内嵌式带框钢支撑在建筑抗震加固中的应用分析

2022-07-21王靓

工程建设与设计 2022年12期

王靓

（山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250000）

1 引言

在我国，很多建筑由于建设年代久远，设计时抗震设防水平不高，导致建筑的抗震性能不满足要求，对建筑的使用安全有极大的影响。所以，要对既有建筑采取抗震加固措施，提升建筑的抗震能力。本文以某既有建筑改造为例，对内嵌式带框钢支撑的应用进行分析，希望能为同类工程项目提供借鉴。

2 工程概述

本项目位于我国南方某城市，始建于1986 年，在1996 年改造后地上2 层与地下1 层属于砖混结构，且很长一段时间作为餐厅使用。后来，对地上建筑拆除后进行改造，将原有砖混结构改为两层钢筋混凝土框架结构，框架柱一直延伸到基础，将1 层钢框架结构增加到屋顶，对框架进行扩建，柱下独立基础属于扩建部分基础，变形缝设置在平面扩建部分与原有结构之间。地下室、1 层、2 层、3 层高度分别为3.40 m、3.75 m、3.70 m、4.00 m。室内外高差、建筑总高度分别为0.45 m、11.90 m。经调查可知，垫层、基础层混凝土设计强度分别为C7.5 与C20，地基承载力特征值为180 kPa。建筑抗震防烈强度为8度。本工程项目针对实际情况，在改造过程中按照B 类建筑设计，后续使用年限为40 a。

3 建筑情况分析

在改造前对该建筑进行检测，检测结果为：

1）在对混凝土强度进行测量时，使用的方法为回弹-钻芯法，可得混凝土强度等级为C20，符合实际需求。

2）对混凝土构件的配筋设计图进行检查，发现配筋符合要求，但在检查中发现保护层厚度出现偏差，主筋保护层厚度15 mm，检测偏差时使用的设备为结构探测雷达，偏差较大。

3）在1 层发现轴框架跨梁有竖向贯通裂缝出现，且在各层检测中均发现渗漏等问题。

4）地下室外墙、内墙分别为钢筋混凝土墙与砖墙，但外墙不全是钢筋混凝土，在顶部600 mm 高程范围内有一部分使用砖墙砌筑，使用灰土夯实，不符合实际要求与标准，渗漏现象严重[1]。

5）检查中发现地下室基础采用筏板基础，筏板厚、筏板配筋分别为400 mm、φ25 mm@200 mm。

6）地下室墙体与梁柱等不同区域露筋现象严重，且存在锈蚀、保护层剥落的情况。

7）位于北侧的楼梯与墙体没有落地，采用平板为地下室顶板，楼梯及墙体荷载仅由小柱和局部梁来承托。

4 既有建筑中经常存在的问题

项目单位在改造前通过检测、抗震与安全性鉴定，发现建筑存在的问题主要表现为以下几点：

1）本项目1~2 层与3 层分别为钢筋混凝土框架结构与钢框架结构，刚度突变位于上下层之间，阻尼比存在差异[2]。对阻尼比进行测试时，可采用自由衰减法，使用式（1）计算：

式中，F为阻尼比；A1、A2为自由衰减曲线中振幅的2 个峰值。

2）变形缝西侧部分的结构为单跨框架，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》不允许将这类结构用于重点设防。主要是由于两个单根梁形成单跨框架，如果地震后其中1 根被破坏，整个建筑就会倒塌[3]。同时为减少鉴定量，使鉴定工作与固定改造工作有效衔接，按照3 层钢筋混凝土框架结构对结构抗震承载力进行验算，根据东西段连成整体考虑禁用西段单跨框架结构。楼层抗震能力指数计算如下：

式中，β 为平面结构楼层综合抗震能力指数；ψ1为体系影响系数；ψ2为局部影响系数；ξy为楼层屈服强度系数；Vy为楼层现有受剪承载力；Ve为楼层弹性地震力。通过计算可以得到建筑的综合抗震承载力等级，具体见表1。

表1 建筑的综合抗震承载力等级

3）围护墙砌筑不合理，导致周边柱净高与截面高度比在4以内，箍筋没有全高加密。同时有少部分柱的轴压比在0.7 以上，但柱轴压比限值为0.5。柱轴压比的计算公式为：

式中，N为组合轴压力设计值；A为柱全截面面积；fc为混凝土受压强度设计值；n0为箍筋柱轴压比限值。

普通复合箍筋柱轴压比限值可通过式（5）计算：

式中，λV为柱的配箍特征值；εc为非约束混凝土应变取值；θ1为柱截面变形角的下限值。

4）楼层侧向刚度不符合要求，1~3 层的层间位移角计算结果为：X向1/515、1/468、1/763；Y向1/535、1/533、1/1 003，通过观察数据发现均超过1/550。

5）在平面与竖向布置的砌体填充墙向西侧偏，结构发生扭转效应。在地震作用下，要求结构阁楼层的剪力需符合以下要求：

式中，VEKi为第i层对应用于水平地震作用标准的楼层剪力；λ为剪力系数；Gi为第i层的重力荷载代表值。若楼层位移比或层间位移比大于1.2，则说明存在扭转效应。

5 内嵌式带框钢支撑在建筑抗震加固中的应用

5.1 改为钢筋混凝土框架

将3 层钢框架拆除，改为钢筋混凝土框架，使其与2 层结构有效连接，对结构体系进行改善，确保结构符合要求，解决了下层刚度突变与结构体系混乱的问题。采用HEB400 级钢筋与HRB335 级钢筋作为纵向受力，选择HPB235 钢筋为箍筋。混凝土垫层、娄底等普通钢筋混凝土结构的混凝土强度等级分别控制在C10、C20 以上，选择的水泥砂浆强度等级需控制在M5 以上。钢筋混凝土框架的抗震设计需注意两个要点：

1）梁与柱的弯曲延性。轴压比增大变形能力就会降低，轴压比的计算见公式（4）。

2）受剪构件的剪跨比及破坏特征。在弯矩与剪力的共同作用下，构件受剪破坏与剪跨比有关，可以使用式（7）计算剪跨比：

式中，M为弯矩；V为剪力；h0为截面有效高度。

5.2 避免采用单跨框架，设置防撞墙

西段与东段框架需合理连接，对于这类重点设防类建筑要避免使用单跨框架，增加结构的抗震冗余度，处理好两侧结构在地震时由于变形缝宽度不足产生的碰撞问题，单跨框架的超静定次数少，安全冗余度差，抗震性能较差。将黏弹性或黏性阻尼器设置在两侧变形缝之间，可解决建筑物的移动问题，即使发生地震冲击，也只局限于撞击部位。将垂直于防震缝的抗撞墙设置在缝两侧房屋尽端，设置需沿全高进行。设置要求抗撞墙数量在两道以上，且将墙肢长度控制在2 m 以上。

5.3 楼梯间设置刚度较大的混凝土墙

要结合框架结构楼梯震害情况，将刚度较大的混凝土墙设置在楼梯间两侧，让混凝土墙能落地，要避免破坏楼梯，确保在发生地震时，能发挥楼梯的作用。将带框钢支撑设置在建筑周边，这样能将其作为第一道抗震防线，提升抗震设防类别。为了减少层间变形和扭转效应，需增加剪力墙和钢支撑。楼梯构件的抗震构造如下：

1）拉通纵向配筋，且要求其在最小配筋率以上；

2）按照斜支撑设计梯板，要求板厚控制在140 mm 以上；

3）将暗梁设置在梯板两侧，要求箍筋直径大于6 mm，间距在200 mm 以上；

4）梯梁的抗剪抗扭构造需加强，箍筋采用φ8 mm，间距150 mm；腰筋2 根φ14 mm，间距200 mm；梯柱截面墙厚300 mm；混凝土标号在C25 以上。增加梯间框架柱配筋，并加密箍筋。

5.4 钢支撑需咬合牢固

利用钢框腹板上焊接的栓钉，将钢支撑与框架周边上种植的化学锚筋互相咬合，将螺旋筋设置在上面，使用灌浆材料进行浇筑，确保钢支撑与原有框架相互之间紧密连接。根据工程设计情况，通过钻孔，在钢筋混凝土基材孔内注入化学锚固胶，在基材中插入钢筋，这就是化学植筋。化学植筋施工工艺需做好定位、钻孔、插筋等操作，确保施工质量。采用钢筋与螺杆处理植筋锚固系统，对锚固连接承载力进行验算时，可以使用式（8）和式（9）（有地震的作用组合）进行计算：

式中，S为锚固连接承载力；R为锚固连接荷载效应组合设计值；Rk为锚固承载力设计值；k为地震作用下锚固承载力降低系数；γRE为锚固承载力抗震调整系数；rR为锚固承载力分项系数。

5.5 板底增设钢梁

如果楼板无法满足承载力需求，要将钢梁增设在板底，从而减小楼板跨度与变形，提升楼板承载力。加固采用Q345B钢梁，沿长度方向布置194 mm×150 mm×6 mm×9 mm 钢梁，将布置间距控制在1 260 mm。在钻墙内部嵌入锚板，锚板的规格为16 mm×250 mm×250mm，将背板增加到钻墙背面，采用4 根M16 通栓对锚板进行连接，采用塞焊方式与锚板固定。连接板与钢梁连接在一起，使用两个M20 螺栓进行连接。采用结构胶对钢梁与原结构连接表面填实。这种方式较为简单，且材料具有较高的强度。

5.6 修补开裂

当墙和楼板有开裂问题时，需将开裂表面清理干净，然后使用压力灌浆或聚合物砂浆封闭的方法进行修补。比如，可以采用环氧树脂加压灌浆处理，混凝土表面的尘土需清理干净，将浮皮等杂物清除，使用聚合物砂浆修补露筋部位。进浆口要设置在裂缝较宽处，底座安设可以使用封缝胶，封缝胶使用YJ 快干型胶，在缝隙上涂抹，宽度设置为3~4 cm。配置好树脂后开始连续注胶，在没有浆液流出时停止注浆。将底座拆除，拆除灌浆器。