高烈度地震区医疗建筑改造结构加固设计要点

2024-01-02黄俊

广东土木与建筑 2023年12期

关键词：剪力墙单体抗震

黄俊

（广东省城乡规划设计研究院有限责任公司广州 510290）

0 引言

为满足广大人民群众的就医需求，缓解当地原有医院的看病压力，新疆某地块商业建筑群拟改建为医院的新院区，充分发挥原建筑的“余热”，本项目为该地重点民生工程之一。

工程位于新疆喀什地区，功能定位为二级甲等综合医院，总建筑面积约7 万m2。建筑所在地地震烈度较高，建筑的安全性能要求高。本文详细介绍了项目改造结构设计的过程，探讨该类型改造项目中一些问题的处理思路。

1 工程概况

原商业建筑于2012 年投资兴建，为一大型商贸城。该商业建筑采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，天然独立基础，地上两层，局部地下1 层，商贸城由24 个建筑单体相连接而组成。项目主要的首层层高为4.5 m，二层层高为4.2 m，屋面为不上人屋面。

结构单体主要采用正交主次梁板楼盖，开间主要跨度为8.4 m、9.0 m 等，进深主要跨度为9.9 m、10.0 m等。框架柱的截面尺寸有500 mm×500 mm、400 mm×500 mm 等，框架梁截面尺寸主要为250 mm×800 mm、300 mm×800 mm 等，楼板主要为120 mm 厚现浇钢筋混凝土楼板。上部结构框架柱及剪力墙的混凝土设计强度等级均为C30，首层室内地面为素混凝土，二层至天面层梁板的混凝土设计强度等级为C25。梁柱的纵向钢筋采用Ⅲ级钢筋，梁柱箍筋采用Ⅰ级钢筋；板钢筋为Ⅰ级钢筋。

改造后建筑设防类别调整为重点设防类（乙类）建筑，由于抗震设防类别及建筑功能的改变，原设计中的抗震构造措施与配筋均有不足的情况。同时因为建筑功能需要，需凿除少量抗震墙，因此需要对结构进行加固设计。改造后的项目整体效果如图1 所示，结构单体分块如图2所示，典型结构单体结构布置如图3所示。

图1 项目效果Fig.1 Project Rendering

图2 结构单体分块Fig.2 Block of Structural Unit

图3 典型结构单体结构布置Fig.3 Typical Single Structure Layout

2 结构可靠性鉴定概况

根据检测单位出具的可靠性鉴定显示：①结构地基基础工作状态基本正常；②未发现该建筑主体结构存在因结构受力或变形引起的明显可见裂缝或损伤，但部分楼板存在开裂、渗水等缺陷；③建筑物结构布置大部分都与原设计相符；④根据钻芯法检测的结构构件，混凝土的抗压强度值满足设计强度等级要求；⑤根据钢筋扫描结果，钢筋配置满足原设计要求；⑥该建筑安全性等级评定为Bsu级，正常使用性等级评定为Bss级，可靠性等级评定为Ⅱ级。

3 结构加固设计基本条件

⑴本工程加固部分后续使用年限定为50 年，为C 类建筑，按现行《建筑抗震设计规范（2016 年版）：GB 50011—2010》［1］的要求进行抗震鉴定、修复。

⑵本工程抗震设防烈度为8 度（0.3g）。本工程为医疗类建筑，抗震设防类别为重点设防类（乙类），按9度采取抗震措施。

⑶按9度采取抗震措施后，原框架梁柱构件大多数的构造措施（如钢筋锚固长度，箍筋间距和直径等）均不能满足二级抗震等级要求。

针对该实际情况，结合文献［1］附录M 的相关内容，本次抗震加固设计中梁柱按性能3水准要求执行，即梁柱构件的承载力按提高一度（9度地震力，二级抗震措施）要求进行复核，部分梁柱构件承载力不足处采用适当的加固方式进行加固，复核加固后抗震构造措施按降低一度采用［1-2］。

剪力墙构造措施基本能满足一级抗震要求，因此剪力墙构件未按性能3水准执行，仍按原地震烈度（8度地震力，一级抗震措施）进行复核。结构抗震等级及性能说明如表1所示。

表1 结构抗震等级及性能说明Tab.1 Structural Seismic Grade and Performance Description

⑷楼面的恒活载均按常规医疗建筑取值；基本风压值ωo=0.55 kN/m2；基本雪压值So=0.45 kN/m2。综合考虑建筑功能改造的灵活性及经济型，内隔墙除特殊空间外均考虑采用轻质墙板分隔，减轻建筑物自重。

4 结构加固改造设计

4.1 整体结构计算

本工程结构分析采用PKPM 系列软件JDJG 计算软件。加固设计计算模型按改造后的建筑设计图纸结合原设计图纸及竣工资料等建立了改造模型，除改造范围内的结构布置改变外，其余布置均与原设计一致。混凝土强度等级按原有施工图设计值、鉴定报告实际检测值输入计算。梁、柱截面尺寸和定位按竣工图纸以及加固后实际截面输入。部分单体结构扭转位移比较大，考虑增设少量剪力墙方式调整，所增设剪力墙用植筋方式与原有柱及基础梁连接。结构荷载布置按改造后的建筑布局，施加均布荷载和墙体线荷载。

经过验算本工程各项整体指标均能满足相关规范的有关要求或未超出规范规定的最大限值；墙柱的轴压比和各构件的强度及变形也能满足规范的要求。典型结构单体的位移指标如表2所示。

表2 典型结构单体的位移指标Tab.2 Displacement Index of Typical Structural Units

4.2 大震性能化分析

采用动力弹塑性计算软件PKPM-SAUSAGE 对结构模型补充大震弹塑性分析。大震下地震波选取1条人工波，2 条天然波。各波主方向加速度峰值调至510 cm/s2，次方向加速度峰值调至433.5 cm/s2，对结构X、Y两个方向分别作用各波主方向计算。

构件的损伤主要以混凝土的受压损伤因子、受拉损伤因子及钢材（钢筋）的塑性应变程度作为评定标准，对应《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010》［3］5个水准，性能水准标准如图4所示。

图4 性能水准标准Fig.4 Performance Level Standards

根据典型单体结构的性能化计算结果可得，在大震工况下，框架梁主要为轻微损坏或轻度损坏；首层框架柱主要为轻微损坏或轻度损坏，二层框架柱主要为轻度损坏或中度损坏；剪力墙大部分为轻度损坏，局部出现中度损坏及重度损坏，设计加固过程中对这些墙体采用外包钢条的做法，增强其抗震性能。同时，在大震工况下，该单体的X向最大层间位移角为1/236，Y向最大层间位移角为1/235，均不大于《建筑抗震设计规范（2016 年版）：GB 50011—2010》［1］1/100 的限值。综上计算，可知该结构可满足在大震下不倒的目标。

4.3 结构加固具体措施

进行加固设计时，将原结构施工图和现模型的计算结果进行对比和分析，用概念设计结合改造范围内的结构构件承载力验算这两方面进行结构加固改造设计［4-5］。

4.3.1 基础部分

经验算，原地基的承载力可满足改造后建筑的要求，不进行基础加固。

4.3.2 柱加固部分柱子按9 度地震力进行验算，经验算部分柱承载能力不满足要求。柱子采用包角钢加固做法，其大样如图5所示。

图5 柱包角钢加固大样Fig.5 Detailed of Column Wrapped Angle Steel Reinforcement （mm）

4.3.3 梁加固部分

框架梁按9 度地震力进行验算，部分承载能力不满足要求。对于承载力不足的梁采用粘贴钢板加固法进行加固；部分梁截面不足，采用梁加大截面法对梁进行加固［6-7］。其大样做法如图6所示。

图6 梁粘贴钢板加固大样Fig.6 Detailed of Beam Pasting Steel Plate Reinforcement （mm）

4.3.4 剪力墙

经验算，部分剪力墙承载能力不满足要求，首层墙体主要为剪力墙截面不足，二层墙体主要为配筋不足。因此，首层墙与墙边缘构件主要采用增大截面法加固，二层墙与墙边缘构件主要采用粘贴钢板加固法，做法实拍如图7、图8所示。

图7 加固实拍Fig.7 Actual of Reinforcement

图8 剪力墙门洞加强大样Fig.8 Detailed of Shear Wall Door Opening Reinforcement

此外，局部的剪力墙因为建筑功能的要求，需要增开门洞与完全拆除，因此采用了门洞加强与拆墙换梁的做法，大样如图9、图10所示。

图9 拆墙换梁做法大样Fig.9 Detailed of Wall Demolition and Beam Replacement

图10 粘碳纤维布加固做法实拍Fig.10 Actual of the Reinforcement Method Using Carbon Fiber Cloth

4.3.5 楼板

经验算，部分板承载力不满足鉴定要求，采用粘碳纤维布法进行加固，碳纤维布为300 g/m2（计算厚度0.167 mm），抗拉强度设计值为f=2 300 N/mm2，碳纤维布主要宽度为100 mm，做法实拍如图11所示。

4.4 BIM辅助设计

考虑医疗建筑设备管线繁多复杂的特点，本项目通过采用BIM 技术对管线碰撞进行了综合检查，及时发现了各类管线安装的碰撞问题，为结构加固方案的选择及设备各专业图纸的更正提供了准确的指导，对一些特殊区域较大的管线洞口开设提出预警，加固设计能同步进行考虑，避免了改造项目由于设备安装带来的较多结构安全隐患，效果良好。