砖混结构是一种造价较低且施工便利的结构形式,在我国工程建设中有着广泛的应用,而过去建造的砖混建筑抗震设防标准偏低,很多已不能满足现行的抗震设防要求。尤其砖混厂房类建筑,其纵墙、横墙跨度比一般较大,且因砌体结构材料质脆,抗拉、抗剪强度均较低的特性,导致其两个方向刚度均较弱且相差很大,这种结构特点使其在抵御地震灾害的能力上暴露的问题更加突出。

　　 目前既有空旷砖混厂房类建筑的加层加固工程实例很少,国内外对此类房屋研究也很少,更多的是强调通过增加构造措施来增加结构的整体性,加固改造效果缺乏系统科学的评定方法,这为实际加固工程中砌体结构抗震能力的鉴定带来一定困难。本文以合肥某厂房加层加固改造为背景,采用有限元分析软件SATWE及SAP2000对空旷厂房进行整体系统性抗震分析,对多种加固改造方案进行对比分析,最后给出较为优化的加固方案,供同类工程参考。

　　 某食品加工厂房建于2007年,该厂房结构形式为单层砌体结构,轻钢结构屋面,砖砌体采用MU10,KP1型烧结承重实心砖,M5水泥砂浆。总建筑面积约1 023m²,单层层高6.5m,厂房跨度13m,原厂房安全等级二级,抗震设防类别丙类,地震设防烈度7度(第一组),原厂房平面布置图如图1所示。现因产业技术升级需要,厂房建筑面积不满足使用功能要求,应甲方要求对原厂房进行加固加层改造。

　　 设计前对原有建筑的墙体强度质量进行详细检测 ^[1],经检测该厂房墙体质量及刚度沿高度分布均匀,并未出现明显墙体裂缝,砌筑条件良好,墙体承重砖强度满足原设计要求;外墙散水及坡道较为完整,表明主体结构稳定,无不均匀沉降现象发生。鉴于原结构砌筑强度质量良好,拟先按直接加层法进行抗震分析,先判断出整体结构抗震薄弱点再针对其进行加固改造处理。其中新增2层的层高为3.8m,楼板为100mm厚压型钢板组合楼板,新增钢梁截面为H900×300×12×22,H400×200×8×12,PKPM分析模型见图2。由于此次研究侧重于加层加固改造部分的抗震效果,且钢结构屋架与砌体结构不能在SATWE有限元分析中实现共同计算,因此钢结构屋架另行设计,在此次抗震计算分析时,钢屋架采用虚面导荷的方式,仅考虑其荷载在结构中的传递作用,不考虑其具体抗震效果。

　　 根据原设计图纸提供的砌体及砂浆强度对结构进行核算,结构首层的抗震承载力计算结果如图3所示,图中数值为首层墙体抗震承载力抗力与效应之比 ^[1]。可以看出Ⓐ轴、Ⓔ轴的纵墙各墙段抗力与效应之比均大于1,纵墙抗震承载力满足设计要求;但①轴、(11)轴处横墙各墙段抗力与效应之比均小于1,横墙抗震承载力不足,且原厂房拐角处墙段抗力与效应之比相差较大,表明纵横墙连接点处较为薄弱,对整体结构抗震不利,因此需要采取加固措施提升横墙抗震能力,加强纵横墙连接。

　　 结构首层受压承载力抗力与效应之比如图4所示。由于砖砌体抗压强度较高,图4中砖墙受压承载力抗力与效应之比均大于1,表明砖墙各墙段受压承载力在加层后仍满足设计要求。但因砖柱新增搭接钢梁,根据《砌体结构设计规范》(GB 50003—2011) ^[2](简称砌体规范)第5.2.1条,需对砖柱结构进行局部受压验算。

　　 新增楼板恒载3.5kN/m²,活载5.0kN/m²,经验算加层后砖柱局部承载力仅270kN,小于局部受压面积上的轴力设计值505kN,故需对砖柱进行加固处理,以保证主体结构安全。

　　 墙体越高,砌体结构在竖向荷载作用下就越不稳定,在地震作用下易出现过大侧向位移,因此需要验算墙体的高厚比来保证墙体在构造上的稳定,使其有足够的刚度。根据砌体规范第6.1.1条,墙体的高厚比应按下式验算:

　　 $\beta ={\rm H}{}_0/h\le \mu {}_1\mu {}_2[\beta ](1)$

　　 式中:H₀为墙、柱的计算高度;h为墙厚或矩形柱与H₀相对应的边长;μ₁为自承重墙允许高厚比的修正系数;μ₂为有门窗洞口墙允许高厚比的修正系数;[β]为墙、柱的允许高厚比,应按砌体规范表6.1.1采用。

　　 厂房直接加层后,高厚比验算结果见表1。由表1可知,原厂房若按直接加层设计,其首层高厚比均不满足要求,不能有效保证首层承重墙体的稳定性。墙体开洞面积、墙体厚度、层高及构件强度等因素均影响砌体墙高厚比,而基于全部墙体加厚、构件置换加固方法的改造工程量大,且破坏原结构装饰面层,改造时应综合考虑施工难易度及安全性、经济性等因素慎重选择。

　　 根据资料,原厂房按地基承载力特征值220kPa设计计算,而此厂房自建成至今已十余年,根据建筑抗震鉴定标准及大量工程实践可知,当既有建筑建成投入使用超过一定期限后,由于建筑自身长期结构荷载作用能加速地基土的沉降固结,大幅度降低地基土孔隙比,此时地基基础沉降基本完成,地基土承载力能有所提升。因此改造加固超过一定年限的既有建筑,其地基土承载力设计值可以提升20% ^[3],即加层改造后厂房的地基承载力特征值约264kPa。经验算,加层后厂房由基础传入地基的压力仅156kPa,小于地基承载力特征值,故不需要对地基进行加固。

　　 根据上述方案初步计算分析及各种加固方案研判,最后得出该厂房的加固方案:

　　 (1)横墙处采用钢筋网片加厚混凝土内侧墙体100mm,新增混凝土横梁,加固补强厂房拐角处构造柱。为了避免破坏原厂房外立面装饰层,故选择采用钢筋网片在混凝土内侧加厚墙体(图5),提高原横墙的受压承载力及墙体抗震性能 ^[4,5];因横墙抗震承载力不足且纵横墙连接处墙段薄弱,因此对原厂房拐角处构造柱进行外包混凝土增大截面加固,原构造柱向上延伸至2层;且在横墙2层标高处新增横梁,通过植筋及销键等措施加强二者与砖墙的连接(图6)。

　　 (2)门窗开洞处理及降低首层层高。因原厂房高厚比过大可能造成首层承重墙体失稳倒塌,故决定缩减门窗洞口尺寸,降低首层层高至5.2m,新增门窗处增设构造柱,保证加固后厂房安全性。

　　 (3)对局部受压承载力不足的墙柱进行加固。首层墙柱因新增的钢梁支承传递荷载产生局部受压作用,因此需要外包混凝土增大截面加固,同时新增梁垫(图7,8),使墙柱所受局部竖向荷载作用均匀传递至周围墙体,防止砖柱因竖向承载力不足而产生竖向裂缝及劈裂破坏。

　　 (4)在新增楼面的标高处增设圈梁,以提高楼板的水平刚度,使楼板有效支承于砖墙,更利于楼板地震作用均匀传递至周围墙体,增强承重砖墙与楼板间的协同变形能力,从而提高厂房整体稳定性和整体刚度,同时限制墙体裂缝发展。

　　 按上述方案进行加固改造,首先利用SATWE对厂房砖墙部分进行初步复核验算,其抗震及受压承载力验算结果见图9,10,图中数值为抗力与效应之比。

　　 与直接加层方案相比,按最终选择的方案加固改造后,各墙段尤其是横墙的抗震承载力、受压承载力均有较大提升,其抗力与效应之比均大于1,表明经改造后横墙抗震能力满足要求;同时纵横墙连接处由于构造柱及横梁间拉结的联合作用,使纵横墙抗震承载能力的差距缩小,厂房拐角连接强度得以加强,对提升厂房整体抗震性能起到了较为显著的作用。

　　 由表2可以看出,通过降层高及缩减门窗洞口等措施,有效降低了原厂房首层高厚比,首层砖墙高厚比均能满足要求,避免因砖墙过高或过薄而导致刚度不足从而出现过大的侧向变形。

　　 采用SAP2000对厂房进行整体抗震性能验算,砖墙及楼板采壳-薄壳单元进行模拟 ^[6],由砌体规范查得,MU10砖墙弹性模量E=2.4×10³MPa,泊松比0.15,线膨胀系数为5×10^-6℃^-1,抗压强度设计值为1.5MPa。新增钢梁搭接在增大截面后的墙柱上,其产生的偏心荷载效应将主要由新增的混凝土外包柱承担,出于安全保守考虑,在模型建立时加固后墙柱采用混凝土柱截面设计,不考虑内部砖柱的受力贡献;采用线单元定义横墙处横梁及拐角处构造柱,分别将加固后的配筋截面赋予梁、柱,同时因采用相应构造措施以保障横梁与柱之间的连接近似于刚性连接,在模型中横梁与拐角处构造柱连接通过节点束缚功能进行模拟 ^[7],模型图见图11。

　　 采用时程分析法时,为了考虑地震波的随机性,应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线,其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3 ^[8]。根据本工程实际资料及场地条件,拟采用两条天然地震波(El Centro波、TangShanSN波)和一条人工地震波(ShangHai波)作为本次地震波能量输入,同时为满足相关规范地震波有效加速度峰值的要求,根据比例系数适当调整三条地震波加速度峰值,见图12。

　　 表3给出原厂房及加层后厂房的前五阶振型周期,加层后整体结构周期有所增加,主要与加层后厂房层数的增加及整体刚度变化有关;同时原厂房前三阶周期振型分别为Y向平动、X向平动及扭转+Y向平动,说明原厂房振动方向以横墙方向(Y向)振动为主,横墙方向的结构刚度对振型的影响较大,需要采取一定的加固措施提高结构的横墙刚度,相对而言,加层后厂房主振型虽并未改变,整体仍以Y向振动为主,但加层后厂房变形相对原厂房而言得到了较大的弱化,横墙刚度得到了提高,同时周期增大后输入建筑的水平地震作用将会降低,建筑的抗震能力有所提升,但结构变柔后,在地震作用下水平位移有所增加,本工程中采取适当加强构造措施来增大加层部分与原厂房之间的连接。

　　 对加层后厂房进行多遇地震下的线性时程分析,分别输入7度设防烈度标准下不同波形的地震波后,结构位移响应见表4。由于空旷厂房类建筑纵横墙跨度相差很大,导致纵向刚度(X向)远大于横向刚度(Y向),结构纵向位移在多遇地震下变化微小,故仅列出横向位移即结构Y向的位移变化以供参考。多遇地震下结构最大剪力及最大加速度计算结果见表5。

　　 根据砌体规范,砖墙弹性层间位移角限值为1/1 000 ^[2]。从表4可以看出,在不同地震波下加层厂房的层间位移角均小于规范限值,满足抗震基本要求;由于厂房两侧横墙的约束限制作用,不同地震波作用下最大位移均出现在厂房的中间轴部位,且最大位移仅4.1mm,最大加速度仅1.58m/s²,说明加层后厂房在多遇地震作用下各项指标基本完好,满足震时舒适度要求且可以达到“小震不坏”的抗震设防目标。

　　 《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)提出的抗震设防“三水准”目标,已经明确给出了砌体结构在多遇地震作用下层间位移角限值不超过1/1 000 ^[8],但是罕遇地震下砌体结构的层间位移角限值尚不明确,我国规范更多的是强调通过增加圈梁、构造柱等构造措施来增加结构的整体性,对砖墙的弹塑性层间位移角并没有明确的数值要求,这对实际工程中的砌体结构尤其此类空旷厂房建筑在大震下的整体抗震能力鉴定带来一定困扰。

　　 综合国内外砖墙抗震试验相关资料,发现国内外学者在砌体结构弹塑性分析时,通过理想弹塑性模型将砌体结构破坏阶段对应我国《建(构)筑物地震破坏等级划分》(GB/T 24335—2009) ^[9]所规定的五个等级,见图13。并根据抗震构造类别对层间位移角进行了划分,见表6,以此评定多层砌体结构大震下的抗震能力 ^[10]。在罕遇地震作用下,依据“大震不倒”的水准目标,砌体结构应避免出现严重破坏和倒塌的情况,故根据工程抗震构造类别,本工程出现严重破坏时的层间位移角限值应为1/300。

　　 输入图12中三种调整加速度峰值后的地震波,结构的层间位移角及加速度见图14～16。

　　 表7给出了加层后厂房在罕遇地震作用下的结构最大位移、最大层间位移角及最大剪力。

　　 在罕遇地震作用下,结构位移反应及加速度反应较为明显,不过不同地震波作用下结构层间位移角均在1/300范围之内,说明经过加层后厂房基本满足大震下不倒塌、不出现严重破坏的设防标准。但TangShanSN波作用下最大层间位移角达1/303,最大位移达30.4mm,表明在强震作用下构件已发挥大部分延性作用且接近承载力极限,建筑接近严重破坏的限值1/300,地震作用继续增加将会导致构件丧失承载力而导致严重破坏甚至倒塌;地震作用下结构产生的加速度随着厂房高度的增加而增加,9m高度处Y向加速度是X向加速度的3～5倍,且厂房在Y向加速度比X向加速度增加幅度更明显,这与结构纵横向抗侧刚度差距较大有很大关系,也从侧面验证了在改造工程中需要通过一定的加固措施来增强横墙的抗震能力,以达到减缓加速度反应的作用。同时可以看出,结构在罕遇地震作用下产生的剪力值均较大,这也反映了改造过程中需要重视墙柱、拐角构造柱以及抗震横墙等强度,针对抗震能力及承载力不足的构件需要及时进行加固补强,保护主要构件的抗震能力。

　　 通过对该厂房的初步复核及整体抗震验算,验证加层后厂房已满足抗震、受压承载力以及高厚比等方面的要求,在多遇地震作用下房屋能保持基本完好的性能目标,在强震作用下能充分发挥延性作用,达到大震不倒、避免严重破坏的目的。故针对此类大尺寸空旷建筑的加层改造,特提出以下总结与建议:

　　 (1)类似空旷砖混厂房类建筑,其两个方向刚度相差很大且纵横墙连接处薄弱,属于抗震不利的结构形式,在加层改造过程中对厂房进行整体抗震性能分析尤为重要。若原结构强度条件良好,宜先通过直接加层方法判断出抗震薄弱点,再针对性对局部抗震能力不足的构件进行加固补强。

　　 (2)加层加固后应验算结构的抗震承载力、受压承载力、地基承载力、高厚比及局部墙柱承载力等是否满足抗震要求,结合工程实际从安全性和经济性等方面考虑,合理选择加固改造方法。

　　 (3)加层改造后空旷砖混建筑要满足抗震设防三水准,即满足在多遇地震作用下保持结构基本完好;罕遇地震下避免严重破坏的性能要求,根据不同抗震构造类别满足不同层间位移限值的要求。

　　 (4)一般原单层厂房的层高都比较大,在满足使用要求的情况下,降低底层层高是满足高厚比等抗震性能最有效的方法。