關于底部框架自建房抗震鑒定加固方法探討

胡羽佳

(太原市建筑工程質量檢測站有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

底部框架結構作為20世紀90年代末,21世紀初城鎮房屋中常見的砌體結構形式,因其底部空間較大,使用功能多變在建筑方案上很受歡迎。但是這種結構有一個明顯的缺陷,就是結構上下不同,在地震作用下的變形協調性較差,對結構整體抗震不利。目前在全國開展的自建房專項整治工作中,在城鄉結合部及城中村存在大量這種結構形式的房屋。自建房作為房主或居民在自己宅基地上未經專業設計、施工的房屋,和專業建設的房屋相比,質量可靠性較差,且普遍缺乏或無抗震設計理念,在地震來臨時會產生較大的安全隱患,造成嚴重的災害損失。結合房屋存量和當下實際情況,對房屋采取抗震改造加固是相對經濟、可行性較好的一種整治措施,所以對該結構形式的自建房抗震鑒定與加固方法的研究,可以為自建房改造整治提供一些有益可行的參考建議。

1 自建房屋調查

自2023年2月至2023年9月底,對太原市周邊區縣的自建房調查情況可以看出,在城鄉結合部、城中村及縣城區域的臨街房屋大多數為底部框架和局部框架結構房屋,便于底部作為餐館、商店等用途,上部作為旅館、住宅等用途。往往這些房屋居住有大量外地務工人員和剛進入社會的青年上班族等租客,人員比較密集,經濟相對活躍。而所居住的房屋基本為房主或當地居民自己建造的房屋,無專業的設計和專業施工,基本為工匠根據經驗建造,受經濟投資、場地條件限制和缺乏專業知識,這些房屋存在較多先天缺陷。如結構選型不太合理、結構布置和傳力路線不符合相關設計要求。還有后期未進行專業技術鑒定和改造設計的情況下改變使用功能和結構性改造,如加層、擴建、拆改墻體等。對于底部框架結構房屋來說,自行建造的房屋往往底部框架部分的鋼筋混凝土柱、梁截面較小,多數不滿足規范要求的截面構造規定,上下結構的抗側剛度懸殊過大,屬于典型的頭重腳輕結構。這類型結構不利于抵抗地震作用,底部結構承受較大的地震剪力,底部結構破壞而整體倒塌。

2 影響抗震鑒定的參數

根據我國目前的地震抗震設計標準和鑒定標準體系來看,建筑抗震鑒定首先要確定其所處的地震烈度區劃和確定其后續的使用年限,屬于抗震鑒定重要的前提性參數。區劃不同,抗震鑒定標準的要求不同,而后續使用年限的不同則關系到鑒定方法的不同。隨著我國地震區劃、抗震設計、鑒定標準的變化更新,以及不同標準之間的不同規定,尤其是2022年鑒定加固通用規范的實施,讓鑒定人員對后續使用年限的確定產生了不小的困惑。

2.1 設防烈度

根據第五代地震動參數區劃圖,現行版GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設計規范[1]對全國原有城鎮抗震設防烈度進行了調整。根據規范修訂組提供的資料,本次對全國2 860個城鎮調整的分類統計結果如表1所示[2]。

表1 全國城鎮抗震設防烈度變化情況

從變化結果來看,全國有近一半的城鎮在調整后地震作用得到了提高,個別地區提高幅度相當大,這對既有建筑的抗震改造提出了更高的要求和難度。對于抗震鑒定來說也存在較大的挑戰,對于按原設計規范設計的既有建筑,按現行的抗震設防烈度來鑒定,會造成抗震不滿足要求的結果。對于自建房來說,由于原先就未按設計規范進行專業設計,未進行專業施工,抗震性存在天然缺陷,如果再按提高烈度的情況下進行鑒定和改造,難度會更加大。如果一刀切地按新的地震動參數來鑒定加固改造,現有的技術能力和經濟條件無法達到這一要求。為此,筆者認為針對自建房的特殊性,本著經濟合理的原則,在自建房抗震鑒定加固改造中,地震烈度的確定上應按以下原則進行:按當時建造時所實行的建筑抗震設計規范中規定的抗震設防烈度進行確定,即滿足當時的抗震設計水準,方便自建房屋后續的抗震加固。

2.2 后續使用年限

根據GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準[3]規定,先依據建筑建造年代確定最低后續使用年限,再根據確定后的后續使用年限將既有建筑分為A,B,C三類進行抗震鑒定,每類有相應的鑒定方法。但是GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規范[4]實施后,直接根據后續工作年限確定相應的鑒定方法。前者對建造年代有要求,而后者沒有,如2002年建造的建筑,按01版抗規設計的房屋,已使用20年,剩余工作年限30年,按通用規范GB 55021—2021的規定,后續工作年限為30年,為A類建筑,而按規范GB 50023—2009的規定應為C類建筑。但同時GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規范第5.1.4條規定應允許采用現行標準調低的要求進行抗震措施的核查,但不應低于原建造時的抗震設計要求。這決定了實際上2002年建造的建筑,仍不能選擇按照A類或B類的方法進行抗震鑒定,而是要求按當時實行的抗震設計規范進行鑒定。

根據GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準和GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規范的規定理解,在既有自建房的抗震鑒定時其后續使用年限按下列原則進行確定:1)對于89版抗規實施前建造的房屋確定為A類建筑,后續工作年限不少于30年。2)按89版抗規設計建造的房屋確定為B類建筑,后續工作年限不少于40年。3)對2001年以后建造的房屋,雖GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準稱為C類建筑,但其后續工作年限應按剩余工作年限確定,屬于后續工作年限30年的C類建筑,且不同于A類建筑;建造于2010年以后的房屋,屬于后續工作年限40年的C類建筑,且不同于B類建筑。2001年以后的建筑與早期的建筑的后續工作年限雖相同,但是鑒定所依據的標準不同,所以相應的鑒定要求也完全不同。

3 抗震鑒定方法

3.1 地震作用計算

根據GB 50011—2010建筑抗震設計規范規定,底部框架-抗震墻結構的底部縱橫向地震剪力應全部由相應方向的抗震墻承擔,但是實際自建房中的底部框架結構房屋,底部僅為框架,無抗震墻。底部框架結構自建房缺少了抗震墻的側向剛度,與規范中的計算條件假設不一致,底部剪力全部由框架柱來承擔,但是框架本身的抗側剛度較弱,上下剛度比懸殊較大,通過大量此類房屋的抗震驗算,基本都存在底部框架部分側向位移過大現象。

以某一底部框架自建房為例,底部兩側為框架結構,框架柱500 mm×500 mm,框架梁300 mm×700 mm,次梁250 mm×500 mm,縱向柱距7 200 mm,3 600 mm,7 200 mm,橫向柱距6 000 mm,1 500 mm,6 000 mm;3層—5層為砌體結構,內墻均為240 mm厚普通磚墻,橫墻軸線均為3 600 mm,縱墻布置于底部與框架梁對應;底部1層層高4.0 m,2層層高3.6 m,3層—5層砌體層高均為3.0 m。結構布置示意圖如圖1,圖2所示。抗震設防烈度8度,經計算,在X向地震作用下底部框架位移約28.8 mm,在Y向地震作用下底部框架位移約27 mm,見圖3,圖4。

第3層與第2層剛度比:X向地震作用下K3x/K2x=5.78 ,Y向地震作用下K3y/K2y=7.11,如圖5所示,嚴重超出GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設計規范中規定的不大于1.5的要求。顯然僅有框架柱的結構在地震作用下,轉換層上下剛度比很難滿足要求,并且底部框架柱所要求的配筋也很大,而自建房實際的框架柱配筋很難滿足抗震承載力要求。

3.2 抗震措施核查

抗震措施在抗震鑒定中是非常重要的一個環節,對于B類、C類建筑,均需通過抗震措施和抗震承載力綜合考慮才能得出其綜合抗震能力是否滿足要求,通過歷史震害統計,往往抗震措施在結構抵抗地震災害方面起到關鍵作用。底部框架結構房屋的抗震措施核查,首先以總體控制指標和結構體系要求為主,如結構高度、層高、房屋高寬比、抗震橫墻間距、結構布置等。其次檢查上部砌體構造柱、圈梁設置、托墻梁、樓屋蓋等。

4 改善剛度突變方法研究

根據上述實例抗震計算表明,底部框架結構房屋在沒有抗震墻的情況下,在地震作用下底部框架承受的地震剪力很大,底部框架的側向位移難以滿足相應規范要求。在底部框架結構房屋中,轉換層上下剛度控制是一個非常重要的抗震措施。為了改善自建房這種先天性缺陷,最直接的辦法就是增設抗震墻。在上述實例的結構基礎上,通過增加縱橫向的鋼筋混凝土抗震墻來改善原結構上下剛度懸殊較大和側向位移較大的缺陷。為了不影響底部采光、空間布局和商業櫥窗美觀,在原結構底部框架的四大角及內側縱向框柱處增設寬度240 mm厚,長度1 000 mm長的鋼筋混凝土抗震墻,其他條件不變的情況下,經驗算表明:在縱橫向布置鋼筋混凝土抗震墻后,X向地震作用下轉換層上下剛度比減小至1.29,底部框架最大側向位移12.3 mm;Y向地震作用下轉換層上下剛度比減小至1.38,底部框架最大側向位移11.9 mm。根據結果對比可知,抗側剛度和側向位移得到了很好的控制,能很好地改善底部框架在地震作用下側向位移過大和剛度突變的問題。增設抗震墻后的驗算結果如圖6—圖8所示。

對于地部框架結構自建房來說,為提高其抗震性能,最直接有效的方法就是在底部框架部分增設抗震墻,以提高底部框架部分的抗側剛度,使其能夠與上部砌體結構抗側剛度相匹配,從結構體系和宏觀控制上符合抗震鑒定標準要求。通過上述實例來看,對底部框架部分增設鋼筋混凝土抗震墻是一種很好的辦法。通過調查結果,在大多數的底部框架結構房屋中,底部框架的墻體一般采用普通磚砌筑,其本身的抗側剛度也比較大,但是其作用為填充墻的性質,不能起到GB 50011建筑抗震設計規范中要求的約束砌體抗震墻的作用。底部框架中后砌磚墻與框架柱不能共同工作,所以不能承擔底部抗震剪力,那么采取一種加固方法能夠使既有磚墻和框架柱共同工作的措施,使其能夠承擔部分地震剪力,是不是就可以作為抗震墻來使用呢?筆者認為這種方法是可行的。一種辦法是通過置換與框架柱連接部位的部分磚墻,通過后期植筋,增設連接部位混凝土邊緣構件,使得框架柱與原磚墻能夠共同工作,從而起到抗震墻的作用;另一種方法是在原砌體墻兩側增設鋼筋混凝土板墻,再通過板墻鋼筋與框柱錨固連接,使得加固后的組合墻與框架柱共同工作,從而起到抗震墻的作用。這兩種方法既利用了原有墻體,又減少了施工難度和加固成本。通過計算機及設計理論計算這兩種方法是可行的,但是缺少實踐的檢驗,在有條件的情況下,通過建造實體模型在振動臺的試驗是比較科學、合理的。

5 結語

通過近年來我國抗震設計、鑒定標準規范的變化對比,明確了地震參數的確定,尤其是明確了建于2001年至現行抗震設計規范之間的建筑的抗震鑒定方法。通過對比計算,增設底部抗震墻能夠顯著的提升底部框架自建房的整體抗震性能,滿足現行抗震設計、鑒定標準規范的要求。通過改變既有磚墻與框架的連接,發揮后期磚墻本身的剛度能夠起到約束砌體抗震墻的作用,為自建房抗震改造提供一些可行、可操作的參考意見。