某高層建筑抗震設防類別提高后加固設計

馮遠麗

(貴州省建筑設計研究院，貴州貴陽550002)

1 工程概況

1.1 建筑現狀

某高層公寓樓位于貴州省貴陽市金陽新區，建筑面積1.8×104m2，地下 2 層，層高分別是 4 .4m、5.5m，地面上 2 5層，1至3層層高4.2m，4層層高4.5m，以上各層層高3.0m，房屋檐口高度80.1m。結構型式為鋼筋混凝土框架－剪力墻結構，樓蓋為全現澆一般鋼筋混凝土梁板結構，基礎型式為人工挖孔樁，基礎持力層為中風化白云巖，基礎平均埋深9.9m。該建筑工程所建地抗震設防烈度6度第1組，設0.05g，計基本地震加速度值為 抗震設防類別為標準設防類(丙類)，場地土類別為Ⅱ類，基本風荷載值0.35 kN/m2。

1.2 建筑使用功能改變

公寓樓設計時間為2008年3月，設計當初大樓功能定性為普通公寓樓。原設計依據GB 50223－2004《建筑工程抗震設防分類標準》，抗震設防類別定義為標準設防類即丙類，根據GB 50011－2001《建筑抗震設計規范》第6.1.2強條表6.1.2，結構抗震等級:框架3級、剪力墻3級。

2009年10月當公寓樓修建至第10層時，建設單位提出改變公寓樓使用功能，擬由普通公寓樓改為學生公寓樓及學生餐廳使用。當時正逢我國經歷了2008年“5·12”汶川8.0級特大地震，造成特大人員傷亡及大量房屋建筑垮塌，其中，中小學學校建筑破壞嚴重，部分校舍倒塌，據初步統計，該次地震造成四川地震區受損學校數約13 779處，總面積21 900×104m2，其中嚴重破壞校舍面積約占38%約8 322×104m2，倒塌校舍面積約占3.8%約832×104m2。國家領導及教育部決定:痛定思痛，吸取教訓，全面提高我國學校建筑的抗震能，《力 因此很快調整了當時執行的 建筑工程抗震設防分類標準》及《建筑抗震設計規范》，意在提高學校建筑的安全度。

2 抗震類別、構造等級提高

修改設計時間2009年11月，按照修改后的GB 50223－2008《建筑工程抗震設防分類標準》第6.0.8條“教育建筑中幼兒園、小學、中學的教學用房以及學生宿舍和食堂，抗震設防類別不低于重點設防類”及黔建設通【2009】428號文件要求“中學的學生宿舍、餐廳抗震設防類別不低于重點設防類”，再根據GB 50223－2008《建筑工程抗震設防分類標準》第3.0.2強條，該公寓樓由原設計的標準設防類提高至了重點設防類，再根據GB 50223－2008《建筑工程抗震設防分類標準》第3.0.3－3強條“重點設防類應高于本地區抗震設防烈度一度的要求加強其抗震措施;……同時應按本地區抗震設防烈度確定其地震作用。”因此按照調整后設計規范，該公寓樓需按7度加強抗震構造措施，同時按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.1.2強條表6.1.2，框架、剪力墻抗震等級由原設計的三級提高至了二級。

3 按照提高后的結構抗震類別及構造等級復核原設計

根據建設進度，建設單位提出調整房屋建筑使用功能之時，大樓已經修建至地面上10層，因此需對房屋建筑的底部加強部位，－9.90m～17.15m標高即地下室－2層至地面上4層框架及剪力墻抗震構造措施進行復核，復核結果如下。

(1)軸壓比限值，按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.3.7條(表6.3.7)，原設計框架柱抗震等級3級，軸壓比控制限值為0.95，提高至2級后其軸壓比限值為0.85;原設計剪力墻抗震等級3級，設計當初規范對3級剪力墻軸壓比沒有要求，提高至2級后按照GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.4.5條其軸壓比限值為0.60。經復核結構計算結果，查實原設計框架柱、剪力墻軸壓比均在新規范限值內，因此框架柱、剪力墻截面尺寸滿足新規范要求，無需加固。

(2)框架柱配筋率，按照 G B 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.3.8強條(表6.3.8－1)規定，提高至2級后框架柱最小配筋率:角柱1.0%、中柱、邊柱0.8%，經復核原設計框架柱配筋率滿足新規范規定，無需加固。

(3)剪力墻截面厚度，需滿足GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.4.1條規定，經復核原設計剪力墻截面厚度滿足新規范規定，無需加固。

(4)剪力墻構造邊緣構件及約束邊緣構件設置復核，原設計剪力墻抗震等級3級，結構全高僅需設置構造邊緣構件，剪力墻抗震等級提高至2級后，根據 GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.4.6－1條，需在“抗震墻結構，一、二級抗震墻底部加強部位及相鄰的上一層……設置約束邊緣構件”，即在建筑的－9.90～17.15m標高設置約束邊緣構件。由于原來設計時規范對此沒有要求，因此設計當初剪力墻未設置約束邊緣構件，故需復核該部位邊緣構件配筋及配箍是否滿足約束邊緣構件要求。

(5)約束邊緣構件配筋及配箍率需滿足GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規范》第6.4.7條規定，故原設計邊緣構件的實際配筋配箍需按照第6.4.7條進行補足，對已經施工完畢而又需要補足的約束邊緣構件，目前只有采用補強加固措施進行補足。

復核結果表明:該建筑整體結構體系、剛度、樓層位移比及多數結構構件的原設計截面及配筋等均能滿足業主調整大樓使用功能后相關設計規范的要求，僅有部分剪力墻約束構件配筋或配箍不滿足要求，需進一步進行加固處理。

4 補強計算

4.1 剪力墻約束邊緣構件縱筋及箍筋均不滿足時節點補強計算

以圖1為例:原設計剪力墻混凝土強度等級C40，剪力墻墻肢軸壓比0.45，剪力墻墻肢長度兩側分別是 hw=2 400mm、1 300mm，約束邊緣構件范圍長度按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》表6.4.7要求:lc=0.15hw=0.15×2400=360mm、0.15×1300=195mm，約束邊緣構件配箍特征值λv為0.20。另按照《抗震規范》圖6.4.7轉角墻(L形墻)轉角部位bf需≥300mm，因此本轉角約束邊緣構件設計lc=750、600mm。根據《抗震規范》第6.4.7條:二級抗震墻約束邊緣構件在設置箍筋范圍內縱向配筋需達到:

0.010Ac=3150mm2，

(其中Ac=300×600+300×450=315000mm2)

而原設計該約束邊緣構件實際配置縱筋為18φ12，配筋面積As1=2 036mm2，故還需增加縱筋面積As=3150－2036=1 114mm2，配筋不足率達－35.37%。

設計采用在墻肢外側粘貼鋼板的方式進行補足。在約束邊緣構件轉角處豎向外貼2根角鋼 75×5，增加縱筋面積:As2=741×2=1 482mm2。

粘貼角鋼后構件配筋率達到:

(As1+As2)/Ac=(2036+1482)/315000=1.11% ＞1.0%

因此粘貼2處角鋼 75×5后，約束邊緣構件的縱筋配筋率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》第6.3.12條，約束邊緣構件配箍率需達到ρv=fc/fy=0.20×14.3/210=0.0136=1.36%。而此部位實際配箍為φ12@150，配箍率僅有:

3060×1131×10/(As0×1000×1.5)=0.88%

(其中，原箍筋長度lc=3 060mm，邊緣構件凈面積As0=260×1010=262 600mm2)

配箍率不足率達到－35.29%。

設計采用在墻肢外側水平粘貼鋼板－100×4@400(鋼板中到中距離)的方式進行補足。通過粘貼鋼板，增加配箍率:lc×100×4×2.5/(As0×1000)=1.03%

(增加扁鋼長度 lc=750×2+600×2=2 700mm，扁鋼@400即每1m增加2.5道扁鋼)

粘貼水平鋼板補強后配箍率達到:0.88%+1.03%=1.91%＞1.36%

因此粘貼水平鋼板－100×4@400后，約束邊緣構件配箍率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》要求。

圖1 縱筋及箍筋均不滿足時節點補強計算

4.2 剪力墻約束邊緣構件僅配箍不滿足時補強計算

以圖2為例:原設計剪力墻混凝土強度等級C40，剪力墻墻肢軸壓比為0.47，剪力墻墻肢長度hw=2 000mm，約束邊緣構件范圍長度按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》表6.4.7要求，lc=0.15hw=0.15×2000=300mm，約束邊緣構件的配箍特征值 λv為0.20。另按照《抗震規范》圖6.4.7，轉角墻(L形墻)轉角部位bf需≥300mm，因此本轉角約束邊緣構件lc=600mm。

圖2 僅箍筋不滿足時的節點補強計算

根據《抗震規范》第6.4.7條，二級抗震墻約束邊緣構件在設置箍筋范圍內縱向配筋需達到:0.010Ac=2 700mm2

(其中Ac=300×600+300×300=270 000mm2)

原設計該約束邊緣構件實際配置縱筋為16φ16，配筋面積 As1=3 218mm2，As1＞0.010Ac，縱筋配筋率滿足 GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》第6.3.12條，邊緣構件配箍率需達到 ρv=fc/fy=0.20×14.3/210=0.0136=1.36%。而實際配箍為φ12@125，配箍率僅有:

2760×1131×10/(As0×1000×1.25)=1.11%

(其中，原箍筋長度lc=2 760mm，邊緣構件凈面積As0=260×860=223 600mm2)

配箍率不足率達到－18.38%。

設計采用在墻肢外側水平粘貼鋼板－100×4@400(鋼板中到中距離)的方式進行補足。通過粘貼鋼板，增加配箍率:

2400×100×4×2.5/(As0×1000)=1.07%

(增加扁鋼長度lc=600×4=2 400mm，扁鋼@400即每1m增加2.5道扁鋼)

粘貼水平鋼板補強后配箍率達到:1.11%+1.071%=2.18%＞1.36%

因此粘貼水平鋼板－100×4@400后，約束邊緣構件配箍率滿足GB 50011－2001(2008年版)《抗震規范》要求。

5 補強加固措施

(1)墻肢邊緣構件縱筋配筋不足、縱筋及箍筋均不足時采用在約束邊緣構件范圍橫向粘貼扁鋼、豎向轉角粘貼角鋼的方式進行補足，扁鋼及角鋼采用φ6錨栓固定于原有墻肢上。補強大樣詳圖1。

(2)墻肢邊緣構件僅配箍不足時采用在墻肢邊緣構件范圍橫向粘貼扁鋼－100×400的方式進行補足，扁鋼用φ6錨栓固定于墻肢上。補強大樣詳圖2。

6 加固施工技術要點

圖3 加固鋼板及角鋼與基礎的連接

(1)需加固約束邊緣構件豎向鋼板及角鋼與基礎的連接按圖3大樣要求施工，柱腳處用角鋼 75×5將豎向鋼板及角鋼固定于原有墻肢及基礎上，用M16錨栓將角鋼固定于基礎上，且角鋼內側全長灌注環氧樹脂。

(2)需加固約束邊緣構件豎向鋼板及角鋼在樓層標高處連接按圖4大樣要求施工，在樓板上下面標高處用角鋼

75×5將豎向鋼板及角鋼固定于原有墻肢，并用M16穿墻錨栓對穿連接。

圖4 加固鋼板及角鋼與梁、板的連接

(3)技術要求:

①應將原剪力墻墻肢截面的棱角打磨成半徑r＞7mm的圓角;

②外貼型鋼的注膠應在型鋼架焊接完成后進行;

③外貼型鋼的膠縫厚度宜控制在3～5mm;

④型鋼表面應抹厚度不小于25mm的高強度等級水泥砂漿(應加鋼絲網防裂)作為防護層。

7 結束語

當前，有不少建筑因設計功能的改變或設計本身的不足，需按照國家現行設計規范進行復核及加固。本工程由于大樓使用功能改變，建筑抗震設防類別及抗震構造等級提高，設計采用在剪力墻約束邊緣構件外粘貼豎向扁鋼、角鋼及水平扁鋼的方法進行加固補強，加固處理后的結構既滿足現行規范要求，又較好的滿足了建筑功能的需求。本工程在2010年8月已經施工完畢，投入使用。

［1］ JGJ 3－2002高層建筑混凝土結構技術規程［S］

［2］ GB 5011－2008建筑抗震設計規范［S］

［3］ GB 50367－2006混凝土結構加固設計規范［S］

［4］ ISSN 1002－8412工程抗震與加固改造［S］