某框架结构屈曲约束支撑法加固改造设计

0 引言

国内数量众多的老建筑物，其抗震设防水准已无法满足我国现行抗震设防的要求。在其加固改造过程中，需要广大设计人员不断探索出合理有效的加固设计方法，确保改造后既能提高结构的抗震性能和建筑使用全过程中的安全可靠，又能满足新的建筑功能需求，且经济合理。

近年来，在改造设计领域，较为常用的加固方法有外包钢加固法、黏钢法、黏贴碳纤维法、加大截面法等。这些常用的加固方法，对于常规建筑的加固是有效合理的。但是对于高设防要求的老建筑（如特殊设防类、重点设防类），这些加固方法的效率不高，有待探索更为合理有效的加固改造技术。

本文以上海市静安区某街道社区卫生服务中心迁建工程为例，介绍一种综合加固方法，即“增设屈曲约束支撑-加大构件截面”的方法。此方法从两个维度入手：一方面，从结构体系的维度着手,通过增设屈曲约束支撑改变原有结构体系；另一方面，从具体构件的维度着手,通过采用加大构件截面的方法，提高构件的承载能力。

1 工程概况

上海市静安区某建筑原为上海裸铜线厂综合楼，始建于1987年，地上4层，结构形式为钢筋混凝土框架结构。1989年，该建筑进行了第一次改建，改建内容为在原有结构上加建1层，房屋总层数增加为5层，房屋使用功能没有改变。

本次改建将其改为社区医院，主要功能包括医技、门诊、病房、医护办公等。改建过程中，拟对其先拆层再加层，将原来的第3层楼板（标高10.770）整体拆除，然后在原来的2～4层结构板之间增加2层，新增加的2层楼板标高分别为8.610、10.660（图1）。

2 鉴定检测结论

改建前，首先对原建筑进行检测鉴定，结果如下：

（1）该建筑有关混凝土结构强度等级达到C28的等级要求。

（2）根据房屋损坏情况调查结果，该建筑目前没有发现明显的结构损坏现象，但西侧、北侧和东侧外墙均出现大面积龟裂现象。

（3）根据沉降测量结果，该建筑最大总偏移量为16.3mm，最大倾斜率为0.9‰，其值在《上海市地基基础设计规范》（DGJ 08—11—2010）规定的限值4.0‰之内；而《危险房屋鉴定标准》（JGJ 125—99）规定倾斜率＞10‰的为危险房屋，因此，本建筑不属于危险房屋。

（4）按现行设计规范对房屋结构的承载力进行了计算复核，必须对承载力不足的构件采取加固措施。

（5）遵照《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）中C类建筑的要求对该建筑进行抗震鉴定。根据对其相关抗震措施的核查和结构抗震验算结果，发现其部分抗震措施不满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）的要求，需进行抗震加固处理。

4．疗效评估：评估指标主要为消化不良症状(脂肪泻、体重减轻、腹胀)以及营养状况的改善[32]。胰腺外分泌功能检测亦可协助评估疗效，如13C-MTG-BT检查有助于评价PERT的治疗效果[40]，而FE-1检查只能测定自身胰酶分泌情况，因此不用于评估疗效。

图1 改造示意图

3 加固改造设计

3.1 房屋原结构情况

原房屋采用桩基—柱下独立承台基础。桩基采用钢筋混凝土预制方桩，桩基截面为240×240，桩长24.5m，总桩数为90根；承台间设有基础梁。上部结构（框架结构）的构件截面尺寸如表1。

对原结构进行建模计算，得到的计算结果如表2、3。

上述计算结果表明，原房屋在地震作用下，X向、Y向的层间位移角不满足现行规范关于框架结构弹性层间位移角限值（＜1 / 550）的要求。

3.2 结构体系

原建筑主体的结构体系为钢筋混凝土框架结构。本次加固改造过程中，需考虑如下几个因素：①原有房屋抗侧刚度不足，无法满足现行规范对于层间位移角的要求；②原有房屋抗震能力有限，原有框架梁柱配筋均不大；③本次改建设计，需要在原有房屋基础上再增加1层，导致总的地震作用显著加大；④房屋功能改变后，恒、活荷载均有所增加，导致总的地震作用加大。因此，经过方案对比试算，从结构体系上决定采用增设屈曲约束支撑的方法。

表1 各层构件截面尺寸

表2 原结构最大层间位移角

表3 原结构周期

图2 支撑南立面图

图4 支撑东西立面图

图3 支撑北立面图

图5 结构透视图

沿房屋东南西北4个立面均增设了屈曲约束支撑，各立面图如图2～4所示，结构三维透视图如图5所示。在原来的钢筋混凝土框架结构上增加支撑后，可达到如下效果。

（1）可以有效增大结构的抗侧刚度，使结构满足现行规范对于层间位移角的要求。

（2）结构加层后，楼层层高差别较大，导致各层抗侧刚度比严重不满足的现状，可以通过调整支撑截面、数量的方法解决，从而显著改善结构的竖向不规则性。

（3）沿房屋通高布置的支撑，可有效减小框架梁柱所承担的地震作用，减小混凝土框架的配筋量，从而可以较大程度地减少混凝土梁柱的加固工作量，减少施工周期及加固造价。

（4）采用屈曲约束支撑，可以有效减小支撑断面，减少增设支撑后对建筑功能的影响，且支撑安装、拆卸均较为方便。

3.3 抗震等级

本项目的建筑功能为社区卫生服务中心，设有门诊、医技、住院功能，参照规范《建筑工程抗震设防分类标准》（GB 50223—2008）的要求，房屋的抗震设防类别为乙类（重点设防类）。房屋大屋面高度为23.370m，属于多层建筑。根据《建筑抗震设计规范》，本结构的抗震等级为二级。另外，对与支撑相连的框架，框架的抗震等级提高至一级；室内楼梯间四周的框架柱、框架梁，其抗震等级亦提高至一级。

3.4 整体指标结果

采用PKPM系列软件中的SATWE进行计算，得到加固改造后结构整体指标（表4）。

3.5 位移角控制标准

原建筑结构为框架结构，增设屈曲约束支撑后，底层支撑承担的倾覆力矩占比分别为38.07%、38.77%，未超过50%。参考《建筑抗震设计规范》第6.1.3条，结构仍然按照框架结构体系进行设计，但层间位移角的控制标准取框架结构（1/550）和框架剪力墙结构（1/800）的插值。

表4 整体指标结果

图6 支撑与梁柱的连接节点

计算得到的最大层间位移角分别为1/680、1/783，满足插值要求。

3.6 支撑与原有梁柱构件的连接

本项目为加固改建项目，新增的屈曲约束支撑需与原有梁柱构件可靠连接。设计中，在节点处包裹连接用的钢板，用对穿锚栓将钢板与梁柱可靠连接，再将屈曲约束支撑安装在钢板上（图6）。

3.7 梁柱构件加大截面法加固

采用SATWE对结构进行全模型计算分析，并考虑相应的抗震构造要求。比对已有结构构件的配筋设计，当原有构件不满足承载力要求或抗震构造要求时，对原有构件进行加大截面法加固。加固设计的主要依据是《建筑抗震加固技术规程》（JGJ 116—2009）、《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013），典型加固详图如图7、8所示。

图7 框架柱加大截面法典型详图

图8 框架梁加大截面法典型详图

3.8 地基基础的加固

原建筑地基基础设计采用预制混凝土桩基-柱下承台-基础梁形式。本次加固改造，涉及房屋加层，且伴随着建筑功能的改变，房屋恒、活荷载和墙体荷载均发生变化。经计算，加固改造后房屋总体重量增加，需要对原有桩基基础进行加固。

参考地质勘查报告的建议，结合过往工程建设经验，并考虑施工可能性及场地限制条件，决定采用锚杆静压桩进行桩基加固。锚杆静压桩具有施工机械轻便灵活、作业面小、可在室内施工、无振动、无噪音等特点，在场地狭小、施工高度受限制的改建建筑物的地基加固工程中，有良好的效果。

图9 承台典型加固详图

设计选择300x300的预制混凝土方桩作为受力桩型，桩端持力层定为第⑥层（暗绿色粉质黏土），有效桩长24.5m，单桩承载力设计值（上海规范）为500kN。加桩后，对承台进行相应的加固（图9）。

4 结语

综上所述，本次改建工程通过采用增设屈曲约束支撑的方法，提高原结构的抗侧刚度，使其满足规范对于层间位移角的要求；同时，通过调节屈曲约束支撑的数量、轴向刚度，改善结构的竖向不规则性，改善因层高差异过大引起的各层抗侧刚度比严重不满足的现状。此外，通过增设屈曲约束支撑，亦减少了框架梁柱所承担的地震力，减少对梁柱构件的加固量；而对仍然不满足的梁柱构件，则采用加大截面法进行构件承载力加固。

最终，通过合理布置屈曲约束支撑，使结构整体指标均满足现行规范要求，符合现行抗震设计标准，确保加固后结构的安全可靠性。