采用增大截面法对框架柱加固的分析

李 曦

（重庆交通大学 土木学院，重庆 400074）

对汶川地震和玉树地震建筑震害现象进行分析总结，发现对于框架结构要想实现“强柱弱梁”的设计理念非常困难。因为，现浇楼板和梁综合作用，使梁刚度常常大于柱刚度，这样就形成了与设计理念相反的“强梁弱柱”现象。随着地震的频繁出现，规范改版的频率也随之提高，现行规范对柱的轴压比控制更为严格，相对现存的工程而言，采用现行规范做抗震鉴定时，现存工程往往轴压比不合格。不管是“弱柱”还是轴压比不合格，为了生命财产安全，对一些工程的柱子进行抗震加固。对于常见的框架柱震害，比如：柱端混凝土压碎，钢筋外露、外鼓，柱身出现斜裂缝，中上部出现水平裂缝等。抗震鉴定需要同时提高承载能力和刚度的既有结构，一般采用增大截面法或对结构进行新增构件的抗震加固方法。本文针对增大截面法对经历汶川地震之后，西昌市某办公楼框架柱进行抗震加固。重点分析增大截面法对该工程的加固作用，以期为增大截面法应用在抗震加固设计提供参考依据。

1 增大截面法的力学性能

1.1 增大截面法的构造

由于框架柱的破坏形态可分为受压破坏和受拉破坏，其中受压破坏主要在轴压柱和小偏心柱上发生，而受拉破坏则主要发生在大偏压柱上。因此增大截面法分为：四周外包法，单面加厚法和双面加厚法。在一般结构设计中，柱通常为轴压柱，而轴压柱多使用四周外包法。轴压柱四周外包法加固图见图1。

1.2 采用增大截面法加固后构件的动力特性

已有大量研究讨论增大截面法的动力特性。其中罗苓隆在对采用双面加厚法加固的轴心受压截面进行研究，证明新旧混凝土之间的承载力不是简单迭加，而是有所下降，应该考虑新旧混凝土应力应变滞后及徐变问题，同时引入新变量应变参数，使其计算值接近实验值。

图1 轴压柱四周外包法

赵宏强、赵来顺和王丽梅等人通过采用增大截面法加固的试验柱在重复荷载作用下的试验，发现试验柱发生的是柱底压碎和弯曲破坏。并且得出试件的荷载－位移滞回曲线，见图2，由该图所知，包围的面积的大小说明试件刚度退化的大小，随着荷载的逐级增大，滞回环面积越来越大，同时还出捏拢现象。说明随着荷载的逐级增大，试件的刚度在逐级降低。滞回环的面积大小还能说明采用增大截面法加固后，试件耗能能力的增加。根据我国《建筑抗震试验方法规程》（JGJ101－96）规定，耗能系数计算示意（如图3 所示）可用能量耗散系数E来衡量试件耗能能力：

1.3 增大截面法加固后结构整体承载力的核算

根据《建筑抗震鉴定标准》（GB5OO23－09）加固后的梁柱可选取在结构两个主轴方向有代表性的平面框架对楼层的屈服强度系数进行计算，再依据计算结果最终确定楼层的综合抗震能力指数β，楼层综合抗震能力指数可按下式计算：

式中：β为平面结构楼层综合抗震能力指数，ψ1 为体系影响系数，ψ2 为局部影响系数，ξy为楼层屈服强度系数，Vy为楼层现有受剪承载力，Ve为楼层的弹性地震剪力。

当既有结构的楼层综合抗震能力指数大于1时，评定结构抗震承载力满足抗震鉴定标准要求，即建筑结构的承载力满足要求。

2 工程实例

2.1 工程概况

西昌市人大办公楼现为地上五层，该工程建筑面积约951 m2，屋面檐口高度17.7 m，层高：1～3层为3.4m，4层为4.5 m，5层3 m（小屋，屋上有塔），室内外高差为0.45 m；结构型式为框架结构，现浇楼板，楼板厚为80mm；地区抗震设防烈度为9度（0.40g），设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，本工程抗震设防类别为丙类，基本风压为0.3kN／m2；各层混凝土等级为C20；内采用190mm厚煤渣砖，外填充墙用240 mm 厚煤渣砖，双面抹灰，内外填充墙用M5水泥砂浆砌筑；楼面恒荷载1kN／m2，走廊活载2.5kN／m2，一般楼面恒荷载2.0 kN／m2，楼梯间恒荷载8kN／m2，活载3.5kN／m2，屋面恒载4.0kN／m2，活载2.0kN／m2。建筑平面图见图4。

2.2 鉴定分析

根据《建筑抗震鉴定标准》（GB5OO23－09），抗震鉴定方法分为两级：第一级鉴定以宏观控制和构造鉴定为主进行综合评价，第二级鉴定以综合抗震能力指数为主要指标且结合构造影响进行综合评价。建筑物加固是根据建筑物的鉴定结论，针对建筑物的缺陷和损坏进行修复，以恢复或提高建筑物的安全性和耐久性。

2.2.1 第一级鉴定

将本办公楼各细部构造与《建筑抗震鉴定标准》（GB5OO23－09）对照，有以下4条不满足要求：

1）该办公楼梁两端在梁高各1倍范围内的箍筋间距为200mm。根据《鉴定标准》6.2.4条：7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8、9度时，梁两端在梁高各1倍范围内的箍筋间距应≤150mm。因此，不符合第一级鉴定要求，且此项将影响第二级鉴定中的体系影响系数。

图4 建筑平面布置

2）该办公楼在柱的上、下端，净高各1／6的范围内箍筋￠8＠200。根据《建筑抗震鉴定标准》6.2.4条：7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8、9度时，在柱的上、下端，净高各1／6的范围内，丙类设防时，箍筋直径应≥φ8，间距应≤50 mm。因此，不符合第一级鉴定要求，且此项将影响第二级鉴定中的体系影响系数。

3）该办公楼填充墙每隔500 mm 有2￠6拉筋伸入，墙内≥500 mm。根据《建筑抗震鉴定标准》6.2.7条：填充墙沿柱高每隔约600 mm 应有2φ6拉筋伸入墙内，8、9度时伸入墙内的长度不宜小于墙长的1／5 且不小于700 mm。因此，不符合第一级鉴定要求，且此项将影响第二级鉴定中的局部影响系数。

4）该办公楼框架柱轴压比最大值为0.8，根据《建筑抗震鉴定标准》（GB5OO23－09），框架结构在抗震等级为一级时，框架柱轴压比应≤0.7。因此不符合第一级鉴定要求，且此项将影响加固方案的选择。

2.2.2 第二级鉴定

由于西昌市为9 度设防区，必须进行第二级鉴定。

结合构造影响，采用中国建筑科学研究院的PKPM 系列结构软件中抗震鉴定加固板块计算得X、Y两个主轴方向的平面结构的各楼层综合抗震能力指数，具体数值见表1与表2。

表1 X 方向上楼层抗震能力指数

表2 Y 方向上楼层抗震能力指数

3 抗震加固

3.1 加固方案

根据《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116－09）所述：“框架柱轴压比不符合鉴定要求时，可采用现浇钢筋混凝土套等加固”。因此，本办公楼采用现浇钢筋混凝土套加固，即增大截面法中的四周外包法加固。

3.2 加固设计

拟将该办公楼1～5层框架柱增大至600mm×600mm，加固后的结构体系仍为框架结构形式。平面布置见图5。

3.3 加固验算

图5 加固布置图

采用建研院编写的PKPM 系列程序中的混凝土结构鉴定加固－8层有限元程序计算得加固后结构的楼层抗震能力指数，具体数值见表3与表4。

表3 X 方向上楼层抗震能力指数

表4 Y 方向上楼层抗震能力指数

4 结论

1）增大截面法加固能提高框架柱各项性能，包括轴压比，抗剪承载力和抗弯承载力等参数，而且施工容易，经济适用。当增大截面法对空间有要求，而且在施工过程中需要注意新旧结构连接的处理。包括保证新旧混凝土的结合，新增钢筋的锚固，梁柱交接处箍筋钻孔对原结构的影响。

2）本工程加固前后平面结构楼层综合抗震能力指数对比见表5。根据加固前后平面结构楼层综合抗震能力指数的对比表格可知，因为X方向在加固之前抗震能力指数仅有第一层不满足要求，故X方向抗震能力较好，故X方向的楼层综合抗震能力指数增长幅度平缓，最小也达到18%而最大达到49%。而Y方向在加固前1～5层楼层综合抗震能力指数大多数不足，只有第四层刚好满足要求，说明Y方向抗震能力薄弱，采用增大截面法加固之后，Y方向的楼层综合抗震能力指数增长幅度明显，最小达到78%而最大达到196%。由此说明增大截面法对本工程中薄弱柱确实有较好的加固效果。

表5 加固前后平面结构楼层综合抗震能力指数对比

［1］罗凌霄.浅谈钢筋混凝土框架结构设计应注意的事项＿汶川地震建筑震害启示［J］.建筑科学，2009（2）：101－101.

［2］谭皓，李杰，张电吉，等.玉树地震灾区底框砖混结构建筑的震害调查［J］.浙江建筑，2011，28（1）：20－23.

［3］赵宏强，赵来顺，王丽梅.加大截面法加固混凝土构件的动力性能试验研究［J］.土工基础，2009，23（5）：76－79.

［4］中华人民共和国行业标准.JGJ 101－96 建筑抗震试验方法规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.

［5］中华人民共和国国家标准.GB 50023－2009 建筑抗震鉴定标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［6］中华人民共和国行业标准.JGJ 116－2009 建筑抗震加固技术规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［7］冯丽娜.多层框架结构抗震加固效应的综合分析与评价［D］.西安：西安建筑科技大学.