多層單跨框架結構加固設計應用研究分析

晏 偉

（中信設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

框架結構只要有一個主軸方向的框架全部為單跨框架時，即為單跨框架結構。由于歷史發(fā)展等因素，現(xiàn)存某些既有多層框架未進行抗震設計，存在結構體系不合理（如單跨框架）、材料強度不足、結構構件配筋不足或構造不合理、抗震墻布置間距過大或數(shù)量太少、主體結構與砌體部分拉結措施缺失或強度不足等問題，導致結構抗震性能較差，因此，為滿足使用要求，需要對其進行結構加固。

1 單跨框架結構加固設計理論分析

單跨框架結構會因為其耗能能力較弱，超靜定次數(shù)較少，在超過設防烈度的大震出現(xiàn)的情況下，極易因為單個豎向構件的破壞最終造成結構連續(xù)倒塌。在大部分地震中，建筑物會由于雙柱單跨框架結構的其一側柱破壞造成全樓倒塌。鑒于此，已有規(guī)范對單跨框架結構的應用作出了嚴格的規(guī)定。

然而，該類低層單跨框架結構一般在已建的學校、禮堂及小型活動房等人員密集場所出現(xiàn)，所以，其安全隱患不容小覷。但是基于目前不少震害所帶來的慘痛教訓，國家已出臺最新規(guī)范以及規(guī)定，該類問題也逐漸被人們所重視。我國對混凝土結構進行加固設計主要是遵循《混凝土結構加固設計規(guī)范》及《建筑抗震設計規(guī)范》、《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》等進行結構計算，但是就基本上都是對某一種或者某些結構進行計算，也就是說是對具體的事件進行具體的分析，決定首先在改變結構體系、增設多道抗震防線等手段的基礎上，對其實施加固處理，防止其在罕遇地震的過程中出現(xiàn)倒塌。

由此可見，給予達到上述加固目標的前提下，最為常見的加固手段是在部分框架柱間對混凝土剪力墻或斜撐進行增設。該類路徑可以科學優(yōu)化結構體系，增設的剪力墻、斜撐在一定程度上降低結構在預期地震過程中出現(xiàn)變形，同時在大震時成為關鍵的抗側力構件，最終強化綜合抗震水平，達到改造要求。但是值得注意的是建筑外觀、使用功能要求，剪力墻及斜撐的布置有著一定的局限性，最終會造成增設的剪力墻發(fā)生短肢，更有甚者，出現(xiàn)無處可加的情況。

2 單跨框架結構體系抗震加固路徑

在抗震加固時，單跨框架結構需基于構件加固，同時通過結構體系強化結構冗余度、改變結構體系受力范圍、強化抗震耗能等加固結構。

2.1 增設剪力墻加固

高層建筑中剪力墻通常應用普遍，可強化建筑抗側剛度，降低側移，優(yōu)化高層建筑的抗震性能。在低矮框架中使用該加固手段，能夠確保框架結構存在框架剪力墻的受力特點，強化抗震防線。新增設的剪力墻能可以承擔一定的地震荷載，最終強化抗震水平。在低矮建筑物中該手段可防止大多數(shù)繁雜的加固工程，降低梁、柱的加固數(shù)量，也大大緩解了對梁、柱構件的構造要求。

針對鋼筋混凝土框架結構房屋來說，其承載力極易滿足，大震出現(xiàn)的情況下，層間側移無法達到規(guī)范對側移變形的控制要求，需強化柱截面或增設剪力墻來強化抗側剛度。現(xiàn)如今，該路徑在低矮框架結構中得到了廣泛的應用。可優(yōu)化框架結構在大震作用下的底層較柔、側移較大的不足，強化結構抗震水平。

然而不可否定的是因為需增設剪力墻基礎，會影響原建筑影響，加固過程中需全面的基于分析結果和客觀條件來科學控制剪力墻數(shù)量。

2.2 增設框架柱加固

由于建筑物的懸挑外廊會引發(fā)結構的扭轉。帶懸挑外廊單跨框架結構的結構冗余度少，在地震時會出現(xiàn)較大的傾覆力矩，造成懸挑端柱軸力、彎矩增大，影響結構。

在懸挑端增設一排框架柱可確保結構由單跨結構變?yōu)閮煽缃Y構。該類路徑能夠依靠增設框架柱的手段，來全面的改造整體結構體系，確保傳力路徑的合理性，而不是單純的局部加固補強。與此同時，該路徑控制了結構冗余度，確保結構在地震出現(xiàn)的情況下有一個滿意的抗倒塌能力。另外，該路徑作為一類傳統(tǒng)的加固手段，造價低，施工工藝成熟，對原建筑的影響幾乎甚微。

總之，此方法的應用，可以把挑梁轉變?yōu)閮啥思s束支撐，需對節(jié)點處理，提高加柱后結構的整體性。

2.3 增設支撐加固

最為常用的支撐包括了混凝土支撐、普通鋼結構支撐、型鋼混凝土支撐以及屈曲約束支撐。而屈曲約束支撐的運用前景比較樂觀，能夠處理普通支撐的穩(wěn)定性不足，降低支撐的截面積，因為其降低了結構的剛度，也降低了結構地震作用，強化了結構延性性能和耗能水平。再者，該類屈曲約束支撐降低了加固工程量，控制了造價。

3 多層單跨框架結構加固設計應用研究分析

3.1 工程概況

該工程為某小學教學樓—I區(qū)，建造于2006年，建筑高度為21.30m，建筑面積約為2002.45m2。該項目建筑抗震設防類別為重點設防類（乙類），建筑所在地區(qū)設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.109，設計地震分組為第三組，框架抗震等級為二級。該項目為該地區(qū)2019年校舍安全工程項目之一，要求該項目結構加固設計改造后的設計使用年限為36年。

3.2 理論研究分析

此工程抗震設防類別為重點設防類（乙類），按照《建筑抗震鑒定標準》 （GB50023-2009）的規(guī)定，該項目需基于比比本地區(qū)設防烈度提高一度的要求，來核查抗震措施，抗震驗算需基于不低于本地區(qū)設防烈度的要求來實施。基于加固設計改造后的設計使用年限的36年，判定其是B類建筑，需通過B類建筑抗震鑒定方法。作為框架結構，通過B類鋼筋混凝土房屋抗震鑒定手段，展開相應的抗震措施鑒定、抗震承載力驗算。

3.3 鑒定模型分析

按照結構有限元軟件-PKPM V4.2版，實施項目鑒定模型分析以及加固設計計算分析。在理論研究分析的基礎上，通過PKPM軟件完成鑒定模型分析。已有建筑的結構體系是多層單排框架結構。基于乙類設防建筑參考已有規(guī)范規(guī)定，乙類設防時不該是單跨框架結構。

3.4 加固設計方法

按照房屋的實際情況選取鋼筋混凝土房屋的抗震加固方案，通過強化結構構件抗震承載力、增強結構變形能力或者轉變框架結構體系等方案。基于此工程的鑒定結論，立足于常規(guī)針對框架結構受力構件的加固方法，包括了增大截面加固法、外粘型鋼加固法、粘貼纖維復合材料加固法等，在根本上實現(xiàn)工程的安全使用問題，由改變項目的結構體系思路著手，在結構縱橫雙向增設鋼筋混凝土抗震墻的手段，達到改變項目的結構體系為框架抗震墻結構。在重新調整分配結構的質量和剛度的同時，實現(xiàn)結構規(guī)則性，在優(yōu)化構件的受力狀況之余，強化工程結構本身的抗震水平。

4 結語

隨著我國經(jīng)濟增長，我國的現(xiàn)代化城市建設速度也正在不斷的提升，百姓對于自己的生活質量要求也越來越高，為了實現(xiàn)這一要求，對于多層單跨框架結構加固設計的工程質量將必須提高，在土建工程加固設計中運用最為廣泛的就是多層單跨框架結構加固設計，所以保證結構加固技術的質量是對提升土建工程質量的關鍵。多層單跨框架結構加固設計技術的提升，對于建筑物的質量就能更好地進行控制。在現(xiàn)代社會中，多層單跨框架結構加固設計所扮演的角色越來越重要，進行加固設計的施工管理對于提升建筑物的質量也非常重要。現(xiàn)代社會科技進步非常大，多層單跨框架結構加固設計也正在進行更新?lián)Q代，所以結構設計者應該根據(jù)自身條件進行新工藝的學習，以及新理念的引進，以此來提升多層單跨框架結構加固設計的實用性。