某教学楼变更使用功能结构加固设计

温兴宇 任文娟

【摘 要】對既有钢筋混凝土建筑进行结构加固设计一般需要考虑原结构设计参照的规范与现行规范的区别，由于早期建筑参照的标准规范要求较低，且采用强度更低的材料，一般情况下原结构抗震性能极易不满足当前要求。通过相应的抗震性能设计与加固软件分析计算，同时结合《混凝土结构加固设计规范》制定合理的加固措施，可以较好的完成加固设计任务。

【关键词】抗震鉴定；PKPM；结构加固设计

中图分类号： TU398.2；TU352.11 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0168-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.077

【Abstract】The structural reinforcement design for existing reinforced concrete buildings needs to consider the difference of standard specification between the older and current.As the standard specifications of the early building reference are lower，and the materials with lower strength are used，the original structure is generally not satisfied with the current requirements.Reinforcement design will be realized by the seismic performance design、reinforcement software analysis and the suitable reinforcement measures from "Code for Design of Strengthening Concrete Structure".

【Key words】Buildings seismic identification；PKPM；Structural reinforcement design

0 引言

我国建筑行业伴随着改革开放，经历了高速发展的20年，建筑设计施工规范从借鉴国外到自我创新发展，设计建造技术与手段也日新月异，不同时期的设计标准差别较大。由于开放之初，建设行业标准规范的不完善，当前很多早期设计、建设的建筑都已进入老龄阶段，再加上新的抗震规范对不同区域设防烈度的更新调整与具体的结构抗震设计要求的变化，故对这些大量存在于地震作用区域内且年限较长的房屋进行使用年限延长、二次装修或使用功能更改的时候应进行相应的抗震鉴定与结构加固设计。

国家标准《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）针对量大面广的钢筋混凝土结构推荐的加固做法主要有：增大截面加固法、置换混凝土加固法、外包型钢加固法、粘贴纤维复合材加固法等[1]。加固设计时具体的做法可根据加固建筑或构件类别、实际建模计算、施工工艺来具体选择。下文以某教学变更使用功能介绍PKPM结构加固分析设计。

1 某教学楼结构加固设计

该教学楼设计于1985年，次年建成投入使用，建筑结构采用现浇框架与预应力空心楼板组合形式，建筑占地面积约910平，建筑结构高度21米，共五层。现由于学校总体规划要求，需改变其使用功能，由原来的教学楼更改为办公楼，并在楼顶搭设轻钢屋面增加活动休息区域。

1.1 结构安全和抗震性能鉴定

加固初期，受甲方委托对该建筑进行结构安全和抗震性能鉴定（第一级鉴定、部分第二级鉴定）[2]。鉴定结果表明：该建筑主体结构在尺寸、钢筋配置与强度、混凝土强度方面均满足原始图纸要求，结构稳定且未见明显变形、裂缝等缺陷。按照建筑设计荷载与现行设计要求进行结构安全与抗震性能验算（PKPM建模计算）发现该建筑个别部位存在抗震构造措施不满足要求的情况。

1.2 变更前后结构分析计算对比

甲方要求该建筑在加固之后能使用不少于20年，参照现行《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）第1.0.4条、1.0.5条：在80年代建造的现有建筑，后续使用年限宜采用40年或更长，且不得少于30年。该建筑可认定为B类建筑（后续使用年限40年）且满足甲方要求。通过对该建筑原始竣工图纸分析，结合结构抗震性能鉴定报告，采用中国建科院软件PKPM（2010 V3.1版）常规结构分析SATWE模块进行分析。

按照甲方提供的建筑平面，建立6层拟改造的最终建筑模型，验算条件如下：（1）地震作用：抗震设防烈度7度（0.1g），地震分组二组，场地类别Ⅲ类，抗震设防类别丙类，框架抗震等级三级；（2）原有结构：原构件按照原始图纸尺寸输入，考虑预制板及原有做法楼面恒荷载取6.3KN/m2，卫生间采用现浇结构，楼面恒荷载取5KN/m2，双跑楼梯恒荷载取8KN/m2；（3）活荷载标准值：考虑建筑以后可能会多次二次装修，楼面活荷载取2.5KN/m2；楼梯间活荷载取3.5KN/m2；（4）材料强度：原有部分混凝土强度按照图纸取用C20，主受力钢筋采用HRB335级别，新建部分混凝土强度取C30，主受力钢筋采用HRB400级别；（5）屋面可能在二次装修时搭设局部加层（竖向结构为钢筋混凝土、屋面为轻钢结构），按照甲方提供屋面布置图，建立一层钢筋混凝土层，恒荷载取4.8KN/m2，活荷载取0.5KN/m2；（6）已有楼板的模型建立：按照原预应力混凝土多孔板的实际传力状况，将其建立为单向板参与整体分析。

PKPM-SATWE计算结果显示：（1）结构周期、最大层间位移角等重点参数均满足现行抗震规范要求；（2）底层与第二层，近半数梁柱节点出项节点域剪压比超限，这是因为原结构设计采用C20混凝土，加上节点抗剪钢筋布置不足，导致在现行抗震设防验算体系下出现节点抗剪不足。此外，虽然在顶层增加了一层，但是底层柱子仍旧没有出现轴压比超限的现象，表明原结构设计图纸在柱子设计上留有较大的余量。（3）对比原结构施工图与新建模型输出的计算结果，显示底层大部分柱子纵筋、加密区箍筋配置不足；底部三层中，部分主梁出现靠节点部位负筋配置不足，个别主梁两端箍筋加密区配筋不足。以上均需要做进一步加固处理。

1.3 結构加固分析计算与设计

本阶段采用混凝土结构加固JDJG模块进行加固分析。针对上述SATWE分析结果显示节点域剪压比超限的情况，在模型中添加若干剪力墙，主要集中在四周对称位置和卫生间等位置，用于分担框架地震剪力作用，此时结构形式变为框剪结构，如图1所示。

针对底层大部分柱子纵筋、加密区箍筋配置不足，已有梁存在问题主要底部三层，部分主梁出现靠节点部位负筋配置不足，个别两端箍筋加密区配筋不足的情况，考虑采用外包角钢加固的方法，通过在主梁、柱子四角粘贴角钢，并配套缀板与角钢焊接，在靠近节点部位将缀板替换为更宽的加强箍板与角钢焊接。构造上来讲：外包角钢的厚度不应小于5mm，角钢的边长，对梁不应小于50mm，对柱不应小于75mm。现对底部两层现有柱子全数采用外贴角钢加固（角钢型号L80×5），对3、4层部分实际配筋与新建模型差别较大的柱子采用L75×5进行加固；对需要加固的梁采用角钢型号L75×5，并设置上部扁钢与对穿螺栓连接，加固局部如图1。

在模型中输入原结构施工图配筋，并对需要加固的梁、柱子增加外包角钢选项，采用JDJG加固模块进行分析，计算结果显示：（1）新加角钢能有效改善柱轴压比，柱子轴压比减小；（2）节点域剪压比超限全数改善；（3）柱子、梁存在的纵筋、箍筋计算值小于原结构施工图配筋数值，能满足当前使用。

对于结构的预制板的分析：查询原结构施工总说明，可知其采用《预应力混凝土多孔板图集》（G212）中指定预制板类型，同时原设计荷载参照《工业与民用建筑结构荷载规范》（TJ 9-1974）选取荷载：原使用功能为教室时楼面均布活载取为200kg/m2，与当前荷载规范中办公楼楼面均布活载2KN/m2一致，能满足现阶段使用，故可不予以加固。

2 结论

对既有钢筋混凝土建筑进行结构加固设计一般需要考虑原结构设计参照的标准、规范与现行的区别。由于早期建筑采用强度更低的材料，且参照的标准规范要求较低，对其进行抗震鉴定与加固分析时常出现以下问题：（1）结构抗震设防不满当前规范要求，如底层柱轴压比超限、结构层间位移超限、梁柱节点域剪压比超限等；（2）主体结构受力钢筋配置不足，如梁柱纵筋、箍筋加密区配筋不足；（3）抗震构造措施不满足要求的情况，如最小配箍率、最小箍筋直径、保护层厚度等。

针对以上问题通过相应的抗震性能设计，如新增剪力墙，同时结合《混凝土结构加固设计规范》选择合理的加固措施，再结合加固软件分析计算，可以较好的完成加固设计任务。

【参考文献】

[1]中华人民共和国行业标准.混凝土结构加固设计规范（GB 50367-2013）[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2]中华人民共和国行业标准.建筑抗震鉴定标准（GB50023-2009）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3]中华人民共和国行业标准.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.