強(qiáng)框架的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)加固上的應(yīng)用

劉 文 彬

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

強(qiáng)框架的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)加固上的應(yīng)用

劉 文 彬

(福建省建筑科學(xué)研究院，福建 福州 350025)

對(duì)結(jié)構(gòu)高度不高，抗震設(shè)防烈度不高地區(qū)的房屋采用強(qiáng)框架的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并與原結(jié)構(gòu)對(duì)比，表明此加固方法可明顯提高房屋整體抗震能力，縮小加固范圍，降低加固費(fèi)用，可為類似工程的測(cè)試提供借鑒。

框架—剪力墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)加固,扭轉(zhuǎn)位移比

0 引言

目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)正處于新舊動(dòng)能接續(xù)轉(zhuǎn)換、經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，為了適應(yīng)這種變化，部分企業(yè)正處于轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，同時(shí)廠區(qū)房屋的使用功能也需進(jìn)行變換以適應(yīng)轉(zhuǎn)型的需要，這樣勢(shì)必會(huì)改變房屋樓面的活荷載，當(dāng)活荷載變大時(shí)，房屋的安全性及抗震性能是否能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，是非常值得關(guān)注的。

1 工程概況

福建沿海地區(qū)7度(0.10g)抗震設(shè)防區(qū)某塑料制品廠區(qū)現(xiàn)有一座丙類設(shè)防的7層局部10層現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；房屋室內(nèi)外高差為0.2 m，1層層高為4.00 m，2層～9層層高均為3.20 m，10層層高為3.30 m；該房屋原設(shè)計(jì)為宿舍樓，現(xiàn)擬改造為備品配件倉(cāng)庫(kù)及住宅，房屋現(xiàn)狀見圖1，標(biāo)準(zhǔn)層建筑平面圖見圖2，圖3。

2 初步結(jié)構(gòu)分析

2.1 基本參數(shù)

該房屋局部8層建筑面積與7層建筑面積比約為0.4，參照GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析[1]第6.1.1條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議，房屋高度由室外地面算至房屋10層屋面，共計(jì)33.1 m，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[2]第2.1.1條規(guī)定，該房屋為高層建筑，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.3.1-1規(guī)定，該房屋為A級(jí)高度的高層建筑，其框架結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.9.3規(guī)定取為二級(jí)。

按結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及改變使用功能后的建筑平面布置圖進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析計(jì)算，分析樓板活荷載值按擬改變使用功能取為3.5 kN/m2，風(fēng)荷載該地區(qū)按50年一遇的基本風(fēng)壓取0.70 kN/m2，地面粗糙度按該房屋所處地理位置取為B類，混凝土抗壓強(qiáng)度及鋼筋牌號(hào)按檢測(cè)報(bào)告取用，其中柱取為C30，梁取為C25，縱向受力鋼筋牌號(hào)按HRB335取用，箍筋牌號(hào)按HPB235取用，其余相關(guān)參數(shù)按照現(xiàn)行《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]取用。

2.2 計(jì)算結(jié)果

采用中國(guó)建研院編制的PKPM計(jì)算軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，分析結(jié)果如下：

1)扭轉(zhuǎn)位移比：Y方向在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力地震作用下，房屋1層～7層各樓層豎向構(gòu)件水平位移與層平均位移的比值、豎向構(gòu)件層間位移與平均層間位移的比值均超出《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條中A級(jí)高層建筑1.5的限值要求，其中第7層的比值最大，分別為1.67及2.03。

2)周期比：扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期與平動(dòng)為主的第一振型周期比為0.78，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條周期比0.9的限值要求。

3)剛度比：房屋第一層X方向塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者的比值為0.82，不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.2條要求，為薄弱層，應(yīng)按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.8條要求乘以薄弱層地震剪力放大系數(shù)1.25。

4)層間受剪承載力比：房屋X方向各層層間受剪承載力與上一層的承載力之比最小值為0.86，Y方向各層層間受剪承載力與上一層的承載力之比最小值為0.80，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.3條的要求。

5)層間位移比：風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比為1/891，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.7.3中框架結(jié)構(gòu)1/550的限值要求。

6)剪重比：滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.12條要求。

7)剛重比：該結(jié)構(gòu)剛重比Di×Hi/Gi>10,滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗(yàn)算；但該結(jié)構(gòu)剛重比Di×Hi/Gi<20，不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.1條的要求，應(yīng)該考慮重力二階效應(yīng)。

8)軸壓比：1層～4層大部分框架柱構(gòu)件的軸壓比超出《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.4.2中二級(jí)抗震等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)軸壓比0.75的限值要求。

9)大量框架柱、梁構(gòu)件抗震承載力不滿足要求。

2.3 結(jié)果分析及建議

由以上計(jì)算結(jié)果可知，該房屋結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比嚴(yán)重超限；剛重比不滿足，應(yīng)考慮重力二階效應(yīng)；大量框架柱、梁構(gòu)件抗震承載力不滿足要求，應(yīng)采取加固處理措施。

3 加固方法

該房屋加固的目的首先是要對(duì)結(jié)構(gòu)體形進(jìn)行調(diào)整，加強(qiáng)房屋在地震作用下抗扭轉(zhuǎn)能力，其次才是對(duì)框架柱、梁構(gòu)件的加固。

加強(qiáng)房屋在地震作用下抗扭轉(zhuǎn)能力可以增加周邊框架柱、梁的剛度，對(duì)框架柱、梁采用四邊擴(kuò)大截面的加固方法可以實(shí)現(xiàn)這種意圖，但加固范圍從1層～7層均需加固，加固范圍大，工程量大，費(fèi)用高，且嚴(yán)重影響建筑外立面美觀。

除了加強(qiáng)框架柱、梁的剛度外，也可以增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻，將房屋變成標(biāo)準(zhǔn)的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，為了滿足此種結(jié)構(gòu)的要求，根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8.1.3條第2款規(guī)定，在規(guī)定水平力作用下房屋底層框架部分承受的地震傾覆力矩應(yīng)控制在10%～50%之間，剪力墻承受較多地震傾覆力矩，可以形成兩道抗震防線，第一道防線是剪力墻，第二道防線是框架結(jié)構(gòu)，此種方法需要增設(shè)較多剪力墻，工程量較大，費(fèi)用較高，且剪力墻布置會(huì)影響改造后建筑功能的使用。

除上述方法外，也可以根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8.1.3條第3款規(guī)定將框架結(jié)構(gòu)房屋改造成強(qiáng)框架的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)在規(guī)定水平力作用下房屋底層框架部分承受的地震傾覆力矩應(yīng)控制在50%～80%之間，局部新增的少量剪力墻不能成為第一道抗震防線，房屋結(jié)構(gòu)仍為框架結(jié)構(gòu)，此種加固方法僅增加少量剪力墻就能大幅提高房屋整體抗扭能力，且范圍小，費(fèi)用較低，且剪力墻布置不會(huì)影響改造后建筑功能的使用，標(biāo)準(zhǔn)層新增剪力墻位置圖(見圖4)。

3.1 加固后計(jì)算結(jié)果

采用中國(guó)建研院編制的PKPM計(jì)算軟件進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析，分析結(jié)果如下，計(jì)算時(shí)框架抗震等級(jí)及軸壓比限值按框架結(jié)構(gòu)采用：

1)在規(guī)定水平力作用下房屋底層框架部分承受的地震傾覆力矩百分比X方向?yàn)?6.91%，Y方向?yàn)?4.15%，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第8.1.3條第3款規(guī)定。

2)扭轉(zhuǎn)位移比：Y方向在考慮偶然偏心的規(guī)定水平力地震作用下，房屋豎向構(gòu)件最大水平位移與層平均位移的比值為1.40、豎向構(gòu)件最大層間位移與平均層間位移的比值為1.40，大于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條中A級(jí)高層建筑1.2的要求，但未超出1.5的限值要求。

3)周期比：扭轉(zhuǎn)為主的第一振型周期與平動(dòng)為主的第一振型周期比為0.78，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.4.5條周期比0.9的限值要求。

4)剛度比：房屋第一層X方向塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者的比值為0.93，不滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.2條要求，為薄弱層，應(yīng)按照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.8條要求乘以薄弱層地震剪力放大系數(shù)1.25。

5)層間受剪承載力比：房屋X方向各層層間受剪承載力與上一層的承載力之比最小值為0.88，Y方向各層層間受剪承載力與上一層的承載力之比最小值為0.86，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.5.3條的要求。

6)層間位移比：風(fēng)荷載或多遇地震標(biāo)準(zhǔn)值作用下的樓層層間最大水平位移與層高之比為1/877，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表3.7.3中框架結(jié)構(gòu)1/550的限值要求。

表1 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算對(duì)比結(jié)果

7)剪重比：滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第4.3.12條要求。

8)剛重比：該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>1.4, 滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.4條的整體穩(wěn)定驗(yàn)算；該結(jié)構(gòu)剛重比EJd/GH2>2.7，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.4.1條的要求，可以不考慮重力二階效應(yīng)。

9)軸壓比：僅一層部分框架柱構(gòu)件的軸壓比超出《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》表6.4.2中二級(jí)抗震等級(jí)的框架結(jié)構(gòu)軸壓比0.75的限值要求。

10)僅一層部分框架柱、梁構(gòu)件抗震承載力不滿足要求。

3.2 加固前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比

將上述原結(jié)構(gòu)及加固后整體計(jì)算結(jié)果匯總(見表1)。

從表1的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，采用局部新增的少量剪力墻可以大幅提高地震作用下房屋的整體抗扭能力，降低了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)位移比，改善各層剛度比、層間受剪承載力比及剛重比，明顯減少不滿足軸壓比要求的框架柱構(gòu)件數(shù)量，顯著減少不滿足抗震承載力要求的框架柱、梁構(gòu)件數(shù)量，從而縮小加固范圍，降低加固費(fèi)用。

4 結(jié)論與建議

強(qiáng)框架的框架—剪力墻結(jié)構(gòu)雖然布置有少數(shù)剪力墻，但它不能和框架結(jié)構(gòu)形成兩道抗震防線，因此在新建的A級(jí)高層建筑一般很少采用，但在加固工程中，對(duì)于結(jié)構(gòu)高度不高，抗震設(shè)防烈度不高的地區(qū)，為了盡量縮小加固范圍，降低加固費(fèi)用，較少對(duì)建筑使用功能的影響，此種結(jié)構(gòu)可以做為一種較好的選擇。

[1] 朱炳寅.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用與分析GB 50011—2010[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)[S].

[4] GB 50010—2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)[S].

[5] 朱炳寅.高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程應(yīng)用與分析JGJ 3—2010[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

Application of frame-shear wall structure with strong frame in structural strengthening

Liu Wenbin

(FujianAcademyInstituteofArchitectureScience,Fuzhou350025,China)

In this paper, structure height is not high, low seismic fortification intensity area with the strong frame-shear wall structure reinforcement, and the reinforcement method can significantly improve the anti-seismic capacity of the whole house shows that comparing with the original structure, narrowing the scope of reinforcement, reinforcement can reduce the cost, which can be used for reference for similar projects.

frame-shearwall structure, strengthening of structure, torsional displacement ratio

1009-6825(2017)22-0023-03

2017-05-28

劉文彬(1983- )，男，工程師

TU398.2

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