既有框架结构的高标准抗震加固改造设计探讨

2023-11-25张玉明李佳琦谭天乐

结构工程师 2023年5期

张玉明李佳琦谭天乐

（1.山东建筑大学土木工程学院，济南 250101； 2.山东建筑大学工程鉴定加固研究院有限公司，济南 250013）

0 引言

近年来，将既有框架结构的建筑改造为幼儿园、养老院的需求量日益增大。幼儿园和养老机构的抗震设防类别为重点设防类（简称乙类）［1-2］。抗震设计时，应按高于本地区设防烈度一度的要求加强其抗震措施，同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用［1］。

因此，将标准设防类（简称丙类）混凝土框架结构改造为乙类结构，抗震措施需提高。对于后续使用年限为50年的C类建筑，改造时应按现行标准的要求进行抗震鉴定［3］，提高原设计抗震要求。另外，我国部分省份或城市还在国家标准之上提高了抗震设防要求。以上因素导致部分混凝土框架结构改造时会出现高标准的抗震设计要求：抗震设防烈度提高，抗震措施加强。

框架结构抗震设防烈度提高和抗震措施加强，会导致原结构构件承载力不足，这可通过对结构进行加固提高结构的抗震能力解决。但由于抗震措施加强，原结构构件的抗震构造措施不能满足改造后相应要求，这是加固改造设计中难以处理的问题。梁柱加密区、轴压比等构造措施不满足要求时可按照规范要求进行加固，但钢筋锚固长度不满足要求等问题无法有效解决。大量的研究及工程实践均围绕提高结构抗震承载能力展开，很少有关于抗震构造措施不满足要求的加固处理探讨。本文对高标准抗震加固方案进行了分析对比，并确定了经济性较好的加固方法，对抗震构造措施不满足要求的问题提出了解决方案；并通过一幼儿园的加固改造实例，为此类加固改造提供案例参考。

1 山东省加固改造抗震设计标准

2016年5月山东省人民政府办公厅发文［4］，明确山东省新建（改建、扩建）房屋建筑和市政工程应按不低于地震烈度7度进行抗震设防。济南大部分区县、莱西市、莱阳市等地区的抗震设防要求高于国家标准。2016年8月1日《建筑抗震设计规范》（2016年版）［5］实施后，山东省内部分主要城镇抗震设防烈度、设计基本加速度和设计地震分组进行了调整。

2017年12月1日起执行的山东省《建设工程抗震设防条例》［6］规定：新建、改建或者扩建学校、幼儿园、医院、养老院等建设工程，其抗震设防要求应当在国家地震动参数区划图、地震小区划图、地震安全性评价结果的基础上提高一档确定，具体办法由省人民政府制定。根据此规定，山东省内幼儿园、养老院等建筑不仅要按照国家标准提高一度加强其抗震措施，其抗震设防要求也应提高一档，相应的地震作用应提高一档进行计算。山东省乙类建筑抗震设防标准高于国家标准。

表1和表2分别为山东省在山东省文件［4］及《建筑抗震设计规范》［5］（合并简称2016年山东省抗震设计标准）调整前和调整后建造的抗震设防为丙类的C类框架改造为乙类建筑后结构抗震设防烈度和抗震等级的变化对比。

表1 改造前后抗震设计要求对比（2016年山东省抗震设计标准调整前建造）Table 1 Comparison of seismic design requirements before and after renovation （constructed before adjustment of seismic design standards of Shandong Province in 2016）

表2 改造前后抗震设计要求对比（2016年山东省抗震设计标准调整后建造）Table 2 Comparison of seismic design requirements before and after renovation （constructed after adjustment of seismic design standards of Shandong Province in 2016）

从表1可以看出，若结构形式及结构布置不变，2016年抗震设计标准调整前建造的山东省内丙类框架结构改造为乙类建筑，用于地震作用计算的抗震设防烈度提高幅度至少为一档，提高幅度最大由6度0.05g增加到7度0.15g，地震作用最大可能增大为原来的3倍；抗震等级提高一至二级，抗震等级提高幅度最大的从四级提高至二级，从三级提高至一级。表2中抗震设计标准调整后建设的山东省内丙类框架结构改造为乙类建筑，抗震设防烈度提高一档，抗震等级提高一级；改造后与改造前地震影响系数最大值之比在1.333～1.5范围内。

抗震设防烈度的提高导致地震作用的增大；抗震等级提高，抗震计算中对应强柱弱梁、强剪弱弯抗震措施的框架柱弯矩调整、框架梁和柱剪力的调整系数也相应增大，这些都可能造成原结构构件承载力不足；而且由于抗震等级的提高，原结构构件的抗震构造措施（梁柱箍筋加密区、柱轴压比、梁柱配筋率等）也不满足改造后相应要求。

2 加固方案

调整结构的抗震设防烈度及抗震等级，根据原结构构件承载力复核结果，连同原设计图纸、现场抗震检测鉴定结果反映出的构件采取的构造措施确定加固方案。常用的加固方案有以下几种。

2.1 直接加固

根据结构抗震承载力复核结果，对不满足承载力要求的混凝土梁、柱等结构构件进行加固。此种加固方式最直接。

根据表1和表2，若原设计按照当时抗震设防要求设计且配筋富裕度较小，按乙类建筑进行抗震加固，用于地震作用计算的抗震设防烈度提高幅度最小为一档，抗震等级最少提高一级。则结构大部分构件配筋都不满足要求，加固构件数量较多，施工周期较长且加固费用较高，一般不采用此种加固方法。当原结构抗震设计标准较高（比当时规范抗震设防要求高），且配筋富裕度较大时，经复核验算仅有少量构件需要加固或与其他方案相比经济性好时可采用直接加固法。

2.2 消能减震加固

消能减震加固通过在结构的适当部分附加耗能减震装置，耗散地震能量，降低原有框架结构在地震作用下的内力，减少框架梁和框架柱的加固量。消能减震加固具有自重轻、成本低、施工方便、布置灵活等优势，在增层改造及加固工程中得到了广泛的应用。

根据目前工程实践，消能减震结构可减少的地震反应在20%～40%范围内。因此若要使大部分结构构件不加固，则改造前后结构用于计算的地震作用提高幅度不能太大。表1和表2中仅有改造前后抗震设防要求提高在一档之内且原设计配筋有一定富裕度时才有可能大部分构件不需加固，经济性较明显。另外，根据现行《建筑消能减震技术规程》（JGJ 297—2013）［7］第6.4.4.2条规定：当消能减震结构的抗震性能明显提高时，主体结构的抗震构造措施要求可适当降低。根据其条文说明，只有当减震效果明显，即消能减震的地震影响系数不到非消能减震的50%时，主体结构的构造措施可降低一度执行。就目前工程实践，消能减震结构可减少的地震反应在20%～40%范围内，主体结构的构造措施不应降低。因此，原结构的抗震构造措施可能不满足要求，还应进行相应的加固。

消能减震加固方法较适用于加固改造前后抗震等级未提高，地震作用增大幅度小于40%的结构，如建筑物增层、建筑功能改变等。对于大部分既有丙类框架结构改造为乙类框架结构，此种方法不一定具有较好的经济效益。

2.3 增加钢支撑加固

对于钢筋混凝土框架结构，在梁柱间增加足够的钢支撑（要求底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%）后，新加支撑能承担一部分地震作用，可降低原有框架结构在地震作用下内力且重量增加不多，能提高结构整体抗震能力。此种方法可大量减少原框架梁和框架柱的加固量。现行《建筑抗震设计规范》［5］附录G中G1.2条规定了丙类钢支撑-混凝土框架结构房屋建筑的抗震等级：钢支撑框架部分中混凝土框架结构的抗震等级应按框架结构的规定提高一个等级，钢筋混凝土框架部分按框架结构确定。对于乙类钢支撑-混凝土框架结构房屋建筑的抗震等级，规范中未说明。根据乙类建筑的抗震设计思路，乙类钢支撑-混凝土框架结构房屋抗震等级应比相应丙类提高一级，因此乙类钢支撑框架部分应按框架结构的规定提高两个等级，钢筋混凝土框架部分按框架结构的规定提高一个等级确定。

增加钢支撑后，钢支撑框架部分抗震等级提高二级，提高幅度较大，钢支撑部分框架梁柱构件承载力和抗震构造措施一般不满足要求，需要进行加固；其余钢筋混凝土框架部分抗震等级提高一级，由于增加支撑可降低原框架部分地震作用，梁柱构件承载力可能满足要求，但抗震构造措施可能不满足要求，还需进行加固。

2.4 改变结构形式

将混凝土框架结构改造为框架-抗震墙结构，能降低原有框架结构梁柱在地震作用下内力；若通过设计控制在规定的水平力作用下结构底层框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%时，结构按框架-抗震墙结构进行设计。改造后框架-抗震墙结构中框架部分的抗震等级比改造前原框架结构降低一级。

对于表1和表2中改造前后结构抗震等级提高一级的情况，通过结构体系的改变，设置足够多的剪力墙，受地震作用组合工况控制的原结构大部分构件能满足承载力要求，改造前后结构构件对应的抗震等级保持不变，原构件抗震构造措施能够满足现抗震要求，不需要加固。

对于表1中框架结构改造前后抗震等级提高二级的情况，可按照“高承载力、低延性”的思路进行加固。因为按照抗震能力的等能量原理，当承载力提高一倍时，延性要求减少一半，故构造所对应的抗震等级大致可按降低一度的规定采用。具体可参照《建筑抗震设计规范》［5］附录M表M.1.1-3中性能3的要求，使改造后框架-抗震墙结构构件的承载力高于多遇地震提高一度要求，可将设防烈度降低一度确定抗震构造措施，即抗震构造等级降低一级；又由于框架结构改造为框架-抗震墙结构，抗震等级可降低一级，原框架结构改造为乙类框架-抗震墙结构中框架部分的抗震构造等级不予提高，原结构构件的抗震构造措施满足要求。因此通过设置足够数目的剪力墙，提高框架结构中梁、柱承载力至满足相应的要求，减少结构在地震作用下的变形值，可达到降低结构构件抗震等级的目的。这样，大部分结构构件都不需要加固，经济性较明显。

将表1既有C类框架结构分别按不改变结构形式（仍为框架结构）、改造为钢支撑-混凝土框架结构、改造为框架-抗震墙结构后结构构件的抗震等级进行对比，结果见表3。

表3 不同加固方式结构构件抗震等级对比Table 3 Comparison of seismic grade of structural members with different strengthing methods

对比表3中将原结构改造为钢支撑-混凝土框架结构和框架-抗震墙结构，需要钢支撑和剪力墙提供的抗侧刚度相差不大，但改造为框架-抗震墙结构，框架部分抗震等级可以降低，原结构可大大减少加固量。因此将原框架结构改造为框架-抗震墙结构的加固方法更加适合抗震设防烈度和抗震措施都需要提高的高标准建筑改造加固，经济性显著。

3 框架结构改造为框架-抗震墙结构设计要点

将框架结构改造为框架-抗震墙结构，必须满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）［8］中对于框架-抗震墙结构的相关规定。

3.1 剪力墙的设置及要求

（1）剪力墙的设置应使底层框架部分在规定的水平力作用下承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%，具体占比应以原结构大部分构件抗震承载力满足要求不需加固为目标。对于表1中改造为框架-抗震墙结构抗震等级仍需提高一级的情况，剪力墙的设置需满足抗震性能化设计各性能目标相应要求，以达到降低结构构件的抗震等级的目的，减少加固量。

（2）剪力墙的数量应满足规范［8］中剪力墙间距规定要求。由于为加固改造工程，数量能少则少。但是根据《高层建筑混凝土结构技术规程》［8］第8.1.7.4条规定：框架-抗震墙中单片剪力墙底部承担的水平剪力不应超过结构底部总水平剪力的30%。若布置剪力墙数量太少，或单片剪力墙长度较长，每片剪力墙承担的水平剪力容易超限；剪压比也容易超限。

（3）剪力墙应双向布置，且宜布置在结构的外围，对结构抗震是最有利的，效果最好。但由于建筑物采光的需要和大型落地窗的大量采用，建筑物纵向上能设置墙体的数量有限，且大部分为小墙肢，还需要结合建筑平面图在结构内部布置一定数量的墙体。

3.2 对于乙类建筑安全等级和荷载分项系数调整的考虑

根据《建筑结构可靠性设计统一标准》［9］（2019年4月1日实施）第3.2.1条及条文说明，抗震设计中的甲类建筑和乙类建筑，其安全等级宜规定为一级；对应的结构重要性系数为1.1。安全等级的调整仅对非抗震设计工况控制的构件起作用。同时，根据标准要求，恒载、活荷载的分项系数分别增大调整为1.3、1.5，对于此标准实行前设计的结构，受非抗震工况控制的构件的内力和配筋都会增大。通过增加钢支撑、增设剪力墙等形式进行加固，不会减少非抗震工况控制的构件的内力。因此这些构件都可能需要加固，可考虑按T形截面、考虑双筋等有利条件进行复核确定是否需要加固。

4 工程实例

4.1 工程概况

原建筑物为山东省济南市一大型小区内4层商业用房，钢筋混凝土框架结构，层高均为3.6 m，顶层设闷顶层，檐口处标高16.050 m，建筑物西侧与邻近一层办公用房中间设有变形缝。2014年设计，原设计抗震设防烈度6度，加速度0.05g，设计分组第三组，场地类别为Ⅰ类，框架抗震等级为四级，柱下独立基础。现要将其改造为幼儿园，改造前后一层平面图分别如图1、图2所示。

图1 原商业用房一层平面图（单位：mm）Fig.1 First floor plan for commercial housing （Unit：mm）

图2 改造为幼儿园后一层平面图（单位：mm）Fig.2 The first floor plan after being transformed into a kindergarten （Unit：mm）

结构2015年完工，属C类建筑，改造后幼儿园抗震设防类别为乙类。现济南市抗震设防烈度为7度，加速度0.10g。根据第1节山东省相关规定，此抗震加固改造应按济南市抗震设防烈度提高一档，按抗震设防烈度7度，加速度0.15g进行确定地震作用，按8度采取抗震措施，框架结构抗震等级为二级。因本工程场地类别为Ⅰ类，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［5］第3.3.2条本工程可以按济南市抗震设防烈度7度采取抗震构造措施，抗震构造措施对应的抗震等级为三级。

保持框架结构体系不变进行计算，改造前后地震作用下楼层地震剪力对比见表4。因抗震设防烈度提高，改造后楼层剪力增大，与改造前楼层剪力比值在3左右。复核结果显示：有多个柱子节点核心区剪压比超限，多个柱子节点区抗剪承载力不满足要求，一层大部分框架梁支座钢筋配筋不足，二至四层也有多处框架梁支座钢筋配筋不足。

表4 改造前后楼层地震剪力对比Table 4 Comparison of floor seismic shear force before and after retrofitting

4.2 加固方案

从表4可以看出，楼层地震剪力值增加较多。采用直接加固法加固构件数量较多。仅采用消能减震进行加固减少地震作用有限。增加钢支撑和增设少量剪力墙，虽可减少部分框架在地震作用下的内力，梁柱不需加固，但是由于抗震等级提高，导致梁柱箍筋加密区、柱轴压比、梁柱配筋率等原结构抗震构造措施（原结构四级，改造后要求三级）无法满足要求，加固量大，经济效益差。

经过方案比选，最终采用将框架结构改变为框架-抗震墙结构的方式进行加固。框架-抗震墙结构中框架部分抗震等级为三级，抗震构造措施对应的抗震等级为四级；剪力墙抗震等级为三级。

结合幼儿园各层平面布置图，一层增加剪力墙，如图3所示，剪力墙从基础顶一直增加到屋面。因4轴处设有变形缝，不方便剪力墙施工，在1/4轴和5轴处增设横向剪力墙，另在最外围11轴处增设横向剪力墙。在纵向上，因C轴和E轴有窗户，仅能在C-5轴、C-10轴、E-5轴、E-10轴处增加小墙段，一层D/6-7轴处为大厅通道，不能设置墙体，D/4-/1/4轴、D/7-8轴处为楼梯间出入门处墙体，门洞口较大，增设剪力墙墙段较小，所起作用不大，因此在D/5-6轴、D/8-10轴间增加剪力墙。经计算，底层框架部分在规定的水平力作用下承受的地震倾覆力矩为结构总地震倾覆力矩的41.27%（X方向）、41.61%（Y方向），满足按框架-抗震墙进行设计的大于结构总地震倾覆力矩的10%但不大于50%的设计要求。

图3 二层楼面及一层加固柱、新增剪力墙平面布置图（单位：mm）Fig.3 Layout plan of the second floor and the first floor with reinforcement columns and new shear walls （Unit：mm）

将框架结构改造为框架-抗震墙结构，框架部分地震作用下剪力与改造前框架结构相差不大，一层地震剪力对比见表5；框架部分梁柱承载力大都满足要求。按框架结构进行改造计算不满足要求的节点核心区剪压比、节点抗剪承载力及梁支座钢筋大都能满足要求，不需要进行加固。一层7/D轴柱节点核心区剪压比对比见表6。改造前后抗震构造措施对应的抗震等级均为四级，未发生改变，不需要进行针对抗震构造措施的加固，大大减少了加固量，经济优越性明显。

表5 改造前后一层地震剪力对比Table 5 Comparison of seismic shear force of the first floor before and after retrofitting

表6 7/D轴柱节点核心区剪压比对比Table 6 Comparison of shear compression ratio in the core area of 7/D column joints

4.3 加固内容

按要求在剪力墙的端部增加构造边缘构件，原框架柱作为新增剪力墙的端柱。根据计算，小墙段剪力墙端柱原配筋能满足承载力要求，部分剪力墙端柱（共3个柱，JGZ1—JGZ3，见图3）配筋与需求量相差较大，不满足承载力要求，采用加大截面法进行加固。另一方面，根据剪力墙抗震等级三级的构造要求，端柱中箍筋最大间距为150 mm，原框架柱箍筋间距为100 mm/200 mm，对于纵筋满足要求的原框架柱在原柱非加密区范围内采用外套箍筋的方法进行加固。另外，与新增剪力墙相连的框架梁端梁顶配筋增大，尤其是靠近剪力墙一端位于原框架梁跨中附近时，原跨中梁顶配筋比支座处少，导致梁顶配筋不满足承载力要求，采用在梁顶（JGL1—JGL6，见图3）增加配筋的方式进行补强（图4）。

图4 框架梁JGL1梁顶增加配筋做法（单位：mm）Fig.4 The practice of adding reinforcement to the top of the JGL1 beam at the end of the shear wall on the second floor （Unit：mm）

荷载分项系数调整和结构安全等级调整对受抗震工况控制的结构构件截面的配筋没有影响。本工程框架梁跨中截面和顶层构件配筋多为非抗震工况控制，对结构安全等级、荷载作用分项系数调整后，梁按T型截面以及双筋进行承载力复核，大部分构件承载力都能满足要求，对个别不满足要求的构件进行加固。

原结构基础为柱下独立基础，地基持力层为第4层强风化泥灰岩，地基承载力特征值为550 kPa，对新增剪力墙下条形基础（图5）进行加固。