多层单跨框架结构加固设计应用研究分析

晏 伟

（中信设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

框架结构只要有一个主轴方向的框架全部为单跨框架时，即为单跨框架结构。由于历史发展等因素，现存某些既有多层框架未进行抗震设计，存在结构体系不合理（如单跨框架）、材料强度不足、结构构件配筋不足或构造不合理、抗震墙布置间距过大或数量太少、主体结构与砌体部分拉结措施缺失或强度不足等问题，导致结构抗震性能较差，因此，为满足使用要求，需要对其进行结构加固。

1 单跨框架结构加固设计理论分析

单跨框架结构会因为其耗能能力较弱，超静定次数较少，在超过设防烈度的大震出现的情况下，极易因为单个竖向构件的破坏最终造成结构连续倒塌。在大部分地震中，建筑物会由于双柱单跨框架结构的其一侧柱破坏造成全楼倒塌。鉴于此，已有规范对单跨框架结构的应用作出了严格的规定。

然而，该类低层单跨框架结构一般在已建的学校、礼堂及小型活动房等人员密集场所出现，所以，其安全隐患不容小觑。但是基于目前不少震害所带来的惨痛教训，国家已出台最新规范以及规定，该类问题也逐渐被人们所重视。我国对混凝土结构进行加固设计主要是遵循《混凝土结构加固设计规范》及《建筑抗震设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》等进行结构计算，但是就基本上都是对某一种或者某些结构进行计算，也就是说是对具体的事件进行具体的分析，决定首先在改变结构体系、增设多道抗震防线等手段的基础上，对其实施加固处理，防止其在罕遇地震的过程中出现倒塌。

由此可见，给予达到上述加固目标的前提下，最为常见的加固手段是在部分框架柱间对混凝土剪力墙或斜撑进行增设。该类路径可以科学优化结构体系，增设的剪力墙、斜撑在一定程度上降低结构在预期地震过程中出现变形，同时在大震时成为关键的抗侧力构件，最终强化综合抗震水平，达到改造要求。但是值得注意的是建筑外观、使用功能要求，剪力墙及斜撑的布置有着一定的局限性，最终会造成增设的剪力墙发生短肢，更有甚者，出现无处可加的情况。

2 单跨框架结构体系抗震加固路径

在抗震加固时，单跨框架结构需基于构件加固，同时通过结构体系强化结构冗余度、改变结构体系受力范围、强化抗震耗能等加固结构。

2.1 增设剪力墙加固

高层建筑中剪力墙通常应用普遍，可强化建筑抗侧刚度，降低侧移，优化高层建筑的抗震性能。在低矮框架中使用该加固手段，能够确保框架结构存在框架剪力墙的受力特点，强化抗震防线。新增设的剪力墙能可以承担一定的地震荷载，最终强化抗震水平。在低矮建筑物中该手段可防止大多数繁杂的加固工程，降低梁、柱的加固数量，也大大缓解了对梁、柱构件的构造要求。

针对钢筋混凝土框架结构房屋来说，其承载力极易满足，大震出现的情况下，层间侧移无法达到规范对侧移变形的控制要求，需强化柱截面或增设剪力墙来强化抗侧刚度。现如今，该路径在低矮框架结构中得到了广泛的应用。可优化框架结构在大震作用下的底层较柔、侧移较大的不足，强化结构抗震水平。

然而不可否定的是因为需增设剪力墙基础，会影响原建筑影响，加固过程中需全面的基于分析结果和客观条件来科学控制剪力墙数量。

2.2 增设框架柱加固

由于建筑物的悬挑外廊会引发结构的扭转。带悬挑外廊单跨框架结构的结构冗余度少，在地震时会出现较大的倾覆力矩，造成悬挑端柱轴力、弯矩增大，影响结构。

在悬挑端增设一排框架柱可确保结构由单跨结构变为两跨结构。该类路径能够依靠增设框架柱的手段，来全面的改造整体结构体系，确保传力路径的合理性，而不是单纯的局部加固补强。与此同时，该路径控制了结构冗余度，确保结构在地震出现的情况下有一个满意的抗倒塌能力。另外，该路径作为一类传统的加固手段，造价低，施工工艺成熟，对原建筑的影响几乎甚微。

总之，此方法的应用，可以把挑梁转变为两端约束支撑，需对节点处理，提高加柱后结构的整体性。

2.3 增设支撑加固

最为常用的支撑包括了混凝土支撑、普通钢结构支撑、型钢混凝土支撑以及屈曲约束支撑。而屈曲约束支撑的运用前景比较乐观，能够处理普通支撑的稳定性不足，降低支撑的截面积，因为其降低了结构的刚度，也降低了结构地震作用，强化了结构延性性能和耗能水平。再者，该类屈曲约束支撑降低了加固工程量，控制了造价。

3 多层单跨框架结构加固设计应用研究分析

3.1 工程概况

该工程为某小学教学楼—I区，建造于2006年，建筑高度为21.30m，建筑面积约为2002.45m2。该项目建筑抗震设防类别为重点设防类（乙类），建筑所在地区设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.109，设计地震分组为第三组，框架抗震等级为二级。该项目为该地区2019年校舍安全工程项目之一，要求该项目结构加固设计改造后的设计使用年限为36年。

3.2 理论研究分析

此工程抗震设防类别为重点设防类（乙类），按照《建筑抗震鉴定标准》 （GB50023-2009）的规定，该项目需基于比比本地区设防烈度提高一度的要求，来核查抗震措施，抗震验算需基于不低于本地区设防烈度的要求来实施。基于加固设计改造后的设计使用年限的36年，判定其是B类建筑，需通过B类建筑抗震鉴定方法。作为框架结构，通过B类钢筋混凝土房屋抗震鉴定手段，展开相应的抗震措施鉴定、抗震承载力验算。

3.3 鉴定模型分析

按照结构有限元软件-PKPM V4.2版，实施项目鉴定模型分析以及加固设计计算分析。在理论研究分析的基础上，通过PKPM软件完成鉴定模型分析。已有建筑的结构体系是多层单排框架结构。基于乙类设防建筑参考已有规范规定，乙类设防时不该是单跨框架结构。

3.4 加固设计方法

按照房屋的实际情况选取钢筋混凝土房屋的抗震加固方案，通过强化结构构件抗震承载力、增强结构变形能力或者转变框架结构体系等方案。基于此工程的鉴定结论，立足于常规针对框架结构受力构件的加固方法，包括了增大截面加固法、外粘型钢加固法、粘贴纤维复合材料加固法等，在根本上实现工程的安全使用问题，由改变项目的结构体系思路着手，在结构纵横双向增设钢筋混凝土抗震墙的手段，达到改变项目的结构体系为框架抗震墙结构。在重新调整分配结构的质量和刚度的同时，实现结构规则性，在优化构件的受力状况之余，强化工程结构本身的抗震水平。

4 结语

随着我国经济增长，我国的现代化城市建设速度也正在不断的提升，百姓对于自己的生活质量要求也越来越高，为了实现这一要求，对于多层单跨框架结构加固设计的工程质量将必须提高，在土建工程加固设计中运用最为广泛的就是多层单跨框架结构加固设计，所以保证结构加固技术的质量是对提升土建工程质量的关键。多层单跨框架结构加固设计技术的提升，对于建筑物的质量就能更好地进行控制。在现代社会中，多层单跨框架结构加固设计所扮演的角色越来越重要，进行加固设计的施工管理对于提升建筑物的质量也非常重要。现代社会科技进步非常大，多层单跨框架结构加固设计也正在进行更新换代，所以结构设计者应该根据自身条件进行新工艺的学习，以及新理念的引进，以此来提升多层单跨框架结构加固设计的实用性。