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(xiàn)狀

某高層公寓樓位于貴州省貴陽市金陽新區(qū)，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(xiàn)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(jù)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(jù)GB 50011－2001《建筑抗震設計規(guī)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(jù)初步統(tǒng)計，該次地震造成四川地震區(qū)受損學校數(shù)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(zhí)行的 建筑工程抗震設防分類標準》及《建筑抗震設計規(guī)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(jù)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(jù)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(qū)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(qū)抗震設防烈度確定其地震作用。”因此按照調整后設計規(guī)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(guī)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(jù)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(guī)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(guī)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(guī)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(guī)范限值內，因此框架柱、剪力墻截面尺寸滿足新規(guī)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(guī)范》第6.3.8強條(表6.3.8－1)規(guī)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(guī)范規(guī)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(guī)范》第6.4.1條規(guī)定，經復核原設計剪力墻截面厚度滿足新規(guī)范規(guī)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(jù) GB 50011－2001(2008年版)《建筑抗震設計規(guī)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(guī)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(guī)范》第6.4.7條規(guī)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(shù)結構構件的原設計截面及配筋等均能滿足業(yè)主調整大樓使用功能后相關設計規(guī)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(jié)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(guī)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(guī)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(jù)《抗震規(guī)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(guī)范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)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(guī)范》要求。

圖1 縱筋及箍筋均不滿足時節(jié)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(guī)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(guī)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(jié)點補強計算

根據(jù)《抗震規(guī)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(guī)范》要求。

按照GB 50011－2001(2008年版)《抗震規(guī)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(guī)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(huán)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(xiàn)行設計規(guī)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(xiàn)行規(guī)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(guī)程［S］

［2］ GB 5011－2008建筑抗震設計規(guī)范［S］

［3］ GB 50367－2006混凝土結構加固設計規(guī)范［S］

［4］ ISSN 1002－8412工程抗震與加固改造［S］