某既有鋼筋混凝土框架結構改造設計與分析

董 明 盧文生，* 張 亮 黃坤耀

（1.上海杰筑建筑規劃設計股份有限公司，上海 200092；2.央固工程科技（上海）有限公司，上海 201112）

0 引 言

隨著我國經濟和技術的不斷發展，人們對于房屋建筑的功能不斷有了新的需求。為了更好地利用建筑空間，實現新舊功能的轉換，需要對既有建筑進行改造。限于建造時的技術水平和設計標準，既有建筑的抗震性能往往不能滿足目前的抗震設防要求。在改造時往往需要同時考慮抗震加固。本文針對某既有鋼筋混凝土框架結構的建筑改造需求，提出了基于結構體系的加固方案，提升了原結構的整體抗震性能。本次工程實例介紹了設計中的結構體系加固、抽柱設計及樓層結構梁柱節點再造設計的設計思路及實際施工中的工程做法。

采用屈曲約束支撐（BRB）對框架結構體系進行抗震加固的技術歷經了多年的探索［1］，尤其是在汶川地震后，該項抗震加固技術得到越來越廣泛的應用［2］。本文結合大震彈塑性時程分析，也對該技術的應用效果及技術要點進行了詳細的分析。

抽柱工程是結構改造的難點之一，常規的抽柱工序為先增設臨時支撐、抽柱后再做托換梁、最后臨時支撐卸載的方式［3］。而本項目采用了另一種更加安全可靠的抽柱工序，也是一種技術創新探索。

1 工程概況

本工程位于上海市，原建筑功能為政府招待所，建于1987年。原建筑地上6層（局部7層），地下1層，結構總高度為22.25 m，建筑面積約為6 020 m2。建筑的結構形式為鋼筋混凝土框架結構，標準層的結構平面布置如圖1所示，結構采用筏板基礎。建筑安全等級為二級，未進行抗震設計。

圖1 標準層結構平面布置圖Fig.1 Typical structural plan

1.1 建筑改造主要內容

根據業主的要求，對現有房屋進行功能改造，改造的主要內容如下：

（1）主樓地下室～三層使用功能改為幼兒園，四樓及以上各層改為培訓教室；

（2）主樓1～10/E～G軸區域、A～G/12～14軸區域拆除原樓梯并增加電梯及樓梯；

（3）主樓門廳大堂處抽除一層11/B軸的原混凝土柱；

（4）主樓三樓的樓面標高降低600 mm。

改造后建筑的抗震設防類別為重點設防類，抗震設防烈度為7度，建筑場地類別為IV類，設計地震分組為第二組。基本風壓為0.55 kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓為0.20 kN/m2。

1.2 結構的主要問題

按A類建筑（設計后續使用年限30年）對該建筑進行抗震鑒定［4-5］，其抗震性能不滿足要求。根據改造方案對結構的承載力和變形進行驗算，結構主要存在如下問題：

（1）一層至四層部分框架柱承載力不滿足要求，一層及地下室部分框架柱的軸壓比偏大；

（2）較多的框架梁承載力不足，部分梁的配筋存在超筋現象；

（3）原結構Y方向的框架梁截面尺寸及剛度較小，框架為單向設置，不滿足雙向框架結構的要求；

（4）結構一層、三層及四層的抗側剛度均小于其相鄰上層抗側剛度的70%或上三層平均抗側剛度的80%；結構一至四層的最大層間位移角均大于限值1/550；結構頂層的最大扭轉位移比為1.83，也大于限值1.50。

2 結構加固設計

2.1 結構加固方案

根據改造方案進行驗算后得知，原結構有較多的框架柱和框架梁的承載力不足，若采用逐一加固構件的常規加固方案，會導致原結構的大部分框架柱和梁需要采用加大截面法加固，將對建筑目前的使用功能造成顯著的影響。因此，本項目提出了基于結構體系的加固方案，對抗側力構件和豎向承重構件進行調整，構建整體剛度分布合理、傳力路徑明確的結構體系。然后在合理的結構體系下，再進行整體計算分析，對個別尚不能滿足規范要求的構件再進行加固處理。

針對本項目的結構特點及原結構的性能，在滿足改造方案的建筑功能要求的基礎上，為盡可能減少對原結構的改動，本方案擬采用增設屈曲約束支撐（BRB），一方面可以大幅度提高房屋的側移剛度和抗震能力，同時可以減少整個結構的加固量。

根據改造方案，BRB基本布置在周邊的填充墻部位，不影響建筑功能。經過分析，在原結構一至五層增設BRB，每層布置6組，共30組，BRB的平面布置如圖2所示，圖中涂黑的部位為BRB的布置位置。

圖2 BRB的平面布置圖（單位：mm）Fig.2 Layout plan of BRB（Unit：mm）

2.2 采用BRB加固的結構抗震性能分析

采用SATWE軟件建立了采用BRB加固的結構的計算模型，如圖3所示。進行了改造后結構在多遇地震作用下的計算分析，增設BRB加固結構前后，結構的整體計算指標對比如表1所示，結構加固后的各項計算結果均符合規范的要求。

表1 加固前后結構的整體計算指標對比分析Table 1 Comparative analysis of overall calculation indexes between the original structure and the strengthened structure

圖3 加固后結構的計算模型Fig.3 Analysis model of the strengthened structure

采用BRB后，梁、柱的計算配筋大幅減小，需要進行加大截面加固的構件數量也大幅減小，柱子需要加大截面的數量由230根減小為66根，梁需要加大截面的數量由258根減小為36根。加大截面構件數量的大幅減小，可以大大減少結構加固對建筑功能的影響，不僅工期更容易保證，總體的加固成本也大大節省了。

為了檢驗改造后結構在罕遇地震作用下的抗震性能，采用SAUSAGE軟件建立了結構的非線性數值計算模型，計算了結構在罕遇地震作用下的時程響應。時程分析采用了SAUSAGE軟件的地震波庫中滿足《建筑抗震設計規范》［6］相關要求的兩組天然波和一組人工波，三組地震波主方向的加速度反應譜與設計反應譜的對比如圖4所示，各組地震波的反應譜與設計反應譜比較一致。

圖4 各組地震波主方向的加速度反應譜與設計反應譜對比Fig.4 Comparative analysis between the acceleration response spectrum and the design response spectrum

計算結果表明，罕遇地震作用下結構的層間位移角、主要結構構件的損傷狀況、BRB構件的滯回曲線、BRB子結構大震作用下的結構性能等均滿足相關規范的限值。

結構在各組地震波作用下的基底剪力如表2所示。大震彈塑性時程分析得到的基底剪力與小震彈性時程分析得到的基底剪力比值在3.44～3.99之間，總體處于合理的區間。

表2 結構基底剪力計算結果Table 2 Calculation results of the structural base shear

主體結構在各組地震波作用下的最大層間位移角如表3所示。主體結構的最大彈塑性層間位移角X向為1/78，Y向為1/128，均小于框架結構1/50的規范限值要求。

表3 最大層間位移角計算結果（主體結構）Table 3 Calculation results of the maximum interlayer displacement angle（main structure）

地震波2作用下（結構損傷最嚴重）結構構件的性能水準情況如圖5所示。分析表明，首層及二層Y向BRB首先進入屈服耗能，然后是框架梁進入塑性變形，最終頂層構架層柱開始出現塑性變形。塑性變形的開展順序符合抗震概念設計和設計目標。由圖可知，除頂層構架層部分構件均處于重度損壞以外，大部分構件均處于輕微損壞至中度損壞范圍。計算結果表明，在罕遇地震作用下BRB可以產生良好的耗能效果，在增強整體剛度的同時為結構提供了額外的附加阻尼比，減少了結構的損傷，大大提高了結構抵抗罕遇地震作用的能力。

圖5 地震波2作用下結構構件的性能水準Fig.5 Structural performance level under the action of seismic wave 2

3 抽柱的加固設計及施工

采用抽除底層柱以形成大跨度、大空間結構的做法，可以有效擴大使用空間，滿足建筑功能的特殊需求。隨著各種建筑結構加固技術的不斷發展完善，抽柱的施工工藝也在不斷成熟。本項目建筑為了在主樓門廳大堂處形成大空間，在一層的11/B軸處需要拔除一根柱子。

3.1 抽柱的改造加固設計方案

本項目所抽除的框架柱位于結構首層，對二層、三層該跨處的框架梁均按照轉換梁的要求采用加大截面的方法進行加固［7］，形成雙層托換，兩端的框架柱也均采用加大截面的方法進行了加固，加固方案如圖6所示。

圖6 一層抽柱設計的加固方案示意圖Fig.6 Strengthening design scheme of removing column on floor 1

抽柱的施工工藝對于切實落實設計的意圖至關重要，因此在抽柱設計中對施工工序提出了明確要求：采取先施工托換梁、后抽柱的方式，即抽柱應在二層及三層梁加固后方可進行，并要求施工單位在拆除框架柱前編制專項施工方案。與常規的抽柱工藝——先增設臨時支撐、抽柱后再做托換梁、最后臨時支撐卸載的方式相比，采用本工程的方法抽柱，施工過程更安全、可控。

3.2 抽柱施工過程的監測結果及分析評價

為保證抽柱施工的安全，在加固及抽柱施工期間進行了以下監測：

（1）通過設置可讀數千斤頂來達到確保構件應力釋放緩慢進行的要求；

（2）對新增托換梁進行變形和應力應變監測。

每道托換梁設3個監測斷面進行應力應變監測，每個監測斷面布置2個混凝土應變計。每道托換梁布設2個撓度監測點，在托換梁的跨中區域安裝兩臺位移傳感器。應變和撓度監控測點的布置如圖7所示。

圖7 應變和撓度監控測點布置示意圖Fig.7 Layout plan of strain and deflection monitoring points

監測結果如圖8、圖9所示。根據監測數據結果及實際工程效果，在頂升加載和卸載的全過程中，轉換梁的撓度變形和應變的變化規律和變化幅度都與設計分析的結果基本一致，轉換梁在短期內的跨中撓度最大值僅為1.66 mm，綜合考慮后期梁體收縮徐變下的剛度降低以及裝修荷載、活載的增加，轉換梁的長期撓度變形完全可控制在規范要求的范圍之內。

圖8 轉換梁應變測點監測結果Fig.8 Results of strain monitoring points on transfer beams

圖9 轉換梁撓度測點監測結果Fig.9 Results of deflection monitoring points on transfer beams

該工程目前已經改造完畢并投入使用，經跟蹤觀察未見異常現象，說明該抽柱設計及施工方案合理有效、安全可靠。

4 梁柱節點再造的設計

該工程原二層層高為4.5 m，三層層高為3.3 m，根據改造為幼兒園后的使用要求，要求將三層樓面標高降低600 mm，從而使改造后的二層層高為3.9 m，三層層高為3.9 m。為保證結構剛度及抗震性能不被削弱，三層新增的樓面結構仍采用現澆混凝土結構。因此，三層新增混凝土樓面結構就涉及全部的新增框架梁和原有框架柱的連接節點設計。不同于新建結構，新增梁與原框架柱的“梁柱節點再造”就是改造設計的重點了，常規梁植筋方案不能滿足抗震規范對梁柱節點核心區的抗震性能要求。同時，考慮到施工的便利性和可行性，對該處“梁柱節點再造”的設計進行了優化。

本次“梁柱節點再造”設計的思路是參考國家建筑標準設計圖集《混凝土結構加固構造》［8］中的“中間樓層節點核心區承載力加固（增大截面法）”和“無柱帽板柱節點加固”方法，在原有框架柱與新增框架梁的連接節點處新增柱帽，新增柱帽通過植筋銷鍵與原有柱結合成整體，柱帽內按設計要求設置箍筋。新增梁的部分主筋直接植入原結構柱內，同時在柱連接處加大梁寬，從而使新增梁的部分主筋可以繞過原框架柱而錨固在新增柱帽內，這樣在新增柱帽處就形成了新的符合抗震要求的梁柱節點，節點的構造如圖10、圖11所示。此節點再造方法一方面大大增強了新增梁柱節點處的抗剪承載力，另一方面又減少了傳統的全部植筋對原結構的損傷以及現場操作的難度及安全隱患。與傳統方法相比，此方法節省成本顯著，施工的可操作性和安全性都有大幅提升。

圖10 三層新增框架梁與原柱連接中部節點Fig.10 Middle joint of new column and existing beams

圖11 三層新增框架梁與原柱連接端部節點（單位：mm）Fig.11 End joint of new column and existing beams（Unit：mm）

5 結 論

本工程因業主改變既有建筑的使用功能而對其進行了結構改造，在結構加固設計過程中著重概念設計，根據建筑功能改造需求，提出了基于結構體系的加固方案，即首先構建結構體系的完整性和合理性，然后再進行構件的加固設計。設計與分析結果表明，結構體系加固方案在有效提升了原結構抗震性能的同時，達到了節省工期、節約造價的效果。

對于本項目底層抽柱的改造需求，在設計時首先分析了抽柱后結構的受力變化和變形情況，其次明確了施工工藝要求、制定了合適的施工措施，并在抽柱的施工過程中進行了監測與分析評估，工程實踐證明了該抽柱設計及施工方案合理有效、安全可靠。

另外，根據建筑改造的要求，樓板標高的調整導致本工程需要鑿除原結構樓板、新增結構樓板，因此新增梁與原框架柱的“梁柱節點再造”是改造設計的重點。本工程提出的梁柱節點再造方法既能滿足承載力的要求，又大大減少了對原結構的損傷，工程實踐證明該節點設計方法安全、可靠、施工方便。