董 明 盧文生，* 張 亮 黃坤耀

（1.上海杰筑建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)股份有限公司，上海 200092；2.央固工程科技（上海）有限公司，上海 201112）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于房屋建筑的功能不斷有了新的需求。為了更好地利用建筑空間，實(shí)現(xiàn)新舊功能的轉(zhuǎn)換，需要對既有建筑進(jìn)行改造。限于建造時(shí)的技術(shù)水平和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，既有建筑的抗震性能往往不能滿足目前的抗震設(shè)防要求。在改造時(shí)往往需要同時(shí)考慮抗震加固。本文針對某既有鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的建筑改造需求，提出了基于結(jié)構(gòu)體系的加固方案，提升了原結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。本次工程實(shí)例介紹了設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)體系加固、抽柱設(shè)計(jì)及樓層結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)再造設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路及實(shí)際施工中的工程做法。

采用屈曲約束支撐（BRB）對框架結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行抗震加固的技術(shù)歷經(jīng)了多年的探索［1］，尤其是在汶川地震后，該項(xiàng)抗震加固技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用［2］。本文結(jié)合大震彈塑性時(shí)程分析，也對該技術(shù)的應(yīng)用效果及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

抽柱工程是結(jié)構(gòu)改造的難點(diǎn)之一，常規(guī)的抽柱工序?yàn)橄仍鲈O(shè)臨時(shí)支撐、抽柱后再做托換梁、最后臨時(shí)支撐卸載的方式［3］。而本項(xiàng)目采用了另一種更加安全可靠的抽柱工序，也是一種技術(shù)創(chuàng)新探索。

1 工程概況

本工程位于上海市，原建筑功能為政府招待所，建于1987年。原建筑地上6層（局部7層），地下1層，結(jié)構(gòu)總高度為22.25 m，建筑面積約為6 020 m2。建筑的結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)層的結(jié)構(gòu)平面布置如圖1所示，結(jié)構(gòu)采用筏板基礎(chǔ)。建筑安全等級為二級，未進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置圖Fig.1 Typical structural plan

1.1 建筑改造主要內(nèi)容

根據(jù)業(yè)主的要求，對現(xiàn)有房屋進(jìn)行功能改造，改造的主要內(nèi)容如下：

（1）主樓地下室～三層使用功能改為幼兒園，四樓及以上各層改為培訓(xùn)教室；

（2）主樓1～10/E～G軸區(qū)域、A～G/12～14軸區(qū)域拆除原樓梯并增加電梯及樓梯；

（3）主樓門廳大堂處抽除一層11/B軸的原混凝土柱；

（4）主樓三樓的樓面標(biāo)高降低600 mm。

改造后建筑的抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，建筑場地類別為IV類，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。基本風(fēng)壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓為0.20 kN/m2。

1.2 結(jié)構(gòu)的主要問題

按A類建筑（設(shè)計(jì)后續(xù)使用年限30年）對該建筑進(jìn)行抗震鑒定［4-5］，其抗震性能不滿足要求。根據(jù)改造方案對結(jié)構(gòu)的承載力和變形進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)主要存在如下問題：

（1）一層至四層部分框架柱承載力不滿足要求，一層及地下室部分框架柱的軸壓比偏大；

（2）較多的框架梁承載力不足，部分梁的配筋存在超筋現(xiàn)象；

（3）原結(jié)構(gòu)Y方向的框架梁截面尺寸及剛度較小，框架為單向設(shè)置，不滿足雙向框架結(jié)構(gòu)的要求；

（4）結(jié)構(gòu)一層、三層及四層的抗側(cè)剛度均小于其相鄰上層抗側(cè)剛度的70%或上三層平均抗側(cè)剛度的80%；結(jié)構(gòu)一至四層的最大層間位移角均大于限值1/550；結(jié)構(gòu)頂層的最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.83，也大于限值1.50。

2 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)加固方案

根據(jù)改造方案進(jìn)行驗(yàn)算后得知，原結(jié)構(gòu)有較多的框架柱和框架梁的承載力不足，若采用逐一加固構(gòu)件的常規(guī)加固方案，會(huì)導(dǎo)致原結(jié)構(gòu)的大部分框架柱和梁需要采用加大截面法加固，將對建筑目前的使用功能造成顯著的影響。因此，本項(xiàng)目提出了基于結(jié)構(gòu)體系的加固方案，對抗側(cè)力構(gòu)件和豎向承重構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，構(gòu)建整體剛度分布合理、傳力路徑明確的結(jié)構(gòu)體系。然后在合理的結(jié)構(gòu)體系下，再進(jìn)行整體計(jì)算分析，對個(gè)別尚不能滿足規(guī)范要求的構(gòu)件再進(jìn)行加固處理。

針對本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原結(jié)構(gòu)的性能，在滿足改造方案的建筑功能要求的基礎(chǔ)上，為盡可能減少對原結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，本方案擬采用增設(shè)屈曲約束支撐（BRB），一方面可以大幅度提高房屋的側(cè)移剛度和抗震能力，同時(shí)可以減少整個(gè)結(jié)構(gòu)的加固量。

根據(jù)改造方案，BRB基本布置在周邊的填充墻部位，不影響建筑功能。經(jīng)過分析，在原結(jié)構(gòu)一至五層增設(shè)BRB，每層布置6組，共30組，BRB的平面布置如圖2所示，圖中涂黑的部位為BRB的布置位置。

圖2 BRB的平面布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout plan of BRB（Unit：mm）

2.2 采用BRB加固的結(jié)構(gòu)抗震性能分析

采用SATWE軟件建立了采用BRB加固的結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，如圖3所示。進(jìn)行了改造后結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下的計(jì)算分析，增設(shè)BRB加固結(jié)構(gòu)前后，結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算指標(biāo)對比如表1所示，結(jié)構(gòu)加固后的各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果均符合規(guī)范的要求。

表1 加固前后結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算指標(biāo)對比分析Table 1 Comparative analysis of overall calculation indexes between the original structure and the strengthened structure

圖3 加固后結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型Fig.3 Analysis model of the strengthened structure

采用BRB后，梁、柱的計(jì)算配筋大幅減小，需要進(jìn)行加大截面加固的構(gòu)件數(shù)量也大幅減小，柱子需要加大截面的數(shù)量由230根減小為66根，梁需要加大截面的數(shù)量由258根減小為36根。加大截面構(gòu)件數(shù)量的大幅減小，可以大大減少結(jié)構(gòu)加固對建筑功能的影響，不僅工期更容易保證，總體的加固成本也大大節(jié)省了。

為了檢驗(yàn)改造后結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的抗震性能，采用SAUSAGE軟件建立了結(jié)構(gòu)的非線性數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算了結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的時(shí)程響應(yīng)。時(shí)程分析采用了SAUSAGE軟件的地震波庫中滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［6］相關(guān)要求的兩組天然波和一組人工波，三組地震波主方向的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的對比如圖4所示，各組地震波的反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較一致。

圖4 各組地震波主方向的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對比Fig.4 Comparative analysis between the acceleration response spectrum and the design response spectrum

計(jì)算結(jié)果表明，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的層間位移角、主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷狀況、BRB構(gòu)件的滯回曲線、BRB子結(jié)構(gòu)大震作用下的結(jié)構(gòu)性能等均滿足相關(guān)規(guī)范的限值。

結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下的基底剪力如表2所示。大震彈塑性時(shí)程分析得到的基底剪力與小震彈性時(shí)程分析得到的基底剪力比值在3.44～3.99之間，總體處于合理的區(qū)間。

表2 結(jié)構(gòu)基底剪力計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of the structural base shear

主體結(jié)構(gòu)在各組地震波作用下的最大層間位移角如表3所示。主體結(jié)構(gòu)的最大彈塑性層間位移角X向?yàn)?/78，Y向?yàn)?/128，均小于框架結(jié)構(gòu)1/50的規(guī)范限值要求。

表3 最大層間位移角計(jì)算結(jié)果（主體結(jié)構(gòu)）Table 3 Calculation results of the maximum interlayer displacement angle（main structure）

地震波2作用下（結(jié)構(gòu)損傷最嚴(yán)重）結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)情況如圖5所示。分析表明，首層及二層Y向BRB首先進(jìn)入屈服耗能，然后是框架梁進(jìn)入塑性變形，最終頂層構(gòu)架層柱開始出現(xiàn)塑性變形。塑性變形的開展順序符合抗震概念設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)目標(biāo)。由圖可知，除頂層構(gòu)架層部分構(gòu)件均處于重度損壞以外，大部分構(gòu)件均處于輕微損壞至中度損壞范圍。計(jì)算結(jié)果表明，在罕遇地震作用下BRB可以產(chǎn)生良好的耗能效果，在增強(qiáng)整體剛度的同時(shí)為結(jié)構(gòu)提供了額外的附加阻尼比，減少了結(jié)構(gòu)的損傷，大大提高了結(jié)構(gòu)抵抗罕遇地震作用的能力。

圖5 地震波2作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能水準(zhǔn)Fig.5 Structural performance level under the action of seismic wave 2

3 抽柱的加固設(shè)計(jì)及施工

采用抽除底層柱以形成大跨度、大空間結(jié)構(gòu)的做法，可以有效擴(kuò)大使用空間，滿足建筑功能的特殊需求。隨著各種建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)的不斷發(fā)展完善，抽柱的施工工藝也在不斷成熟。本項(xiàng)目建筑為了在主樓門廳大堂處形成大空間，在一層的11/B軸處需要拔除一根柱子。

3.1 抽柱的改造加固設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目所抽除的框架柱位于結(jié)構(gòu)首層，對二層、三層該跨處的框架梁均按照轉(zhuǎn)換梁的要求采用加大截面的方法進(jìn)行加固［7］，形成雙層托換，兩端的框架柱也均采用加大截面的方法進(jìn)行了加固，加固方案如圖6所示。

圖6 一層抽柱設(shè)計(jì)的加固方案示意圖Fig.6 Strengthening design scheme of removing column on floor 1

抽柱的施工工藝對于切實(shí)落實(shí)設(shè)計(jì)的意圖至關(guān)重要，因此在抽柱設(shè)計(jì)中對施工工序提出了明確要求：采取先施工托換梁、后抽柱的方式，即抽柱應(yīng)在二層及三層梁加固后方可進(jìn)行，并要求施工單位在拆除框架柱前編制專項(xiàng)施工方案。與常規(guī)的抽柱工藝——先增設(shè)臨時(shí)支撐、抽柱后再做托換梁、最后臨時(shí)支撐卸載的方式相比，采用本工程的方法抽柱，施工過程更安全、可控。

3.2 抽柱施工過程的監(jiān)測結(jié)果及分析評價(jià)

為保證抽柱施工的安全，在加固及抽柱施工期間進(jìn)行了以下監(jiān)測：

（1）通過設(shè)置可讀數(shù)千斤頂來達(dá)到確保構(gòu)件應(yīng)力釋放緩慢進(jìn)行的要求；

（2）對新增托換梁進(jìn)行變形和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

每道托換梁設(shè)3個(gè)監(jiān)測斷面進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，每個(gè)監(jiān)測斷面布置2個(gè)混凝土應(yīng)變計(jì)。每道托換梁布設(shè)2個(gè)撓度監(jiān)測點(diǎn)，在托換梁的跨中區(qū)域安裝兩臺(tái)位移傳感器。應(yīng)變和撓度監(jiān)控測點(diǎn)的布置如圖7所示。

圖7 應(yīng)變和撓度監(jiān)控測點(diǎn)布置示意圖Fig.7 Layout plan of strain and deflection monitoring points

監(jiān)測結(jié)果如圖8、圖9所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果及實(shí)際工程效果，在頂升加載和卸載的全過程中，轉(zhuǎn)換梁的撓度變形和應(yīng)變的變化規(guī)律和變化幅度都與設(shè)計(jì)分析的結(jié)果基本一致，轉(zhuǎn)換梁在短期內(nèi)的跨中撓度最大值僅為1.66 mm，綜合考慮后期梁體收縮徐變下的剛度降低以及裝修荷載、活載的增加，轉(zhuǎn)換梁的長期撓度變形完全可控制在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)。

圖8 轉(zhuǎn)換梁應(yīng)變測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Results of strain monitoring points on transfer beams

圖9 轉(zhuǎn)換梁撓度測點(diǎn)監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Results of deflection monitoring points on transfer beams

該工程目前已經(jīng)改造完畢并投入使用，經(jīng)跟蹤觀察未見異?，F(xiàn)象，說明該抽柱設(shè)計(jì)及施工方案合理有效、安全可靠。

4 梁柱節(jié)點(diǎn)再造的設(shè)計(jì)

該工程原二層層高為4.5 m，三層層高為3.3 m，根據(jù)改造為幼兒園后的使用要求，要求將三層樓面標(biāo)高降低600 mm，從而使改造后的二層層高為3.9 m，三層層高為3.9 m。為保證結(jié)構(gòu)剛度及抗震性能不被削弱，三層新增的樓面結(jié)構(gòu)仍采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)。因此，三層新增混凝土樓面結(jié)構(gòu)就涉及全部的新增框架梁和原有框架柱的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。不同于新建結(jié)構(gòu)，新增梁與原框架柱的“梁柱節(jié)點(diǎn)再造”就是改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)了，常規(guī)梁植筋方案不能滿足抗震規(guī)范對梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的抗震性能要求。同時(shí)，考慮到施工的便利性和可行性，對該處“梁柱節(jié)點(diǎn)再造”的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。

本次“梁柱節(jié)點(diǎn)再造”設(shè)計(jì)的思路是參考國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造》［8］中的“中間樓層節(jié)點(diǎn)核心區(qū)承載力加固（增大截面法）”和“無柱帽板柱節(jié)點(diǎn)加固”方法，在原有框架柱與新增框架梁的連接節(jié)點(diǎn)處新增柱帽，新增柱帽通過植筋銷鍵與原有柱結(jié)合成整體，柱帽內(nèi)按設(shè)計(jì)要求設(shè)置箍筋。新增梁的部分主筋直接植入原結(jié)構(gòu)柱內(nèi)，同時(shí)在柱連接處加大梁寬，從而使新增梁的部分主筋可以繞過原框架柱而錨固在新增柱帽內(nèi)，這樣在新增柱帽處就形成了新的符合抗震要求的梁柱節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造如圖10、圖11所示。此節(jié)點(diǎn)再造方法一方面大大增強(qiáng)了新增梁柱節(jié)點(diǎn)處的抗剪承載力，另一方面又減少了傳統(tǒng)的全部植筋對原結(jié)構(gòu)的損傷以及現(xiàn)場操作的難度及安全隱患。與傳統(tǒng)方法相比，此方法節(jié)省成本顯著，施工的可操作性和安全性都有大幅提升。

圖10 三層新增框架梁與原柱連接中部節(jié)點(diǎn)Fig.10 Middle joint of new column and existing beams

圖11 三層新增框架梁與原柱連接端部節(jié)點(diǎn)（單位：mm）Fig.11 End joint of new column and existing beams（Unit：mm）

5 結(jié) 論

本工程因業(yè)主改變既有建筑的使用功能而對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，在結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)過程中著重概念設(shè)計(jì)，根據(jù)建筑功能改造需求，提出了基于結(jié)構(gòu)體系的加固方案，即首先構(gòu)建結(jié)構(gòu)體系的完整性和合理性，然后再進(jìn)行構(gòu)件的加固設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)與分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體系加固方案在有效提升了原結(jié)構(gòu)抗震性能的同時(shí)，達(dá)到了節(jié)省工期、節(jié)約造價(jià)的效果。

對于本項(xiàng)目底層抽柱的改造需求，在設(shè)計(jì)時(shí)首先分析了抽柱后結(jié)構(gòu)的受力變化和變形情況，其次明確了施工工藝要求、制定了合適的施工措施，并在抽柱的施工過程中進(jìn)行了監(jiān)測與分析評估，工程實(shí)踐證明了該抽柱設(shè)計(jì)及施工方案合理有效、安全可靠。

另外，根據(jù)建筑改造的要求，樓板標(biāo)高的調(diào)整導(dǎo)致本工程需要鑿除原結(jié)構(gòu)樓板、新增結(jié)構(gòu)樓板，因此新增梁與原框架柱的“梁柱節(jié)點(diǎn)再造”是改造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本工程提出的梁柱節(jié)點(diǎn)再造方法既能滿足承載力的要求，又大大減少了對原結(jié)構(gòu)的損傷，工程實(shí)踐證明該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法安全、可靠、施工方便。