基于ETABS软件的检测鉴定及加固设计分析

梁亚雄王立功

（1兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050）

基于ETABS软件的检测鉴定及加固设计分析

梁亚雄1,2王立功1

（1兰州理工大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730050；2兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050）

本文以甘肃省某18层框剪结构住宅楼的地下室框架柱出现软弱夹层为背景，对该住宅楼进行了检测鉴定及加固设计。该建筑由于施工不当，致使地下室相邻的两根框架柱出现了软弱夹层。因为有软弱夹层的存在，最终导致在使用过程中夹层处被压缩，柱身产生较为严重的不均匀沉降，并且变形还在继续。通过检测得到混凝土框架柱的形变大小、混凝土的强度、碳化深度、保护层厚度以及裂缝宽度等重要数据，然后使用有限元软件ETABS进行了建模分析，由此也进一步的验证出检测数据的可靠性。通过有限元分析同时也得到更加准确的加固顺序以及加固范围，从而制定出更加有效可行的加固方案。有了这一分析过程也将给现实工程中的加固方案制定过程提供参考。

框架柱；软弱夹层；检测鉴定；加固

随着对建筑物进行检测和加固的工程项目增多，从而使得对检测和加固的技术要求越来越高。2006年，徐镇凯[1]等人对已有的检测和加固方法做了系统的总结与归纳。根据对建筑物进行检测和加固的经验来看，检测数据的准确性对加固方法制定有很大的影响，而在对建筑物进行检测的过程中，会因为许多主观和客观因素的影响，从而导致检测数据不够准确。2015年，胡智伟[2]对影响某结构安全性鉴定结论的因素做了差异性分析。为了能够制定更加有效合理的加固措施，可以先对所要检测的建筑物利用有限元软件进行建模分析，然后将分析结果与检测数据进行对比，最后制定加固方法。2015年，夏敏[3]等人为了分析受损结构在修复、加固后的力学性能，利用ABAQUS有限元软件的开发平台，建立ASFCF分析系统，对受损、修复和加固后的结构进行建模分析。基于上述原因，对本次的工程进程制定了以下次序：首先对框剪结构进行现场检测，然后利用有限元软件对加固前的住宅楼进行建模分析，最后根据对比结果制定合理的加固方案。

1 建筑结构概况

该工程为某住宅小区二期的一栋住宅楼，建成于2013年05月，为钢筋混凝土框架剪力墙结构，主体结构地上十八层（局部十九层），设一层地下室，建筑总高度54.60米，矩形平面，建筑总长度为55.6米，总宽度为16米，高宽比4.83，室内外高差400mm；设计使用年限为50年，结构安全等级为二级，丙类建筑，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组第三组；基础设计为乙级，框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级。该建筑基础采用钢筋混凝土平板式筏形基础，筏板厚度为1米，基础持力层为卵石层（平面布置图如图1所示）。

该住宅楼某住户在9月13日发现地下室16/C轴和16/B轴线两根混凝土柱腹部部位出现抹灰层脱落，周围框架梁出现较为密集的裂缝。对此相关管理部门十分重视，随即对发现的两个混凝土柱进行抹灰面层开凿观察，观察发现材料颜色呈灰白色，不同于正常混凝土的颜色，材质松散，内部无粗细骨料，并出现多道竖向裂缝，该层物质与上下部混凝土有明显分界线，剥落下来为白灰色粉末凝结块状物，手可掰碎。在发现这一现象的第二天建设单位对出现严重缺陷的两根柱子四周用HN300工字钢进行了临时支撑（见图2所示）。

图1 地下室平面布置图（图中红色标记柱有软弱夹层）

图2 严重缺陷柱工字钢临时加固照片

2 检测鉴定

根据建设局提供的原设计图纸、在现场了解到的情况以及《民用建筑可靠性鉴定标准》[4]和《建筑结构检测技术标准》[5]等规范，对现场已经开凿的16轴两根框架柱、缺陷柱邻近区域框架柱以及框架梁进行了现场检测鉴定。

2.1 现场检测鉴定[6]

1）外观普查

外观普查包括出现软弱夹层的框架柱、缺陷柱邻近区域框架柱以及框架梁等。

①缺陷柱：材料颜色呈灰白色，不同于正常混凝土的颜色，材质松散，内部无粗细骨料，并出现多道竖向裂缝，该层物质与上下部混凝土有明显分界线（详见图3）。

②相邻框架柱：柱身有较多的裂纹，框架柱7/B、9/C出现离析、蜂窝及露筋严重缺陷。

③相邻框架梁：梁身有大量的裂缝（见图4）

图3 缺陷柱的异质夹层

图4 框架梁的弯剪裂缝

2）裂缝普查与检测

从检测结果来看，混凝土柱和梁均出现了不同程度的裂缝。

①混凝土梁裂缝主要表现为剪切裂缝、剪弯裂缝、斜拉裂缝和弯裂缝，出现的位置为缺陷柱相邻区域。同时，普查了1-4层该区域的混凝土梁，同样出现了类似的裂缝，窗角出现斜向裂缝。

②缺陷柱相邻18/B、18/C、15/B出现了一些竖向裂缝；其余柱裂缝，多数表现为不规则的龟裂，为非受力性裂缝。

3）混凝土构件变形检测

本次工程现场检测时缺陷柱夹层压溃沉陷，梁端下移，采用拉线测量梁端高差，检测的结果中包含了梁端下移量、施工误差和自重作用下的变形。经检测最大下移量为C/7-9框架梁端2.28cm。

4）钢筋位置、直径、数量及保护层厚度检测

本次工程现场检测使用钢筋位置测定仪对框架柱进行了普检，对框架梁进行了抽检。检测结果显示被检测的所有构件的钢筋位置、直径、数量及保护层厚度均达到了规范要求。

5）混凝土抗压强度测试

混凝土抗压强度测试，采用回弹法进行测试，检测范围为5#住宅楼地下室所有混凝土梁、柱构件。经测试，所测地下室混凝土梁、柱共有54个构件（不含缺陷柱），其中梁混凝土抗压强度均达到设计强度，柱混凝土抗压强度未达到设计强度的有3个构件，分别为4/D、5/D和13/D。从测试数据来看，变异系数较大，混凝土抗压强度值存在较大离散性。

6）混凝土内部缺陷与均匀性检测

为了防止地下室其他框架柱内也存在缺陷，所以对构件混凝土内部质量（连续性和完整性）、均质性、不密实区、空洞等进行抽检，抽检数量9根，其余构件剔除抹灰层观察，并结合回弹数据分析。此次混凝土内部缺陷的检测，采用NM-4B非金属超声检测分析仪进行测试，对于内部质量采用对测法和斜侧法。在抽检过程中，着重对缺陷柱周围的柱子进行了检测，另外因为在前面检测过程中发现7/B轴线的框架柱出现了离析、蜂窝及露筋，缺陷区域为17cm×20cm，所以对其也进行了检测。

从对测法超声数据看，所测柱混凝土匀质性较差，在所测数据中存在较多的异常点，和本批数据相比存在差异，说明混凝土本身质量波动性较大。

表1 对测波幅、声速统计判断情况

从斜测法超声数据看，同样具有较大的波动性，但所测柱未出现明显的异质松散材料夹层。但18/B斜测数据出现异常，怀疑有异质材料或松散。

7）混凝土构件变形检测

构件变形应该是直接或间接荷载作用下，物体形状、位置发生的变化。本次工程现场检测时缺陷柱夹层压溃沉陷，梁端下移，采用拉线测量梁端高差，检测的结果中包含了梁端下移量、施工误差和自重作用下的变形。最大下移量为C/7-9框架梁端2.28cm。

3 ETABS计算与分析

3.1 ETABS软件建模数据

ETABS集成了大部分国家和地区的现有结构设计的重要计算分析软件[7]，该工程为混凝土框架-剪力墙结构的建筑物，建筑平面呈矩形分布。抗侧力体系由混凝土框架部分和剪力墙部分组成，剪力墙部分由三个楼梯间剪力墙及框架内部三个电梯井组成的核心筒组成。结构布局如下：X 方向 24 跨，总长度是55.6米，Y 方向 4 跨，总宽度是16米；结构共 19 层，包括地下一层，地上18层，地下一层层高3.6米，地上一到二层层高为3.9米，其余层高均为2.9米。各构件的截面尺寸如下：楼板厚度100mm； 剪力墙厚度：250mm；立柱尺寸分别为700mm、600mm、650mm、500mm、400mm的正方形截面；主梁截面：500mm×300mm；250mm×500mm；250mm×400mm。计算荷载具体如下：结构自重荷载，楼板面荷载 7kN/m2（因为楼内住户基本上已全部入住），外圈梁线荷载 10kN/m；楼板面荷载 2kN/m2，风荷载依据中国规范 2010 自动施加，基本风压 0.3kN/m2，地面粗糙度 B 类。

表2 斜侧波幅、声速统计判断情况

计算模型采用的材料属性数据如下：混凝土强度等级C35、C30，纵向受力钢筋 HRB335，箍筋HRB235。

3.2 ETABS软件运行分析结果

由上文可知两根柱子在柱子中部以及下部出现了夹层，致使柱子被压缩，整体承载力下降，经过检测发现夹层处的混凝土强度低于C15，基于以上的情况，在ETABS中将这两根柱子C35的强度降低到现有混凝土的最低值C15来进行模拟计算，在计算完毕后对其周围圆圈内的柱子轴力做统计，观察其变化。另外，在对检测数据进行处理后发现柱1/B、4/D、5/D、13/D的强度未达到C35，这几根柱子的强度分别为C30、C30、C25、C25，同时对这几根进行降低强度分析，观察变化。

图5 三维模型图

1）内力分析

D+L组合下轴向压力的变化

柱子编号轴线位置原始轴向压力（KN）降低砼强度D+L组合轴向压力（KN）D+L组合轴力差值（KN）增减百分比KZ-3a 18/A -4937.28 -6566.47 -1629.19 增大 33.00%KZ-3 17/A -6481.79 -8153.41 -1671.62 增大 25.79%KZ-3 15/A -5991.70 -7323.60 -1331.9 增大 22.23%KZ-3 10/A -6002.01 -7343.61 -1341.6 增大 22.35%KZ-8 18/B -9191.98 -8143.44 1048.54 减小 -11.41%KZ-8 16/B -927.05 -931.57 -4.52 增大 0.49%KZ-7 15/B -6747.58 -7251.34 -503.76 增大 7.47%KZ-1 1/B -4094.29 -5271.64 -1177.35 增大 28.76%KZ-4 18/C -13823.67 -15132.95 -1309.28 增大 9.47%KZ-5 16/C -10643.91 -9622.64 1021.27 减小 -9.59%KZ-10 18/D -4082.0 -5139.07 -1057.07 增大 25.90%KZ-10 16/D -4023.09 -5417.48 -1394.39 增大 34.66%KZ-10 13/D -3206.69 -4502.01 -1295.32 增大 40.39%KZ-10 5/D -3615.27 -4874.06 -1258.79 增大 34.82%KZ-10 4/D -3452.52 -4685.76 -1233.24 增大 35.72%

从以上结果可以看到，由于地下室框架柱16/B和16/C的缺陷，导致周边大部分柱子(18/A、17/A、15/A、10/A、、16/B、15/B、1/B、18/C、18/D、16/D、13/D、5/D、4/D)轴力增加，轴压比发生变化，故建议对轴力增加较大的柱子进行加固。

4 加固设计方案

通过对ETABS软件计算结果进行分析发现，将地下室16/B和16/C缺陷框架柱的混凝土强度降为C15之后，导致其周围的8根柱子（18/A、17/A、15/A、15/B、18/C、18/D、16/D、13/D）轴力增加。基于ETABS软件分析，对结构加固方案进行了设计，具体的加固方案如下：

1）对地下室16/B和16/C缺陷框架柱进行托换处理。具体做法：首先，在地下室有夹层的柱子周围砌筑四个托柱，对缺陷柱进行卸载；然后，凿除夹层中的废料，换掉锈蚀的钢筋，再在柱子四面粘上有预留孔洞的厚钢板，通过预留的孔洞向剔除废料的地方浇注C60微膨胀高强度的混凝土，然后进行养护，当它彻底凝固后，拆掉四周的托柱即可。

2）一层16/B和16/C框架柱进行外粘钢加固：在柱子四周粘贴钢板，后灌环氧树脂，最后做保护层即可。

3）对因内力重分布导致的相邻区域轴力增幅较大、轴压比不足或出现受压裂缝的框架柱16/D、17/A、13/D、18/D、18/A、18/B、18/C、15/A和15/B进行粘钢加固，对轴力变化较小的框架柱10/A、12/D、19/A和20/D进行粘贴碳纤维加固。

4）对因地下室16/B和16/C框架柱异质夹层压溃沉陷导致地下室相邻区域出现裂缝的框架梁，及以上部分楼层相应区域出现剪切裂缝的框架梁，进行注浆封闭处理，并用粘贴碳纤维或粘钢进行加固。

5 结 语

该工程因为地下室16/B、16/C轴线的框架柱出现异质性软弱夹层，而对这两根框架柱进行了临时支护，并对地下室梁柱进行了详细的检测鉴定。使用ETABS有限元软件建模分析，制定出了更加准确的加固方案，大大的增加了加固方案的可行性。

1）利用超声进行检测，结果显示KZ8（轴线号18/B）的数据出现异常，怀疑有异质材料或松散，所以建议对其实施加固补强。ETABS软件模拟分析结果显示，两根缺陷柱周围共有8根框架柱的轴力增大，考虑到住宅的使用年限，提出对这8根框架柱实施加固。

2）ETABS软件的分析结果充分的展示了框架柱轴力的变化情况，从另一个角度也可以看出，如果不对轴力增大的8根框架柱实行加固，那么随着建筑使用年限的增加，缺陷柱周围的这8根柱子肯定会首当其冲的受到影响，甚至破坏。

3）结合现场检测和软件模拟分析的数据，制定的加固方案，更加具有可信度和可行性。

[1]徐镇凯.袁志军.胡济群.建筑结构检测与加固方法[J].工程力学,2006,23（Ⅱ）：117-130.

[2]胡智伟.某钢筋混凝土框架结构安全鉴定结论差异分析 [J].安徽建筑 ,2015,205(5):113-115.

[3]夏敏.余江滔.陆洲导.火灾后空间混凝土框架结构的受力性能模拟[J].防灾减灾工程学报,2015,35(3):378-342.

[4]GB50292:1999,民用建筑可靠性鉴定标准[S].北京:中国建筑工业出版社，1999.

[5]GB50344:2004, 建筑结构检测技术标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2004.

[6]王青沙.某框剪结构的检测鉴定及加层加固设计要求[J].工程抗震与加固改造，2015,37（1）：129-134.

[7]江雪梅.明伟.王海光.基于ETABS软件钢管砼板柱结构体系地震响应分析[J]. 工程抗震与加固改造，2010,32（5）：37-39.

Inspection assessment and reinforcement design analysis with ETABS software

In this paper，having a 18-storey residential building of frame-shear wall structure in GANSU province which its basement frame columns appear weak interlayer as the background,carried on detection and identification of the residential building and reinforcement design.Due to the unreasonable construction,weak intercalated layer was appeared between the two adjacent frame columns in the basement.Because of the existence of frame column with weak interlayer，eventually the intercalated layer was compressed in the employment.What’s worse, the frame columns produced severe and uneven subsidence, and deformation was developed continuously. Detailed detection on the whole structure at the scene was carried out,the settlement of frame column is deformation,the strength,carbonization depth,concrete cover thickness and crack width,and other important data, on these basis, a finite element model was established by the software of ETABS prior to the development of reinforcement scheme.so the testing data is reliable.Through finite elements analysis giving a more accurate sequence of reinforcement and reinforcement range, thus to develop a more effective and feasible strengthening program,with this analysis also give real engineering development process strengthening scheme reference.

frame column；weak intercalated layer；inspection assessment；reinforcement

TU746.3文献辨识码：B

：1003-8965(2017)02-0007-04

梁亚雄(1979－)，男，甘肃人，讲师，在读博士，主要从事钢结构教学与科研(E-mail:liangyx@lut.cn)；王立功(1988－)，男，甘肃人，硕士研究生；

国家自然科学基金项目(51368037) ；甘肃省高等学校基本科研业务费专项基金项目(1404ZTB256)，甘肃省建设科技建筑节能项目（JK2014-11）