既有鋼筋混凝土結構抗震鑒定與加固性能分析

崔建舉（中鐵建設集團有限公司，山東 青島 266000）

我國城鎮化率從2000 年的36.20%增加到2022 年的65.22%，使得大量的居住建筑、公共建筑和商業建筑等得以修建，既有建筑面積達到436億m2[1]。但未來城市化率將放緩，到2030 年我國的城鎮化水平將達到70%，這就使得我國建筑行業進入新建和維護加固并重的階段。特別是在我國“碳中和、碳達峰”背景下，存量建筑拆除顯得尤為不現實，改造加固和合理利用是未來發展的重要方向之一[2-3]。

既有建筑受到修建時期建筑技術水平、經濟水平及建筑規范的約束，并經過長期的使用，存在抗震設防不達標或者設防標準不高等問題，導致建筑物的抗震能力差，有待進一步評估和加固，以滿足現行階段的抗震設計要求，并延長建筑物的服役年限[4]。本文以山東省青島市某多層框架混凝土結構為研究對象，提出新增剪力墻的加固方案，運用數值模擬方法研究了建筑結構加固前后的反應譜參數，對比加固前后結構的剛度和變形性能，研究成果可應用于既有建筑的抗震設計和加固改造。

1 工程概況

山東省青島市某多層框架混凝土結構科研建筑修建于2010年，后續使用年限37年（按B類，適用后續使用年限40年建筑取值），建筑總面積為3750m2，建筑總高度為15.6m，結構層數為4 層，主體結構層層高均為3.9m。如圖1 所示，建筑呈東西走向，平面布置大致呈矩形分布，框架柱沿著軸線均勻布置，橫向柱間距為6m，共分為12 軸，縱向柱間距為7.8m，共分為4 軸。建筑3 層～4 層結構在①軸～⑧軸存在結構挑出，并將其用3根圓柱形鋼筋混凝土柱進行支撐。

圖1 建筑結構平面布置圖

結構安全等級為二級，抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為7 度，框架抗震等級為三級，框架結構（梁體、柱體、墻體、樓板和樓梯）采用C35 混凝土現澆而成，方形柱體尺寸為400mm×400mm，圓形柱體直徑為400mm，所有梁體居中或與柱邊對齊，主梁尺寸為300mm×550mm，次梁尺寸為150mm×300mm，墻體厚度為300mm，樓板厚度為100mm；梁體、柱體的鋼筋保護層厚度為30mm，板體、墻體和樓梯的鋼筋保護層厚度為20mm。采用柱下獨立基礎，基礎持力層為③黏土層，場地類別為II 類，地震剪切波速度約為200m/s，場地設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.05g，場區各地基土的物理力學指標見表1。

表1 場區地基土工程地質參數

2 既有鋼筋混凝土結構加固方案設計

為了增加科研大樓的可用空間、增強科研能力和基礎設施、優化科研環境，業主方計劃按照結構3 層、4層的結構形式，對既有的科研大樓進行加層，加層數量為2層。為了匹配加層后的建筑結構抗震性能，在評估既有建筑物的抗震性能和不改變原有結構形式的基礎上，通過增設剪力墻結構的方式吸收地震作用，增強結構的抗水平作用能力和結構剛度，提高原有框架結構的抗震能力[5-6]。

增設的抗震剪力墻厚度為200mm，采用C35 混凝土現澆而成。剪力墻設置在框架柱之間，與框架柱和梁的接觸面按照施工要求鑿毛和清潔處理，剪力墻盡量不開設洞口，剪力墻采用雙排鋼筋，主鋼筋直徑為10mm，鋼筋間距為200mm，鋼筋等級為HRB400，雙排鋼筋之間的拉筋直徑為8mm，間距為500mm，鋼筋等級為HRB400。剪力墻與既有框架梁和框架柱的連接采用外包方式進行連接，其具體的外包方式是將剪力墻的豎向和橫向鋼筋植入既有框架梁和框架柱，并在建筑框架梁和框架柱的側面纏繞鋼筋錨入剪力墻內，形成梁體加腋和柱圍套結構，如圖2所示。

圖2 新增剪力墻與既有框架梁和既有框架柱的連接方式

新增剪力墻的部位按照結構位置依次為②軸處C軸-D軸剪力墻、④軸處C軸-D軸剪力墻、⑥軸處C軸-D軸剪力墻、⑨軸處C軸-D軸剪力墻、?軸處C軸-D軸剪力墻、?軸處A軸-B軸剪力墻、⑨軸處A軸-B軸剪力墻。

3 既有鋼筋混凝土結構加固前后抗震性能對比分析

3.1 既有鋼筋混凝土結構加固前后分析模型的建立

為了研究科研大樓采用新增剪力墻加固的抗震性能，借助PKPM 軟件建立三維仿真分析模型，研究加固前后結構的地震動響應，建立的既有鋼筋混凝土結構加固前后三維模型如圖3所示。在計算時，C35混凝土密度取2.5g/cm3，彈性模量為2.06×104MPa，泊松比為0.25，結構的破壞準則符合彈性本構[7]。

圖3 加固前后既有多層鋼筋混凝土結構的三維仿真分析模型

3.2 既有鋼筋混凝土結構加固前后反應譜分析

圖4 為加固前后建筑物的既有多層鋼筋混凝土結構的反應譜計算結果對比。結構的振動周期是結構系統自身固有特性的反映，結構振動周期越大，表明結構在地震作用下容易產生共振，因此其受到地震作用的損害也越大[8]。從圖4（a）中可以看出，隨著樓層的增加，加固前后樓層結構的振動周期呈現一致的變化趨勢，在底層振動周期最大，隨著高度增加逐步減小，且振動周期從第3層到第4層時，結構的振動周期出現陡降；結構加固后振動周期比加固前顯著減低，第1層～第4 層的振動周期降幅分別為28%、26%、36%和29%，由此說明加固后建筑結構的整體抗扭剛度增加。

圖4 加固前后既有多層鋼筋混凝土結構的反應譜分析

結構層間位移角和最大層間位移是反映結構的側向剛度，也可以描述多層結構的穩定性，不同高度的結構體系有不同的層間位移角和最大層間位移限值[9]。當層間位移角越大，多層結構的扭曲越厲害，結構的穩定性也越差，反之，則越好；結構層間最大位移也有相同的規律。從圖4（b）中可以看出，隨著樓層的增加，建筑結構X向和Y向的層間位移角呈現相同的規律，結構的層間位移角均不斷減小，且層間位移角從第3層到第4 層時，結構的層間位移角出現陡降；結構加固后層間位移角比加固前顯著減低，第1層～第4層的X向層間位移角降幅分別為25%、18%、19%和17%，Y向層間位移角降幅分別為40%、37%、33%和32%，由此說明加固后建筑結構的地震作用下抗變形能力增加；加固前，建筑結構Y向層間位移角明顯大于X向，且Y向層間位移角在第1層和第2層已超過規范限值，經過加固后，X向和Y向層間位移角接近，且遠小于加固前層間位移角。

從圖4（c）中可以看出，隨著樓層的增加，建筑結構X向和Y向的最大層間位移呈現相同的規律，結構的最大層間位移均不斷減小，且最大層間位移從第1層到第2 層時，結構的最大層間位移出現陡降；結構加固后最大層間位移比加固前顯著減低，第1 層～第4 層的X 向最大層間位移降幅分別為25%、18%、20%和17%，Y向層間位移角降幅分別為40%、37%、34%和33%，由此說明加固后建筑結構的地震作用下抗變形能力增加；加固前，建筑結構Y 向最大層間位移明顯大于X 向，且Y向最大層間位移在第1層和第2層已超過規范限值，經過加固后，X 向和Y 向最大層間位移接近，且遠小于加固前最大層間位移。

4 結語

以山東省青島市某多層框架混凝土結構為研究對象，提出新增剪力墻的加固方案，運用數值模擬的方法研究了建筑結構加固前后的反應譜參數，得到以下幾個結論：

（1）加固前后樓層結構的振動周期均隨著高度增加逐步減小，且振動周期從第3 層到第4 層時，結構的振動周期出現陡降；結構加固后振動周期比加固前顯著減低，說明加固后建筑結構的整體抗扭剛度增加。

（2）建筑結構X向和Y向的層間位移角均隨著樓層的增加不斷減小，且層間位移角從第3 層到第4 層時，結構的層間位移角出現陡降；加固前，建筑結構Y向層間位移角明顯大于X向，且Y向層間位移角在第1層和第2 層已超過規范限值，經過加固后，X 向和Y 向層間位移角接近，且遠小于加固前層間位移角。

（3）建筑結構X向和Y向的最大層間位移呈現相同的規律，隨著樓層的增加，結構的最大層間位移不斷減小，且最大層間位移從第1 層到第2 層時，結構的最大層間位移出現陡降；加固前，建筑結構Y向最大層間位移明顯大于X 向，且Y 向最大層間位移在第1 層和第2層已超過規范限值，經過加固后，X 向和Y 向最大層間位移接近，且遠小于加固前最大層間位移。