某框架-抗震墙结构加固改造分析

赵 城

(北京联合大学，北京100101)

1 工程概况

某医疗急救中心项目建于2006年，框架-抗震墙结构，地下3层，地上10层，局部11层。层高为地下3层3.9 m，地下1，2层4.3 m，地上1层6.0 m，2～4层4.4 m，5层以上3.9 m，总高度46.20 m，局部塔顶高48.85 m，总建筑面积15788 m2。建筑平面如图1，2所示。

图1 地下结构平面

由于县级及以上急救中心的重要性，本建筑的抗震设防类别应为重点设防类，而原设计将该建筑抗震设防类别划定为标准设防类，不符合国家标准相关规定，应将现有建筑标准设防类别提高至重点设防类别。另外，因功能需要，业主提出对该建筑进行改造，将原有的天井进行封堵改造(见图3)，改变了建筑的使用功能。为保证结构安全和改造方案可行，受业主委托，权威技术部门对该建筑进行了抗震鉴定，并在此基础上，通过计算分析，合理控制结构动力特性和位移，提出优化结构整体加固设计方案。

图2 地上结构平面

图3 天井封堵平面

2 抗震鉴定

利用PKPM-SATWE结构计算软件对结构进行整体建模和计算分析，同时结合该建筑的外观质量及结构构造措施等，得出如下鉴定结论。

1)外观质量基本满足要求。

2)构造措施 地下室顶板作为上部结构的嵌固端时，柱侧配置钢筋不满足规范要求；部分框架梁箍筋直径不满足规范要求；部分框架柱的轴压比偏大，框架柱箍筋肢距较大，不满足规范要求。

3)结构抗震承载力验算 部分抗震墙、框架柱和框架梁抗震承载力，以及部分框架柱的轴压比不满足规范相关要求。

4)变形验算 楼层扭转比最大为1.43，扭转较严重。

3 加固方案分析

结构由原来标准设防类别提高至重点设防类别，部分结构构件抗震承载力不足，可采用增大截面、外包角钢和粘贴碳纤维等常规的加固方法对相应构件进行加固。但该建筑较主要的问题是结构平面刚度分布不均，造成结构扭转严重，应重点解决，而调整结构抗震墙的分布是解决结构平面刚度分布不均的有效途径。调整思路应从以下方面考虑。

1)从结构周期角度判断结构刚度合理性

结构刚度越大周期越小，周期大小与刚度的平方根成反比，与结构质量的平方根成正比。框架-抗震墙结构的单位面积重力荷载代表值为13～15 kN/m2。

按正常设计，非耦联计算地震作用时，框架-抗震墙结构周期大致在以下范围:T1=(0.08～0.12)N，式中，N为结构计算层数。如果周期偏离上述数值太大，应重新考虑结构刚度的调整。

2)从结构位移角度判断结构刚度合理性

结构的层间位移角与结构整体刚度相关，计算的层间位移角越小，结构总体刚度越大，反之亦然。结构的弹性层间位移角应满足GB50011—2010(2016版)《建筑抗震设计规范》第5.5.1条的要求。同时，通过楼层的位移比控制刚度均匀性。

3)抗震墙数量合理性确定

根据相关文献，当铰接框架-抗震墙结构刚度特征值λ=1.0～2.5时，结构中的框架和抗震墙的刚度比较均匀匹配，整体结构受力比较合理均匀。λ计算公式为:

式中，H为结构计算总高度；C为各层框架平均抗推刚度；E I为抗震墙总刚度。

根据以上原则，通过采用对现有抗震墙进行增厚、开洞和新增抗震墙等方法，调整结构平面刚度分布，以减小结构扭转，使结构整体受力更合理，计算结果如表1所示。

通过表1分析可知，原结构单位面积重力荷载代表值偏大，x方向结构刚度特征值λ为1.19，抗震墙数量合理，最大层间位移比为1.14，结构抗侧刚度分布均匀；y方向结构刚度特征值λ为1.01，抗震墙数量合理，抗震墙对结构影响大，最大层间位移比为1.43，结构抗侧刚度分布严重不均，故应适当增加结构y方向的抗侧刚度，调整其平面分布，使其均匀。改造时按y向适量新增抗震墙和对现有部分墙体加厚并部分墙体开洞2种方案分别进行建模，通过比较，第2种方案加固量少和结构难度较小，故本次结构改造采用部分墙体开洞方案。

表1 原结构和改造方案计算结果

4 抗震加固设计

根据竣工图纸和现场情况，结合结构鉴定结论，针对存在的问题，通过分析，本次设计采取如下加固处理措施。

1)对计算中轴压比和承载力不满足要求的框架柱，采用增大截面(现浇钢筋混凝土围套)法进行加固。

2)对轴压比满足而纵向钢筋不满足要求的框架柱，采用外包角钢套的方法进行加固处理。

3)对箍筋不满足构造要求的框架柱，采用粘贴碳纤维布或钢板箍的方法进行加固。

4)对抗震承载力不满足要求的框架梁，采用外包角钢套的方法进行加固处理。

5)对抗震承载力不满足要求的抗震墙，采用增大截面法进行加固。

6)针对原结构扭转严重的问题，采用对原结构部分抗震墙进行增大截面(增厚)和部分抗震墙开洞的方法调整结构抗侧刚度的分布，使结构更加合理。

采用本改造方案前，业主委托另一家设计单位对结构改造设计，施工预算约1450万元。由于原加固改造方案未考虑抗震设防类别的变化且投资较大，所以业主采用本结构改造方案，现已经顺利实施，施工预算约600万元，为业主节省投入850万元，且加固量小，安全性高，受到业主好评。

5 结语

通过本次结构改造，从结构周期、结构位移和结构刚度特征值的原则控制框架-抗震墙结构的整体特性，优化结构改造方案，既能使结构更合理，又为业主节省了投资。