鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析

楊明飛 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)姜黎，徐穎，宗翔 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)涂剛要 (合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

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鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析

楊明飛 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)姜黎，徐穎，宗翔 (安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)涂剛要 (合肥建工集團有限公司，安徽 合肥 230088)

鋼筋混凝土框架結構辦公樓使用年限較長，結構進行過二次變更，業主要求對建筑局部進行再次改造，增加或拆除部分墻體，改變部分房間的使用功能，為了確保結構的安全可靠，因此需要對建筑目前的安全性進行診斷與分析。按照現行相關規范的要求對鋼筋混凝土框架結構梁、柱等主要受力構件的混凝土碳化和強度、鋼筋分布間距和保護層厚度、表觀質量和裂縫、構件截面尺寸以及混凝土質量缺陷等項目分別進行檢測，此外利用檢測數據對結構進行了ANSYS數值建模，靜、動力作用下對結構進行了測試與分析。綜合所有測試數據和數值分析結果，最終將現階段該框架結構的安全性等級評定為Bsu級，在此基礎上提出了改造加固意見，并建議進行定期跟蹤與測試。

鋼筋混凝土；安全性；混凝土碳化；數值建模；結構改造加固

圖1 框架辦公樓平面示意圖(單位：mm)

目前，全壽命周期設計的理念被提出并被廣泛接受，目的是希望在建或既有建筑除了在使用年限內滿足使用功能外，還要求結構在超越使用年限后，仍能夠保持或者經過適當的修復仍能保持其應有的功能及結構安全性，因此對既有建筑的安全性診斷與分析是十分必要的[1～3]。以某鋼筋混凝土辦公樓為例，對其安全性進行了評估。該辦公樓屬于框架結構，主體結構6層，局部7層，層高3.6m，如圖1所示。結構所處環境正常，基礎設計容許承載力為30t/m2。建筑在工程施工中曾經進行過變更：上層加層和局部設地下室，因此實際建筑與原始設計并不一致。整體建筑外觀無明顯的破損、不均勻沉降和傾斜現象，但是地下室存在個別透水點。業主方要求在建筑的一些局部進行重新分割，增加或拆除部分附屬墻體，對一些使用房間功能進行變更改造，但是不能影響建筑的安全使用。

根據《民用建筑可靠性鑒定標準》GB50292-2015、《混凝土結構工程施工質量驗收規范》 (GB50204-2015)、《建筑結構檢測技術標準》(GB/T50344-2004)、《混凝土中鋼筋檢測技術規程》(JGJ/T152-2008)等規范中的相關規定，對其進行安全性分析，為整體結構的改造加固提供依據。

1 結構原位檢測

圖2 地下室梁取芯位置

1)鋼筋混凝土構件取芯強度檢測。采用《鉆

芯法檢測混凝土強度技術規程》(CECS03：2007)進行了部分構件混凝土強度檢測，目的是對后續的混凝土回彈強度進行修正，取樣比例為30%。檢測方法：在選取適合取芯位置之前，對其進行回彈，再對取芯試樣進行抗壓強度試驗，將芯樣強度均值除以對應的回彈強度均值，得出修正系數。將構件現齡期混凝土強度推定值乘以修正系數得出構件混凝土齡期修正值[4]，其中梁取芯的具體位置如圖2所示。

按照規范要求對所取芯樣進行了力學測試，測試結果顯示，地下室梁混凝土強度推定值為51.79MPa，三層梁混凝土強度推定值為39.95MPa。

2) 鋼筋混凝土構件碳化深度檢測。隨機抽取混凝土構件進行碳化深度檢測，抽檢比例為回彈測區的30%，目的是修正混凝土的回彈強度[5]。碳化深度抽樣測試部位涵蓋了地下室、三層、四層梁、柱等構件。碳化深度測試結果顯示，地下室梁、柱混凝土平均碳化深度分別為5.5、6.0mm；三層梁、柱混凝土平均碳化深度分別為5.0、7.5mm；四層梁、柱混凝土平均碳化深度分別為7.0、7.5mm。

3) 鋼筋混凝土構件強度回彈檢測。根據該建筑結構類型及現場實際情況，依據國家標準《建筑結構檢測技術標準》(GB/T50344-2004)及行業標準《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》(JGJ/T23-2011)，對該工程混凝土構件進行隨機抽樣(抽樣比例30%)，采用回彈法對其現齡期混凝土抗壓強度進行了批量檢測[6]，回彈測區如圖3所示。

圖3 混凝土回彈測區分布

從圖3(a)可以看出，混凝土柱表面的抹灰層較厚，鑿開后發現除了抹灰以外，柱表面存在一層明顯的砂漿層，厚度為30mm以上，說明該框架結構的混凝土柱子經過二次的加固處理，回彈過程中應剔除該加固層。從圖3(b)中可以看出，這種加固方法在梁中未出現。測試結果(數據經過芯樣混凝土的強度和碳化修正)：地下室梁、柱混凝土強度修正值分別為34.62、34.22MPa；三層梁、柱混凝土強度修正值分別為29.99、29.26MPa；四層梁、柱混凝土強度修正值分別為29.26、31.2MPa。綜合混凝土回彈的測試結果，可以確定該框架結構混凝土達到C30的強度等級。

4) 鋼筋混凝土構件鋼筋間距檢測。采用P.S-1000混凝土結構掃描儀(工程雷達)、一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)和鋼尺對鋼筋混凝土框架結構辦公樓的主要構件(梁、柱)內部鋼筋間距進行檢測，抽檢比例為2%[7～9]。根據《混凝土結構設計規范》(GB50010-2010)及原始設計圖紙推定出梁柱內部鋼筋的原始間距，梁、柱的鋼筋加密區和非加密區間距分別為100、200mm。通過比較得出，地下室柱子縱筋、箍筋加密區和非加密區間距合格率分別為30%、66.7%和64.3%。；三層柱子縱筋、箍筋加密區和非加密區間距合格率分別為36.7%、58.1%和30%；四層柱子縱筋、箍筋加密區和非加密區間距合格率分別為36.7%、60.6%和38.6%；梁的縱筋、箍筋間距合格率相對較高，均達到60%以上。測試結果說明，該棟建筑的鋼筋間距合格率整體偏低。

5) 鋼筋混凝土構件保護層厚度檢測。采用一體式鋼筋掃描儀(HC-GY61)對該棟辦公樓主要構件(梁、柱)的鋼筋保護層厚度進行了批量檢測，抽檢按最低比例2%。與現行規范進行比較，檢測結果顯示，地下室梁、柱保護層厚度合格率分別為50%、33.3%；三層梁、柱保護層厚度合格率分別為20.8%、33.3%；四層梁、柱保護層厚度合格率分別為25%、8.3%。結構的保護層合格率低，不滿足規范要求，但是檢測過程中發現除保護層外，構件表面仍有一層砂漿層(推測是二次加固形成的)，對鋼筋也可以起到保護作用。

6) 鋼筋混凝土構件裂縫檢測。采用KON-FK(A)裂縫寬度測定儀對框架辦公樓主要構件的表面裂縫進行了檢測，發現整棟建筑外墻面可見位置布滿干縮裂縫，造成建筑部分位置出現滲水點，內部發現少量的非受力性裂縫，但是檢測表明地下室滲水點并非裂縫造成，而是穿入地下室管道的接口密封破壞，典型的裂縫如圖4所示。

圖4 結構裂縫情況

由圖4(a)可以看出，地下室的2根橫梁的抹灰層出現裂縫，呈現縱向分布，初步判斷屬于非受力性裂縫。其中，裂縫平均寬度最大為0.79mm，長度100cm。在鑿開水泥砂漿抹灰層的過程中，發現被鑿開的一個柱子中有2根內部出現了裂縫，如圖4(b)所示。但裂縫并沒有擴展趨勢，屬于陳舊裂縫，對結構安全無明顯影響。

圖5 地下室梁箍筋銹蝕

7) 鋼筋混凝土構件截面尺寸檢測。采用鋼尺對框架結構辦公樓主要構件(梁、柱)截面尺寸進行了批量檢測[6]，依據《混凝土結構工程施工質量驗收規范》(GB50204-2015)和《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)進行測試，抽檢最低比例為10%。測試結果顯示：地下室，三層及四層梁、柱的截面尺寸合格率在90%以上，符合設計要求。

8) 鋼筋銹蝕檢測。對建筑保護層厚度檢測過程中，發現個別梁中存在箍筋裸露情況，并且銹蝕較為嚴重，如圖5所示。

圖6 工程雷達三維掃描圖像

從圖5可以看出，梁的箍筋3處出現外露情況，由于地下室相對潮濕，鋼筋的銹蝕被加速，但是這種情況在其他樓層未被發現，為了不影響結構的安全，檢測未對銹蝕鋼筋進行鑿開。

9) 混凝土內部缺陷檢測。雷達檢測法是一種無損檢測技術，具有快速、無損、能連續檢測、檢測結果直觀等特點，該方法已經越來越廣泛地應用于土木工程的各個領域。檢測采用P.S-1000混凝土結構掃描儀(工程雷達)，對構件混凝土開裂、酥松等質量缺陷進行了三維掃描[10～12]，部分掃描結果如圖6所示。

從圖6可以看出，縱筋、箍筋分布均勻，混凝土介質分布連續，未發現明顯質量缺陷。

2 結構數值建模分析

1) 靜力分析。使用有限元軟件ANSYS對該框架結構進行了數值建模，框架梁、柱均選擇beam188單元，模型選用雙線性隨動強化模型，樓板選擇shell63單元模擬，按照實測數據，混凝土采用C30，在靜力荷載作用下，結構的受力如圖7所示。

圖7 框架結構靜載受力圖

從圖7可以看出，結構在靜力荷載的作用下最大應力僅為3.15MPa，最大豎向變形為2.1mm，滿足靜力承載的要求。

2) 動力分析。為了得到框架結構辦公樓的動力特性，利用有限元軟件對結構進行了分析，得出結構的前2階振型，如圖8所示。

由圖8可以看出，受檢框架結構辦公樓一階、二階振型均以平動為主，其自振頻率分別為1.742Hz和1.843Hz，符合框架結構的動力屬性特點。

考慮到淮南地區7度抗震設防，利用峰值加速度為220gal的3條地震波(Elcentro波、Taft波和人工波)對結構進行了三向激勵，結果顯示結構滿足變形及強度要求。以Elcentro波作用下，結構整體受力和頂點位移為例進行說明，如圖9所示。

圖8 結構振型圖

圖9 框架結構受力與位移時程

從圖9可以看出，在Elcentro波激勵下，結構的最大應力出現在底層，其值為68.6MPa，頂層最大位移為162.4mm，層間最大相對彈塑性位移角為1/218，與現行《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)進行對比可知，結構滿足彈塑性位移角限值為1/50的要求[13]。

3 結構安全性鑒定

3.1 第1層次鑒定[構件安全性評級au、bu、cu、du]

1) 混凝土結構構件。根據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.2節[7]，鋼筋混凝土梁、柱的回彈強度達到C30，外觀無明顯缺陷，連接方式正確，無影響承載的撓度和裂縫等問題，同時考慮到結構已經進行過加固行為，因此將混凝土結構構件的安全等級評定為bu級。

2) 圍護系統。根據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第5.4節[7]，圍護系統中未出現明顯的非受力性裂縫或受力性裂縫，墻體高厚比符合國家現行規范的要求，工作無異常，該建筑的圍護系統安全性等級評定為au級。

3.2 第2層次鑒定[子單元安全性評級Au、Bu、Cu、Du]

1) 上部承重結構子單元。依據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.3節[7]，該建筑上部結構構件安全性等級評定為bu級的占80%以上，無du級，因此該建筑物上部承重結構子單元的安全性鑒定等級為Bu級。

2) 圍護系統子單元。該建筑物圍護結構構件承載力、圍護結構構造措施等均滿足規范要求，依據《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第7.4節[7]，圍護系統子單元安全性等級評定為Au級。

3.3 第3層次鑒定[鑒定單元(建筑)安全性評級Asu、Bsu、Csu、Dsu]

按照《民用建筑可靠性鑒定標準》(GB50292-2015)第9.1節的規定[7]，整棟建筑外觀完整，框架結構構件強度滿足要求，同時考慮到整棟建筑未出現沉降、開裂等現象，結合結構數值分析的結論，整體結構的安全性等級綜合評定為Bsu級。

4 結構改造加固建議

1) 施工之前應設計科學的施工方案，考慮改造對原結構的影響，尤其是原結構相關構件的受力影響，采取科學的施工順序。

2) 改變房屋使用功能時，建議增加120mm(或100mm)厚隔墻，同時當墻長大于5m(或墻長超過層高2倍)時，應該在墻長中部(遇有洞口在洞口邊)設置構造柱，滿足現行規范的要求。

3) 加固改造之前，首先解決地下室的漏水問題，施工應委托具有相應資質和有該方面施工經驗的施工隊伍，對于裸露的梁箍筋，建議采取保護措施，防止銹蝕加劇。

4) 嚴禁拆除框架結構主要受力構件，如果確需拆除，需經原設計單位設計并復核。

5 結論

既有建筑的改造是全壽命周期理念的一項重要工作，其基礎是首先明確既有建筑的安全狀況，進而采取合理有效的加固方式。以一鋼筋混凝土框架辦公樓為例進行了安全性診斷與分析，得出以下結論：

1) 以回彈法結合取芯修正是目前檢測混凝土強度的主要手段，以該方法對待檢混凝土進行了檢測，結果表明混凝土的強度等級達到C30的要求。

2) 工程雷達三維缺陷掃描結果能夠較為清晰的顯示混凝土內部質量均勻，無明顯缺陷，對混凝土強度的檢測結果是非常有效的補充。

3) 既有建筑承載力校核是鑒定結構安全的重要因素之一，利用ANSYS軟件，在靜力和動力載荷的作用下，對框架辦公樓結構進行了受力分析，證明了結構受力及變形均滿足現行規范要求。

4) 綜合現場檢測和數值分析的結果，整棟框架結構的安全性等級被評定為Bsu級，在此基礎上可以適當進行局部改造。

[1]李春霞，張曙紅，趙惠敏. 某鋼筋混凝土框架結構的鑒定與加固設計 [J].四川建筑科學研究，2005，31(3)：63～65.

[2]鐘光忠，牛寶，鄭曉東. 某RC框架結構辦公樓的震損分析與加固設計 [J].四川建筑科學研究，2012，38(6)：96～98.

[3]魏超. 某框架結構鑒定與局部加固 [J].四川水泥，2015(9)：81.

[4] CECS03：2007，鉆芯法檢測混凝土強度技術規程 [S].

[5] JGJ/T23-2011，回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程 [S].

[6] GB/T50344-2004，建筑結構檢測技術標準 [S].

[7] GB50292-2015，民用建筑可靠性鑒定標準 [S].

[8] GB50010-2010，混凝土結構設計規范 [S].

[9] GB50204-2015，混凝土結構工程施工質量驗收規范 [S].

[10] GB50367-2006，混凝土結構加固設計規范 [S].

[11]張鑫，李安起，趙考重.建筑結構鑒定與加固改造技術的進展 [J].工程力學，2011，28(1)：1～25.

[12]趙恩平，劉曉靜，孫春燕. 中小學校框架結構抗震鑒定及加固實踐總結 [J].土木工程與管理學報，2011，28(3)：98～102.

[13] GB50011-2010，建筑抗震設計規范 [S].

[編輯] 計飛翔

2016-09-25

安徽省高校自然基金重點項目(KJ2016A209)；安徽理工大學人才引進基金項目(ZY044)；住房和城鄉建設部科技計劃項目(2012-k2-39)。

楊明飛(1979-)，男，博士，副教授，現主要從事建筑結構安全性鑒定方面的教學與研究工作；E-mail：yangmf_aust@163.com。

TU375

A

1673-1409(2016)34-0004-06

[引著格式]楊明飛,姜黎，徐穎，等.鋼筋混凝土框架辦公樓安全性診斷與分析[J].長江大學學報(自科版)，2016,13(34)：4～9.