叢 宇 鐘 燕 褚云朋 古 松

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

1990年后，建筑業(yè)迅速崛起，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(RC)房屋大量修建。隨著時(shí)代發(fā)展，人們對建筑的功能要求隨之提高，加上諸多鋼混結(jié)構(gòu)建筑出現(xiàn)了不同程度的材料老化和構(gòu)件損壞現(xiàn)象，極大影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性。拆除重建建筑不僅耗時(shí)耗材耗力，產(chǎn)生的建筑垃圾也會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生影響，同時(shí)為了響應(yīng)國家綠色建筑的號召，一系列鋼混結(jié)構(gòu)建筑改造與加固的技術(shù)方法順應(yīng)產(chǎn)生。在保留原有主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行功能改造并采用適當(dāng)加固措施，只需花少量投資來維修、加固就可恢復(fù)承載力，確?？拐鸢踩煽啃訹1-4]。

以成都某多層RC框架為例，其建造時(shí)間為1992年，至今已服役近30年，存在強(qiáng)度較低、材料性能老化、軸壓比不滿足現(xiàn)有混凝土建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[5]的問題，且功能不滿足現(xiàn)有需求。基于此，對該建筑進(jìn)行功能改造和提升，通過粘型鋼法對柱進(jìn)行加固，提升強(qiáng)度，加強(qiáng)整體穩(wěn)定性、承載性能，提高抗震性能。

1 工程概況

本工程位于成都市青羊區(qū)，建筑特點(diǎn)符合城市整體規(guī)劃要求。該工程采用七層RC框架結(jié)構(gòu)體系，電梯采用RC剪力墻，由3層辦公樓和4層客房樓組成，辦公樓建筑高度為12 m，客房樓建筑高度為27.3 m?？头坎糠?.30 m標(biāo)高以下(包括4層樓面)用C30混凝土，以上部分用C20混凝土，梁、柱主筋選用HPB300，箍筋選用HPB235級，墻、板受力鋼筋選用HPB300。該地區(qū)地形較為平坦，Ⅱ類場地；抗震設(shè)防烈度為7度，基本加速度0.10g；丙類建筑抗震設(shè)防，設(shè)防地震第三組。

2 改造結(jié)構(gòu)SATWE分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型建立

本改造工程為拆除客房樓一樓門廳的頂板和二樓會(huì)議室的底板。因?yàn)檗k公樓和客房樓之間設(shè)有100 mm的抗震縫，依結(jié)構(gòu)受力實(shí)際，主要怕地震時(shí)兩建筑發(fā)生碰撞，所以需對結(jié)構(gòu)側(cè)移進(jìn)行分析。兩個(gè)部分可分開進(jìn)行建模分析，用PKPM建立結(jié)構(gòu)模型，采用SATWE模塊進(jìn)行分析。開孔后結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1抗震性能

本工程選取振型計(jì)算數(shù)為15個(gè)，振型計(jì)算過程中考慮了扭轉(zhuǎn)偶聯(lián)對結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)構(gòu)的自振周期如表1所示，由此可知前三階振型分別是以X,Y方向的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)為主，符合概念設(shè)計(jì)要求。第一平動(dòng)周期T1=1.416 1 s，第一扭轉(zhuǎn)周期T3=0.785 7 s，周期比T3/T1=0.554 8，符合規(guī)范[5]中周期比小于0.85的要求。有效質(zhì)量系數(shù)X向?yàn)?5.95%，Y向?yàn)?1.33%，均大于90%，滿足高層建筑設(shè)計(jì)規(guī)范[6]要求。

表1 結(jié)構(gòu)振型信息

在水平地震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移和層間位移角如表2所示：1)X,Y向頂層最大位移分別為17.7 mm,28.99 mm，滿足規(guī)范限值要求；2)三層Y向側(cè)移為15.32 mm，小于客房樓與辦公樓之間的抗震縫100 mm；3)X,Y向最大層間位移角分別為1/978，1/615，均小于1/550。該結(jié)構(gòu)在頻遇地震作用下構(gòu)件不易損壞，滿足人體舒適度要求。

表2 層間位移和層間位移角

結(jié)構(gòu)改造后經(jīng)過SATWE分析發(fā)現(xiàn)，1層～5層柱子均存在軸壓比超限的情況，原因是原結(jié)構(gòu)中9.30 m標(biāo)高以下混凝土為C30，以上部分混凝土僅為C20，強(qiáng)度較低，且部分柱截面尺寸較小，僅為400 mm×400 mm，故計(jì)算得到的軸壓比不滿足現(xiàn)在的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[5]對軸壓比限值要求，需對柱進(jìn)行加固。

2.2.2整體穩(wěn)定性

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，需計(jì)算結(jié)構(gòu)剛重比。結(jié)構(gòu)剛重比公式如式(1)所示。

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算出結(jié)構(gòu)最小剛重比為23.66，滿足公式中不小于10的要求，表明其整體穩(wěn)定性符合要求。其結(jié)構(gòu)最小剛重比不小于20可以不考慮重力二階效應(yīng)的影響。

3 結(jié)構(gòu)加固及措施

采用粘型鋼法[7]使柱子成為組合結(jié)構(gòu)，粘貼鋼板法是通過粘膠劑直接將鋼板貼合在鋼筋混凝土構(gòu)件表面，使其代替原有受力結(jié)構(gòu)成為新的承載系統(tǒng)，從而降低柱軸壓比，提高結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度，有效提升整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震能力。

3.1 柱加固

本工程采用Q345B鋼材外包型鋼進(jìn)行加固，依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[8]知，采用外加型鋼加固RC結(jié)構(gòu)軸心受壓構(gòu)件，其軸壓比計(jì)算公式如下：

(2)

以每層相同截面尺寸的所受軸力最大的柱為對象進(jìn)行加固計(jì)算。現(xiàn)對第一層截面尺寸為600 mm×600 mm的柱進(jìn)行加固計(jì)算，其所受最大軸力為6 075 kN，按照式(2)計(jì)算得出As≥9 371.43 mm2，選取角鋼L125×10。外包鋼加固立面圖如圖2所示，外包型鋼加固截面大樣圖見圖3。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)每層柱子的截面尺寸和所受軸力的不同，且根據(jù)同層內(nèi)每根柱子的不同，加固所采用的型鋼截面也不同。計(jì)算不同截面的柱在各結(jié)構(gòu)層所需要的外包鋼的面積和型號，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各層各截面外包鋼面積和選用型號

3.2 開洞樓板構(gòu)造加固

樓板在建筑結(jié)構(gòu)中起到承受上部豎向荷載的作用，同時(shí)為結(jié)構(gòu)提供橫向剛度，協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形，維持整體共同工作。樓板對整體結(jié)構(gòu)有著重要作用，故對開洞樓板需要進(jìn)行加固處理，否則會(huì)留下結(jié)構(gòu)安全隱患，影響建筑的安全使用。

通過對樓板開洞結(jié)構(gòu)建模SATWE分析，以及前文數(shù)據(jù)分析可知：1)樓板開洞沒有降低樓層的整體剛度和結(jié)構(gòu)整體性；2)樓板開洞未影響到建筑抗震性能，在地震作用下樓板不會(huì)因?yàn)楫a(chǎn)生較大變形而破壞；3)樓板開洞并未較大影響開洞周圍樓板的承載力，結(jié)構(gòu)的整體承載能力較強(qiáng)。但樓板開洞會(huì)在開洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，故需對開洞樓板進(jìn)行構(gòu)造加固。在樓板板高范圍內(nèi)的梁側(cè)面貼鋼板，固定板面內(nèi)鋼筋，采用10 mm厚鋼板內(nèi)側(cè)貼邊，開洞處采用Q235B鋼材進(jìn)行加固。

4 結(jié)論

本工程是對一棟老舊的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行功能改造和加固，通過建模分析得到以下結(jié)論：

1)建筑整體穩(wěn)定性符合要求，1層～5層部分柱存在軸壓比超限情況，影響結(jié)構(gòu)抗震性能，采用粘型鋼法并依照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行了加固處理。

2)樓板開洞對結(jié)構(gòu)抗震性能和整體穩(wěn)定性影響較小，只需在開洞樓板處進(jìn)行構(gòu)造加固即可。