒店由1区、2区、3区三个建筑单体组成,1区和3区为普通多层框架,地上4层,高度均为21.60m; 2区为局部带转换构件的框架结构,地上14层(加小屋顶层为15层),大屋面高度为55.60m; 各单体均用变形缝分开。

　　 图2 原结构整体模型  

　　  

　　 图3 原结构局部托墙转换示意图  

　　  

　　 本文选择2区建筑单体为研究对象进行介绍与分析,其柱截面尺寸有600×600,800×800,900×900等,主梁截面尺寸有250×600,300×700等。结构在3层顶局部设置了托墙转换,托墙转换共4榀,每榀在同一个柱间位置通过转换柱转换梁支承上部共6层剪力墙,转换柱截面尺寸为1 100×1 100,1 100×1 400,转换梁截面尺寸为1 100×1 700,上托墙厚250mm。结构在1～2层裙房角部位置还设置了局部剪力墙,厚300mm。楼面为现浇钢筋混凝土楼板,屋面楼板厚180mm,其余主要为120mm。结构柱、墙混凝土强度等级为C40～C30,梁、板混凝土强度等级为C35～C30。建筑改造前原结构模型如图2所示,其中局部托墙转换的布置如图3所示。

2 检测鉴定及加固方案

2.1 结构安全性检测

　　 根据本工程原结构的安全性检测报告 ^[3],现有结构基本满足原设计要求:1)均采用钢筋混凝土框架结构,与设计图纸相符; 2)地面无明显变形、开裂等情况,地基上部墙体附近未发现因地基沉降引起的开裂,结构垂直度偏差在规范允许范围内; 3)柱、梁、板外观质量良好,未发现一般缺陷; 4)抽检的混凝土构件的抗压强度均满足设计图纸要求; 5)抽检构件的截面尺寸偏差在允许偏差范围内,钢筋保护层厚度、钢筋配置、结构层高等均符合原设计图纸。

2.2 建筑抗震鉴定

　　 根据现行《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009) ^[4]要求,本工程属于C类建筑,后续使用年限为50年,应按现行《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010) ^[5](简称抗规)的要求进行抗震鉴定。本工程属于乙类建筑,按6度进行抗震验算,按7度要求核查其抗震措施。结果表明:1)建筑高度55.60m,接近6度区框架结构高度上限,超过7度区高度限值; 2)结构平面规则性与竖向规则性均超限,扭转位移比偏大,扭转周期比不满足规范要求,建议优化结构体系; 3)框架柱截面尺寸、纵筋配筋率基本满足规范要求,部分框架柱轴压比、纵筋间距、箍筋直径及间距不满足规范要求; 4)框架梁截面尺寸、纵筋配置基本满足抗震要求,大部分框架梁箍筋直径及间距不满足规范要求; 5)部分框架梁抗震承载力不足。

　　 图4 结构典型改造加固设计平面 

　　  

2.3 加固方案

　　 鉴于该工程的特点和检测鉴定结果,结合目前的抗震加固技术方法,提出了以优化结构体系为主要手段,提高整体抗震能力为目标的加固技术方案。对原结构新增剪力墙+屈曲约束支撑,形成带屈曲约束支撑的框架-剪力墙结构,并对主要结构柱采用外包钢加固,主要结构梁采用外包钢或粘钢、增大截面法来增加其承载力。同时,结合新建筑需求,拆除部分抗震不利构件,新增部分结构构件。如拆除4～9层的局部上托墙,使托墙转换变为托柱转换; 1～2层裙房部分新增部分楼面结构。其中新增构件的混凝土强度等级同原结构,加固构件时的混凝土强度等级比原结构提高一级。

　　 结构典型改造加固设计平面如图4所示。新增剪力墙厚度为300,250,200mm。工程设置了48根耗能型屈曲约束支撑(BRB),支撑采用人字形布置,支撑立面布置与连接节点见图5。支撑计算参数如表1所示。

　　 屈曲约束支撑参数 表1

编号	类型	芯板 钢材	等效刚度 /(kN/m)	芯板面积 /mm2	屈服力 /kN	屈服后 刚度比	布置 位置
BRB1	耗能型	BLY160	601 075	10 714	1 500	0.05	1～2层
BRB2	耗能型	BLY160	478 073	7 143	1 000	0.05	2～4层
BRB3	耗能型	BLY160	464 568	5 714	800	0.05	4～13层

 

　　  

2.4 抗震措施的调整

　　 由于地震动参数区划图的变化和建筑使用功能的改变,其抗震设防类别由非抗震设防跃升为重点设防,原框架结构的抗震措施要求大幅提高,直接对柱梁采取包钢等加固手段,难以满足构造要求。将原结构的结构体系由框架结构改造为框架-剪力墙结构,拆除上托墙使托墙转换转变为托柱转换,框架的抗震等级由二级(局部一级)降低为三级(局部二级),抗震措施相应降低,可大幅度减少原有框架结构的加固工程量。同时,新增剪力墙抗震等级为二级。建筑改造后新结构模型如图6所示,其中局部托柱转换的布置如图7所示。

3 既有结构抗震性能评估方法

　　 基于性能的抗震评估理论发展迅速,已逐渐成为各国新建建筑抗震设计的主要方法。因此,引入基于性能的抗震评估方法对既有建筑的抗震性能进行评估有巨大合理性和优越性 ^[6]。

3.1 地震作用

　　 既有建筑后续使用期往往小于新建建筑设计使用期,仍按新建筑确定地震作用则过于保守,一般宜根据其后续使用年限调整地震作用 ^[7,8]。但本工程既有建筑属于C类,后续使用年限为50年,地震作用不需要调整。

　　 图5 屈曲约束支撑立面布置与连接节点形式  

　　  

　　 工程场地类别为Ⅱ类,抗震设防烈度6度,设计地震分组为第一组。综合考虑场地类别、频谱特性、有效峰值、持续时间、统计特性等方面,选择了一组人工波(S01)和两组天然波(S02,S03),其中各组地震波的主方向波形如图8所示,规范谱和各主波反应谱对比如图9所示。各组波单独作用下的底部剪力值最小为振型分解反应谱法的0.93倍,最大为1.32倍; 3组地震波时程分析所得底部剪力平均值,X向为振型分解反应谱法的1.11倍,Y向为0.99倍,均满足规范要求,地震波的选择是合适的。

　　 图6 加固改造后新结构模型 

　　  

　　 图7 新结构局部托柱转换示意图   

　　  

　　 图8 大震时程分析地震波曲线(仅列出主方向波形)  

　　  

　　 图9 规范谱和各主波反应谱对比  

　　  

　　 大震弹塑性时程分析采用三向地震波(X,Y,Z向输入的加速度最大值比值为1∶0.85∶0.65)输入,持续时间35s,主方向地震波有效峰值调整为125gal。

3.2 抗震设防性能目标

　　 对于既有建筑结构,抗震性能目标是既有建筑结构通过抗震性能评价和加固后抗震能力应达到的目标。

　　 基于我国现行抗规“小震不坏,中震可修,大震不倒”的三水准设计原则,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010) ^[9](简称高规)将结构性能目标分为A～D四个等级,结构抗震性能分为1～5五个水准。对于既有建筑,其后续使用期内的抗震性能目标和所处性能水准应根据其重要性尽可能和新建建筑相同。因此,我们认为既有建筑抗震性能目标可根据现有抗规和高规的基本规定确定,并根据建筑的重要性进行适当调整。

　　 对于本工程,抗震性能目标可选为C级,即小震下满足性能水准1,宏观完好、无损坏; 中震下满足性能水准3,宏观损伤为轻度; 大震下满足性能水准4,宏观损伤为中度。结构大震作用下具体的性能指标见表2。

　　 结构大震性能目标 表2

框架 结构	层间 位移角	关键构件(首层框架柱与转换柱转换梁)	普通竖向构件(其他区域竖向构件)	耗能构件(框架梁)
	1/50	轻度损坏; 抗弯不屈服,抗剪不屈服	中度损坏; 满足抗剪截面条件	屈服耗能
框架- 剪力墙 结构	层间 位移角	关键构件(底部加强区竖向构件与转换柱转换梁、子结构框架梁柱)	普通竖向构件(其他区域竖向构件)	耗能构件(BRB与框架梁)
	1/100	轻度损坏; 抗弯不屈服,抗剪不屈服	中度损坏; 满足抗剪截面条件	屈服耗能

 

　　 注:框架结构为本工程未改造前结构,框架-剪力墙结构为本工程改造后结构。

　　  

3.3 既有建筑结构非线性分析模型

　　 纤维束模型模拟梁、柱等一维构件,分层壳模型模拟楼板、剪力墙等二维构件建立结构有限元模型,同时考虑材料非线性和几何非线性,采用显示积分方法进行动力计算,直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应,是目前结构非线性地震反应分析领域较为完善的方法 ^[10]。

　　 上述非线性分析模型,将纤维的本构关系定义为考虑了相应耐久性因素影响下的材料本构关系,即可模拟既有建筑 ^[11]。简化考虑时,可以仅考虑劣化材料参数的变化,不考虑其本构关系的根本改变,以便仍采用常用的材料本构模型。既有建筑结构非线性分析模型中的配筋信息应根据原有设计资料和结构检测结果确定。

　　 本工程结构非线性分析模型采用SAUSAGE软件构建并计算。

4 大震性能对比分析

4.1 线弹性动力特性

　　 改造加固前后,结构线弹性动力特性对比如表3所示。由于改造加固的范围较大,结构体系也发生了改变,导致改造前后结构的周期大小发生了较大变化。同时,原结构在新建筑荷载作用下第二阶振型将为扭转振型。经过改造加固,其扭转振型控制为第三阶振型,扭转周期比也满足规范要求。

　　 线弹性动力特性对比 表3

指标	周期/s		质量/t
	改造加固前	改造加固后	改造加固前	改造加固后
第1振型	2.31	1.56	41 940	45 241
第2振型	1.90(扭转)	1.28
第3振型	1.72	1.11(扭转)

 

　　  

4.2 结构变形

　　 改造加固前原结构在地震作用下的最大顶点位移为0.311m,结构在各组地震波作用下的最大弹塑性层间位移角为1/20,不满足预定性能目标要求; 改造后新结构在地震作用下的最大顶点位移为0.161m,最大弹塑性层间位移角为1/123,满足预定性能目标要求。

　　 其中大震(天然波S02)下结构改造加固前后弹塑性层间位移角的对比如图10所示。大震(天然波S02)下结构Y向顶点位移时程曲线如图11所示。从顶点位移时程曲线可知,加固改造前原结构在大震下Y向损伤程度较大,产生了很大的不可恢复塑性变形,可能已经发生了实质倒塌。改造加固措施有效地控制了结构的不可恢复塑性变形,由0.125m减小到0.03m(<1/1 000结构总高),满足要求。

4.3 结构剪力

　　 结构加固使结构刚度变大,且结构体系由框架结构改造为框架-剪力墙结构体系,因此结构的楼层剪力相较加固前结构有明显的增大。改造加固前,弹塑性模型与弹性模型基底剪力的比值处于0.50～0.74; 改造加固后,该比值为0.77～0.92。因此加固后结构的损伤控制得更小,其刚度退化现象更小。其中大震(人工波S01)下改造加固前后结构楼层剪力对比如图12所示。

4.4 屈曲约束支撑

　　 改造加固后布置的屈曲约束支撑在大震下典型滞回曲线如图13所示。结构中上部楼层的屈曲约束支撑滞回曲线最饱满,滞回耗能多,底部楼层的屈曲约束支撑大震下刚进入屈服后刚度,参与耗能少。

　　 图10 大震(天然波S02)下结构弹塑性层间位移角   

　　  

　　 图11 大震(天然波S02)下结构Y向顶点位移时程曲线  

　　  

　　 图12 大震(人工波S01)下结构楼层剪力  

　　  

　　 图13 大震(天然波S03)下屈曲约束支撑典型滞回曲线  

　　  

　　 屈曲约束支撑在大震作用下屈服耗能,和剪力墙一起成为结构的第一道抗震防线。因此屈曲约束支撑的布置能一定程度上增大结构安全储备。

4.5 构件性能

　　 改造加固前框架梁主要处于轻度-中度破坏状态,部分框架梁甚至进入了重度破坏状态。改造加固后,没有框架梁进入重度或严重损坏阶段,框架梁进入中度损坏的比例也大幅降低,主要处于轻微～轻度损坏阶段。

　　 改造加固前底层框架柱基本处于中度破坏及以上,部分已经处于重度破坏; 转换构件(即转换梁、转换柱)损伤严重,转换柱均进入重度破坏阶段,超过50%转换梁处于重度～严重破坏程度,作为关键构件,其严重破坏会导致结构在大震下发生整体倒塌。同时,结构顶部小屋面层在大震下损伤严重。改造加固后,底层框架柱基本处于轻微～轻度破坏状态,转换构件均处于无损伤～轻度破坏,结构顶部小屋面层的框架柱损伤大幅降低,主要处于轻度损伤～中度损伤,均满足性能目标要求。其中,大震(天然波S02)下结构梁柱构件性能状态见图14。

　　 图14 大震(天然波S02)下结构梁柱构件性能状态 

　　  

　　 加固改造后,剪力墙连梁屈服耗能,剪力墙墙柱基本为轻微～轻度损伤,满足性能目标要求。其中大震(天然波S03)下改造后结构剪力墙性能状态见图15。

　　 图15 大震(天然波S03)下改造后结构剪力墙性能状态  

　　  

　　 钢筋混凝土楼板在结构改造加固前后损伤均很小,多数区域楼板为无损伤状态。

5 结语

　　 近年来越来越多的既有建筑有提高抗震能力的切实需求,因此对抗震加固技术手段和抗震性能评估方法提出了越来越高的要求。本文以湖南株洲某酒店改造为妇幼保健计划生育服务中心项目为例,介绍了基于整体结构体系改造加固的技术方案。并在此基础上,引入基于性能的抗震评估方法,系统地介绍了既有建筑地震作用、抗震性能目标确定的方法。采用大震弹塑性时程分析,对比了该酒店结构改造加固前后的大震性能。对比结果表明,采取的改造加固方案切实有效,显著提高了结构的抗震性能,使其满足预定性能目标。