某多层RC框架结构抗震加固研究★

丛 宇 钟 燕 褚云朋 古 松

(1.四川省文物考古研究院，四川 成都 610041； 2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

1990年后，建筑业迅速崛起，钢筋混凝土结构(RC)房屋大量修建。随着时代发展，人们对建筑的功能要求随之提高，加上诸多钢混结构建筑出现了不同程度的材料老化和构件损坏现象，极大影响结构稳定性和安全性。拆除重建建筑不仅耗时耗材耗力，产生的建筑垃圾也会对环境产生影响，同时为了响应国家绿色建筑的号召，一系列钢混结构建筑改造与加固的技术方法顺应产生。在保留原有主体结构的基础上，进行功能改造并采用适当加固措施，只需花少量投资来维修、加固就可恢复承载力，确保抗震安全可靠性[1-4]。

以成都某多层RC框架为例，其建造时间为1992年，至今已服役近30年，存在强度较低、材料性能老化、轴压比不满足现有混凝土建筑抗震设计规范[5]的问题，且功能不满足现有需求。基于此，对该建筑进行功能改造和提升，通过粘型钢法对柱进行加固，提升强度，加强整体稳定性、承载性能，提高抗震性能。

1 工程概况

本工程位于成都市青羊区，建筑特点符合城市整体规划要求。该工程采用七层RC框架结构体系，电梯采用RC剪力墙，由3层办公楼和4层客房楼组成，办公楼建筑高度为12 m，客房楼建筑高度为27.3 m。客房部分9.30 m标高以下(包括4层楼面)用C30混凝土，以上部分用C20混凝土，梁、柱主筋选用HPB300，箍筋选用HPB235级，墙、板受力钢筋选用HPB300。该地区地形较为平坦，Ⅱ类场地；抗震设防烈度为7度，基本加速度0.10g；丙类建筑抗震设防，设防地震第三组。

2 改造结构SATWE分析

2.1 结构模型建立

本改造工程为拆除客房楼一楼门厅的顶板和二楼会议室的底板。因为办公楼和客房楼之间设有100 mm的抗震缝，依结构受力实际，主要怕地震时两建筑发生碰撞，所以需对结构侧移进行分析。两个部分可分开进行建模分析，用PKPM建立结构模型，采用SATWE模块进行分析。开孔后结构模型如图1所示。

2.2 计算结果分析

2.2.1抗震性能

本工程选取振型计算数为15个，振型计算过程中考虑了扭转偶联对结构的影响。结构的自振周期如表1所示，由此可知前三阶振型分别是以X,Y方向的平动和扭转为主，符合概念设计要求。第一平动周期T1=1.416 1 s，第一扭转周期T3=0.785 7 s，周期比T3/T1=0.554 8，符合规范[5]中周期比小于0.85的要求。有效质量系数X向为95.95%，Y向为91.33%，均大于90%，满足高层建筑设计规范[6]要求。

表1 结构振型信息

在水平地震作用下，结构的层间位移和层间位移角如表2所示：1)X,Y向顶层最大位移分别为17.7 mm,28.99 mm，满足规范限值要求；2)三层Y向侧移为15.32 mm，小于客房楼与办公楼之间的抗震缝100 mm；3)X,Y向最大层间位移角分别为1/978，1/615，均小于1/550。该结构在频遇地震作用下构件不易损坏，满足人体舒适度要求。

表2 层间位移和层间位移角

结构改造后经过SATWE分析发现，1层～5层柱子均存在轴压比超限的情况，原因是原结构中9.30 m标高以下混凝土为C30，以上部分混凝土仅为C20，强度较低，且部分柱截面尺寸较小，仅为400 mm×400 mm，故计算得到的轴压比不满足现在的建筑抗震设计规范[5]对轴压比限值要求，需对柱进行加固。

2.2.2整体稳定性

为了验证结构的整体稳定性，需计算结构刚重比。结构刚重比公式如式(1)所示。

(1)

根据式(1)计算出结构最小刚重比为23.66，满足公式中不小于10的要求，表明其整体稳定性符合要求。其结构最小刚重比不小于20可以不考虑重力二阶效应的影响。

3 结构加固及措施

采用粘型钢法[7]使柱子成为组合结构，粘贴钢板法是通过粘胶剂直接将钢板贴合在钢筋混凝土构件表面，使其代替原有受力结构成为新的承载系统，从而降低柱轴压比，提高结构侧向刚度，有效提升整个结构的承载能力和抗震能力。

3.1 柱加固

本工程采用Q345B钢材外包型钢进行加固，依据混凝土结构加固设计规范[8]知，采用外加型钢加固RC结构轴心受压构件，其轴压比计算公式如下：

(2)

以每层相同截面尺寸的所受轴力最大的柱为对象进行加固计算。现对第一层截面尺寸为600 mm×600 mm的柱进行加固计算，其所受最大轴力为6 075 kN，按照式(2)计算得出As≥9 371.43 mm2，选取角钢L125×10。外包钢加固立面图如图2所示，外包型钢加固截面大样图见图3。

考虑到经济性，根据每层柱子的截面尺寸和所受轴力的不同，且根据同层内每根柱子的不同，加固所采用的型钢截面也不同。计算不同截面的柱在各结构层所需要的外包钢的面积和型号，计算结果见表3。

表3 各层各截面外包钢面积和选用型号

3.2 开洞楼板构造加固

楼板在建筑结构中起到承受上部竖向荷载的作用，同时为结构提供横向刚度，协调结构侧向变形，维持整体共同工作。楼板对整体结构有着重要作用，故对开洞楼板需要进行加固处理，否则会留下结构安全隐患，影响建筑的安全使用。

通过对楼板开洞结构建模SATWE分析，以及前文数据分析可知：1)楼板开洞没有降低楼层的整体刚度和结构整体性；2)楼板开洞未影响到建筑抗震性能，在地震作用下楼板不会因为产生较大变形而破坏；3)楼板开洞并未较大影响开洞周围楼板的承载力，结构的整体承载能力较强。但楼板开洞会在开洞处产生应力集中现象，故需对开洞楼板进行构造加固。在楼板板高范围内的梁侧面贴钢板，固定板面内钢筋，采用10 mm厚钢板内侧贴边，开洞处采用Q235B钢材进行加固。

4 结论

本工程是对一栋老旧的钢筋混凝土框架结构建筑进行功能改造和加固，通过建模分析得到以下结论：

1)建筑整体稳定性符合要求，1层～5层部分柱存在轴压比超限情况，影响结构抗震性能，采用粘型钢法并依照设计规范进行了加固处理。

2)楼板开洞对结构抗震性能和整体稳定性影响较小，只需在开洞楼板处进行构造加固即可。