阮成堂， 白 楊， 邱彥升，3

(1. 長(zhǎng)江航務(wù)管理局， 湖北 武漢 430000； 2．華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；3．重慶市設(shè)計(jì)院， 重慶 400015)

由于具有突出的優(yōu)勢(shì)，建筑物增層改造應(yīng)用廣泛，在城市建設(shè)過(guò)程中具有較大的發(fā)展空間[1]。需要進(jìn)行增層改造的建筑物，一方面其抗震性能較差、抗震構(gòu)造相對(duì)較弱，另一方面增層改造會(huì)使結(jié)構(gòu)所受荷載有較大增加，豎向構(gòu)件的軸壓比不易控制，不僅不利于結(jié)構(gòu)抗震性能，而且增層改造的房屋需加固的構(gòu)件較多。因此在對(duì)增層房屋進(jìn)行加固改造時(shí)，應(yīng)先從結(jié)構(gòu)體系考慮采取整體加固措施[2,3]，改善結(jié)構(gòu)體系受力，減少構(gòu)件加固數(shù)量，提高結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，詳細(xì)分析了既有工程存在的問(wèn)題，并對(duì)實(shí)例工程結(jié)構(gòu)的整體抗震加固方法進(jìn)行探討，提出了合理的整體加固方案與實(shí)施措施，為此類建筑物的增層加固改造提供了較好的參考。

1 工程概況

建于1987年的武漢某管理局綜合業(yè)務(wù)樓，為五層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，總建筑面積為3766 m2?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土筏板基礎(chǔ)，底層高4.95 m，二層4.20 m，三、四層3.0 m，五層4.80 m，房屋建筑總高度為20.10 m。房屋二層以上B-C軸之間為2.7 m懸挑梁，5/A-6/A軸之間為1.8 m懸挑梁，其中五層為縱向單跨大會(huì)議室，樓面板、屋面板主要為預(yù)制空心板，局部采用現(xiàn)澆板。地震設(shè)防烈度為6度，設(shè)防類別為丙類，安全等級(jí)為

二級(jí)，場(chǎng)地土為中軟場(chǎng)地土，不考慮地震液化?，F(xiàn)因使用功能調(diào)整，需在該樓頂部增加一層，層高為6 m。加層改造后，根據(jù)使用功能要求該房屋抗震設(shè)防分類由原來(lái)的丙類提高到乙類，框架抗震等級(jí)由四級(jí)提高到三級(jí)。圖1為建筑物剖面示意圖，圖2為建筑物二層平面圖。

圖1 建筑物剖面示意圖

圖2 建筑物二層平面

2 既有建筑物的主要缺陷

為給增層改造的加固設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，對(duì)改造前的既有建筑物主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測(cè)和抗震鑒定，檢測(cè)和鑒定表明該工程存在的主要問(wèn)題如下：

(1)混凝土強(qiáng)度：大部分梁、柱混凝土強(qiáng)度較低，約為9.5～35.4 MPa，混凝土強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果為：12.66 N/mm2，低于設(shè)計(jì)施工圖200#混凝土(C18)要求，部分構(gòu)件混凝土澆筑質(zhì)量差，出現(xiàn)漏漿、離析現(xiàn)象；

(2)鋼筋：梁、板、柱中均存在漏筋、鋼筋銹蝕現(xiàn)象，部分銹蝕現(xiàn)象嚴(yán)重；

(3)荷載：經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽查，部分房間改變使用功能，增加浴室、衛(wèi)生間等，并直接在板面上增加隔墻，同時(shí)二次裝修時(shí)沒(méi)有清除原裝修荷載，增加了吊頂，使板面荷載加大；

(4)軸壓比：框架柱有9處軸壓比超限，最大軸壓比達(dá)到1.1；

(5)框架梁承載能力：B-C軸懸挑梁承載力不足，部分框架梁支座抗彎承載力不足；

(6)框架柱承載能力：共13根框架柱承載能力存在缺陷，計(jì)算配筋不足，主要集中在底層；

(7)裂縫：大量出現(xiàn)裂縫，B軸框架梁梁邊(懸挑梁方向)處，裂縫基本貫通整個(gè)房間開(kāi)間，裂縫寬度為0.5～2 mm，表明豎向變形(撓度)較大，同時(shí)挑梁上部墻體開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重；

(8)基礎(chǔ)：基礎(chǔ)底板部分位置強(qiáng)度不足，表現(xiàn)為筏型基礎(chǔ)底板部分位置抗彎承載力不足，縱向基礎(chǔ)梁斜截面抗剪承載力不足，橫向基礎(chǔ)梁存在抗彎或抗剪不足的情況。

3 常用加固方案的缺陷分析

增層改造要充分考慮發(fā)揮原結(jié)構(gòu)的承重潛力，正確地選擇結(jié)構(gòu)形式，做到既經(jīng)濟(jì)合理，又能保證增層改造后結(jié)構(gòu)的安全可靠性[4,5]。目前國(guó)內(nèi)外增層改造的工程大多是采用直接增層和外套增層法[6]。本文以直接增層的方案對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，研究采用直接增層對(duì)原結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并對(duì)本結(jié)構(gòu)采用直接增層法進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)對(duì)直接加層的結(jié)果分析，研究應(yīng)用該方法存在的主要問(wèn)題。

3.1 直接增層加固方案的主要缺陷

根據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖、該工程的結(jié)構(gòu)檢測(cè)和抗震鑒定結(jié)論，采用PKPM對(duì)原結(jié)構(gòu)采用直接增層法進(jìn)行建模分析計(jì)算，結(jié)果表明：

(1)由于建筑由丙類建筑變?yōu)橐翌惤ㄖY(jié)構(gòu)五層和新增層的單跨框架均不能滿足抗震設(shè)防要求；

(2)地基土承載能力：由于直接增層后荷載加大，該工程地基土不能滿足直接增層后的承載性能要求；

(3)筏基底板：同樣由于直接增層后的荷載加大，有較多的基礎(chǔ)筏基挑板承載力不足；

(4)基礎(chǔ)梁：直接增層后增大的荷載，導(dǎo)致基礎(chǔ)梁的抗彎，抗剪能力均存在許多不足，加固數(shù)量較多；

(5)框架柱軸壓比：直接增層后，共有34根框架柱軸壓比超限；

(6)框架梁承載力缺陷明顯，具體表現(xiàn)為挑梁承載力不足、部分支座承載力不足；

(7)框架柱承載力缺陷明顯，共有38根框架柱承載力不滿足要求。

3.2 增設(shè)剪力墻方案的主要缺陷

增設(shè)剪力墻的方法也是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)加固改造的一種常見(jiàn)方法。但是針對(duì)本工程和許多類似框架結(jié)構(gòu)，采用這一方法進(jìn)行加固雖然可以解決“單跨框架”問(wèn)題、減輕下部框架柱的內(nèi)力，但仍然存在如下主要缺陷：

(1)場(chǎng)地和使用條件的限制，不宜采用增設(shè)剪力墻方案，尤其是增設(shè)剪力墻所需的剪力墻基礎(chǔ)；

(2)上部框架柱的承載性能缺陷更為明顯；

(3)本文3.1節(jié)中的(2)～(6)條同樣存在。

因此本工程采用直接增層的方案和增設(shè)剪力墻的方案不僅加固改造的工作量大、費(fèi)用高、工期長(zhǎng)，而且也不是一種合理可用的加固方案。

4 基于結(jié)構(gòu)整體的抗震加固

4.1 基于結(jié)構(gòu)整體的抗震加固方法

鑒于本工程的框架兩側(cè)均有挑梁，基于結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)，考慮直接加層后結(jié)構(gòu)帶來(lái)或仍然存在的問(wèn)題，調(diào)整完善并改變結(jié)構(gòu)體系[7～9]將是一種具有良好實(shí)施性的加固方法。即可通過(guò)對(duì)兩側(cè)挑梁端加柱(并形成兩列縱向框架)來(lái)解決單跨框架問(wèn)題，也能調(diào)節(jié)挑梁受力，還可以有效控制柱軸壓比，該工程具備雙側(cè)加固條件。

根據(jù)基于結(jié)構(gòu)體系的增層改造的加固方法[10,11]。本文采用雙側(cè)加柱加層加固方案，即在房屋橫向框架的懸挑梁端部增設(shè)框架柱(C軸和6/A軸處增設(shè)框架柱)，柱從底到頂連續(xù)設(shè)置，并在新加柱下設(shè)置條形基礎(chǔ)。此方法既不同于外套框架，也不同于直接增層，而是二者相結(jié)合而形成的特有的增層加固方法。圖3為基礎(chǔ)平面布置圖。

4.2 基于結(jié)構(gòu)整體加固的計(jì)算結(jié)果分析

雙側(cè)加柱增層法與直接加層法采用相同的加固設(shè)計(jì)后使用荷載，相同的設(shè)計(jì)條件，同一版本的PKPM軟件下進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下梁柱對(duì)比結(jié)果。

(1)雙側(cè)加柱與直接增層框架梁對(duì)比分析表明：

(a)按直接增層法計(jì)算，挑梁彎矩很大，承載力嚴(yán)重不足，采用雙側(cè)加固方案后，挑梁所受彎矩明顯降低，所受彎矩僅占挑梁抗力的10%～30%，安全性大大提高。

(b)采用雙側(cè)加柱方案，比直接增層法的梁承載力不足的截面少，大部分出現(xiàn)在A-B跨二層框架梁跨中，共有9處，并使承載力不足的截面從挑梁端轉(zhuǎn)移到連續(xù)跨跨中，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

(c)在梁受力方面，采用雙側(cè)加柱方案與直接增層方案相比，5/A-A跨各層框架梁兩端支座彎矩有所降低，內(nèi)力抗力比降低了10%～20%，跨中彎矩基本不變。由此可見(jiàn)，采用雙側(cè)加柱后，框架梁受力更合理。

圖3 基礎(chǔ)平面布置

(2)雙側(cè)加柱與直接增層框架柱對(duì)比分析表明：

(a)從軸壓比可以看出，采用雙側(cè)加層加柱后，柱軸壓比超限數(shù)量大大減少，5/A軸和B軸處各層框架柱軸壓比明顯降低：5/A軸底層柱軸壓比降低了0.24～0.43，軸壓比降低最大處在KJ-25，為0.43。B軸軸壓比降低更為明顯，采用直接增層法時(shí)，B軸一、二層柱軸壓比均超限，三層個(gè)別也超限，采用雙側(cè)加柱后，除KJ-13底層B軸外，其余B軸柱均滿足要求。B軸底層柱軸壓比降低了0.36～0.53，降低最大為KJ-13處。A軸處柱軸壓比與直接增層法基本相同。

(b)從配筋復(fù)核對(duì)比結(jié)果可以看出，采用直接增層法柱受力大，配筋不足的很多，特別是B軸處柱，一,二層柱配筋均不足，三層部分配筋不足。采用雙側(cè)加柱后，配筋不足的柱數(shù)量明顯降低，B軸處柱配筋大部分都滿足要求。

4.3 基于結(jié)構(gòu)整體加固的特點(diǎn)分析

由對(duì)比分析可知采用基于結(jié)構(gòu)體系抗震加固的雙側(cè)加柱增層方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)解決了單跨框架問(wèn)題。該工程改造前的丙類提高到加層改造后的乙類(重點(diǎn)設(shè)防類)。按現(xiàn)行抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)，抗震規(guī)范，乙類建筑不應(yīng)出現(xiàn)單跨框架，目前該工程五層為14～20軸為單跨框架，不滿足抗震鑒定要求，采用各層懸挑梁外端增設(shè)框架柱，使其變?yōu)槿缈蚣埽瑵M足規(guī)范要求。

(2)解決了懸挑梁承載能力不足和變形的問(wèn)題。原房屋即使不進(jìn)行增層，其挑梁承載已經(jīng)不足，單純對(duì)挑梁進(jìn)行加固，不僅數(shù)量多，施工麻煩，費(fèi)用高，加固效果也不好，采用此方案，使27處挑梁不需加固，挑梁所受彎矩明顯減小，僅占抗力的20%～30%，安全性大大提高，可充分利用現(xiàn)有挑梁承載力，不需加固，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。

(3)調(diào)整了原框架柱的受力，可有效地降低柱軸壓比。原房屋底層部分柱的軸壓比已不滿足規(guī)范要求，采用直接增層法后，一，二層大部分柱軸壓比都過(guò)高，柱承載力不滿足要求，采用兩側(cè)加柱的方案后，兩側(cè)柱分擔(dān)了一部分荷載，使原結(jié)構(gòu)兩側(cè)柱軸壓比明顯降低，28處柱軸壓比不需加固即滿足要求，31處柱承載力滿足要求，安全性得到保證。

(4)調(diào)整了原框架梁的受力。采用本文方案后，改變了原有框架梁的受力，5/A-A跨各層框架梁兩端支座彎矩降低，跨中彎矩增大；A-B跨各層框架梁A軸邊端支座彎矩略有增大，跨中彎矩增大，B軸邊端支座彎矩明顯降低；使框架梁的危險(xiǎn)截面由挑梁端轉(zhuǎn)移到連續(xù)梁跨中，并能充分利用結(jié)構(gòu)塑性鉸。

(5)顯著降低加固構(gòu)件數(shù)量。采用雙側(cè)加柱方案的計(jì)算結(jié)果表明：本工程需要加固的框架梁柱構(gòu)件數(shù)量顯著減少，見(jiàn)表1。

表1 主要構(gòu)件加固數(shù)量對(duì)比

(6)降低了地基土反力，減小了筏板基礎(chǔ)與基礎(chǔ)梁的內(nèi)力，從而減少了基礎(chǔ)的加固工作量。直接加層方案的基礎(chǔ)底板和基礎(chǔ)梁的承載力復(fù)核驗(yàn)算表明：基礎(chǔ)底板部分位置承載能力不足，部分基礎(chǔ)梁正截面抗彎承載力不足、部分基礎(chǔ)梁支座截面的正截面抗彎承載力不足、部分基礎(chǔ)梁的支座截面斜截面抗剪承載力不足。采用本文加固方案，可將部分荷載由新增加的邊柱分擔(dān)，降低筏板基礎(chǔ)承擔(dān)的荷載，保證基礎(chǔ)底板和基礎(chǔ)梁的承載力。從而可實(shí)現(xiàn)不進(jìn)行地基處理、盡量避免加固筏基底板，減少基礎(chǔ)梁的加固工作量。

(7)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性和抗震性能。采用雙側(cè)加柱，將原來(lái)一至四層變?yōu)樗目缈蚣埽敳績(jī)蓪幼優(yōu)?跨框架，增加的結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，提高結(jié)構(gòu)的可靠性，抗震能力。同時(shí)，新加層一般僅通過(guò)在原房屋頂層植筋連接，連接后整體性不能得到有效保障，采用此方案，新加層還能通過(guò)兩側(cè)柱與原房屋有效連接，提高房屋結(jié)構(gòu)的整體性，抗震性能提高。

(8)可減少加固工作量和施工周期、減少加固處理費(fèi)用。按原結(jié)構(gòu)加層時(shí)，其梁、柱、基礎(chǔ)的加固數(shù)量多，工作量大，施工麻煩，施工周期長(zhǎng)，費(fèi)用很高。而采用此方案，梁、柱、基礎(chǔ)的加固數(shù)量減少很多，工作量小，同時(shí)，在兩側(cè)新澆混凝土柱相對(duì)于梁、柱加固施工工作量小，周期短，費(fèi)用低。

4.4 帶挑梁的框架結(jié)構(gòu)增設(shè)框架柱后的抗震性能

目前我國(guó)存在大量的帶有挑梁的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，尤其是中小學(xué)校教學(xué)樓、辦公樓。由于歷史原因這些框架結(jié)構(gòu)都存在承載性能不足，尤其是抗震性能不滿足要求。由于挑梁支座配筋一般較多，挑梁端部增設(shè)框架柱后容易形成“強(qiáng)梁弱柱”的現(xiàn)象。雖然單從梁柱構(gòu)件的局部來(lái)說(shuō)，可能原挑梁的支座抗彎能力較強(qiáng)而框架柱的抗彎能力相對(duì)較弱。但在合理增設(shè)框架柱后，原有框架柱所承受的軸力、剪力和彎矩等都會(huì)顯著減小，實(shí)質(zhì)上間接增強(qiáng)了原有框架柱的承載性能和抗震性能，特別是對(duì)于柱數(shù)量較少的框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這種增強(qiáng)效果更加顯著?？蚣苤某休d性能和抗震性能增強(qiáng)的結(jié)果實(shí)質(zhì)上是提高了框架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

本工程加固前后抗震性能對(duì)比結(jié)果：

表2 結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期、平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)

雙側(cè)加柱相比于直接加層，結(jié)構(gòu)的周期、位移和層間位移角有很大程度的改善。周期下降了11.9%，位移減小了20.78%，最大層間位移角減小了約13.9%。雙側(cè)加柱的抗震性能相比于原結(jié)構(gòu)，也有較大的提升，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

本工程采用雙側(cè)加柱加層加固方案，解決了單跨框架問(wèn)題，有效調(diào)節(jié)了挑梁受力。但選擇加固方案的同時(shí)需考慮“強(qiáng)柱弱梁”的抗震設(shè)計(jì)原則。由于挑梁自身的受力特點(diǎn)，其配筋較大，承載力較強(qiáng)。當(dāng)采取挑梁端加柱的方案時(shí)，應(yīng)避免“強(qiáng)梁弱柱”情況的出現(xiàn)，即后加柱較梁應(yīng)有較強(qiáng)的承載力。這里“強(qiáng)柱弱梁”也可以間接理解為挑梁端加柱后，能使原有框架柱所受內(nèi)力減小，框架柱內(nèi)力與承載力的比值較未加固前比值相比得到降低，同時(shí)需保證所有結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足承載力需求。本文加固方案中，綜合考慮了以上問(wèn)題，確定了合理的雙側(cè)加柱的柱截面，實(shí)現(xiàn)了“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知滿足承載力需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

房屋加固改造，特別是增層房屋的加固改造，通過(guò)采用基于結(jié)構(gòu)體系的整體加固措施，改變結(jié)構(gòu)整體受力，可以克服從局部加固或者構(gòu)件層次上加固無(wú)法解決的結(jié)構(gòu)體系缺陷和種種不足，能有效減少構(gòu)件加固數(shù)量，大大提高結(jié)構(gòu)的安全性。本文通過(guò)工程實(shí)例，探討出雙側(cè)加層加柱的增層加固方案。與直接增層相比，此方案使結(jié)構(gòu)受力更合理，解決了單跨框架問(wèn)題，有效減少了梁柱的加固量，降低了構(gòu)件的受力，抗震性能提高，安全性更高，且施工方便，造價(jià)更低，經(jīng)濟(jì)性更高?？梢钥闯龌谡w性能的加固方法對(duì)此類建筑的增層加固設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，是此類建筑值得推廣應(yīng)用的結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方法。

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