某既有钢筋混凝土框架结构改造设计与分析

董 明 卢文生，* 张 亮 黄坤耀

（1.上海杰筑建筑规划设计股份有限公司，上海 200092；2.央固工程科技（上海）有限公司，上海 201112）

0 引 言

随着我国经济和技术的不断发展，人们对于房屋建筑的功能不断有了新的需求。为了更好地利用建筑空间，实现新旧功能的转换，需要对既有建筑进行改造。限于建造时的技术水平和设计标准，既有建筑的抗震性能往往不能满足目前的抗震设防要求。在改造时往往需要同时考虑抗震加固。本文针对某既有钢筋混凝土框架结构的建筑改造需求，提出了基于结构体系的加固方案，提升了原结构的整体抗震性能。本次工程实例介绍了设计中的结构体系加固、抽柱设计及楼层结构梁柱节点再造设计的设计思路及实际施工中的工程做法。

采用屈曲约束支撑（BRB）对框架结构体系进行抗震加固的技术历经了多年的探索［1］，尤其是在汶川地震后，该项抗震加固技术得到越来越广泛的应用［2］。本文结合大震弹塑性时程分析，也对该技术的应用效果及技术要点进行了详细的分析。

抽柱工程是结构改造的难点之一，常规的抽柱工序为先增设临时支撑、抽柱后再做托换梁、最后临时支撑卸载的方式［3］。而本项目采用了另一种更加安全可靠的抽柱工序，也是一种技术创新探索。

1 工程概况

本工程位于上海市，原建筑功能为政府招待所，建于1987年。原建筑地上6层（局部7层），地下1层，结构总高度为22.25 m，建筑面积约为6 020 m2。建筑的结构形式为钢筋混凝土框架结构，标准层的结构平面布置如图1所示，结构采用筏板基础。建筑安全等级为二级，未进行抗震设计。

图1 标准层结构平面布置图Fig.1 Typical structural plan

1.1 建筑改造主要内容

根据业主的要求，对现有房屋进行功能改造，改造的主要内容如下：

（1）主楼地下室～三层使用功能改为幼儿园，四楼及以上各层改为培训教室；

（2）主楼1～10/E～G轴区域、A～G/12～14轴区域拆除原楼梯并增加电梯及楼梯；

（3）主楼门厅大堂处抽除一层11/B轴的原混凝土柱；

（4）主楼三楼的楼面标高降低600 mm。

改造后建筑的抗震设防类别为重点设防类，抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为IV类，设计地震分组为第二组。基本风压为0.55 kN/m2，地面粗糙度为C类，基本雪压为0.20 kN/m2。

1.2 结构的主要问题

按A类建筑（设计后续使用年限30年）对该建筑进行抗震鉴定［4-5］，其抗震性能不满足要求。根据改造方案对结构的承载力和变形进行验算，结构主要存在如下问题：

（1）一层至四层部分框架柱承载力不满足要求，一层及地下室部分框架柱的轴压比偏大；

（2）较多的框架梁承载力不足，部分梁的配筋存在超筋现象；

（3）原结构Y方向的框架梁截面尺寸及刚度较小，框架为单向设置，不满足双向框架结构的要求；

（4）结构一层、三层及四层的抗侧刚度均小于其相邻上层抗侧刚度的70%或上三层平均抗侧刚度的80%；结构一至四层的最大层间位移角均大于限值1/550；结构顶层的最大扭转位移比为1.83，也大于限值1.50。

2 结构加固设计

2.1 结构加固方案

根据改造方案进行验算后得知，原结构有较多的框架柱和框架梁的承载力不足，若采用逐一加固构件的常规加固方案，会导致原结构的大部分框架柱和梁需要采用加大截面法加固，将对建筑目前的使用功能造成显著的影响。因此，本项目提出了基于结构体系的加固方案，对抗侧力构件和竖向承重构件进行调整，构建整体刚度分布合理、传力路径明确的结构体系。然后在合理的结构体系下，再进行整体计算分析，对个别尚不能满足规范要求的构件再进行加固处理。

针对本项目的结构特点及原结构的性能，在满足改造方案的建筑功能要求的基础上，为尽可能减少对原结构的改动，本方案拟采用增设屈曲约束支撑（BRB），一方面可以大幅度提高房屋的侧移刚度和抗震能力，同时可以减少整个结构的加固量。

根据改造方案，BRB基本布置在周边的填充墙部位，不影响建筑功能。经过分析，在原结构一至五层增设BRB，每层布置6组，共30组，BRB的平面布置如图2所示，图中涂黑的部位为BRB的布置位置。

图2 BRB的平面布置图（单位：mm）Fig.2 Layout plan of BRB（Unit：mm）

2.2 采用BRB加固的结构抗震性能分析

采用SATWE软件建立了采用BRB加固的结构的计算模型，如图3所示。进行了改造后结构在多遇地震作用下的计算分析，增设BRB加固结构前后，结构的整体计算指标对比如表1所示，结构加固后的各项计算结果均符合规范的要求。

表1 加固前后结构的整体计算指标对比分析Table 1 Comparative analysis of overall calculation indexes between the original structure and the strengthened structure

图3 加固后结构的计算模型Fig.3 Analysis model of the strengthened structure

采用BRB后，梁、柱的计算配筋大幅减小，需要进行加大截面加固的构件数量也大幅减小，柱子需要加大截面的数量由230根减小为66根，梁需要加大截面的数量由258根减小为36根。加大截面构件数量的大幅减小，可以大大减少结构加固对建筑功能的影响，不仅工期更容易保证，总体的加固成本也大大节省了。

为了检验改造后结构在罕遇地震作用下的抗震性能，采用SAUSAGE软件建立了结构的非线性数值计算模型，计算了结构在罕遇地震作用下的时程响应。时程分析采用了SAUSAGE软件的地震波库中满足《建筑抗震设计规范》［6］相关要求的两组天然波和一组人工波，三组地震波主方向的加速度反应谱与设计反应谱的对比如图4所示，各组地震波的反应谱与设计反应谱比较一致。

图4 各组地震波主方向的加速度反应谱与设计反应谱对比Fig.4 Comparative analysis between the acceleration response spectrum and the design response spectrum

计算结果表明，罕遇地震作用下结构的层间位移角、主要结构构件的损伤状况、BRB构件的滞回曲线、BRB子结构大震作用下的结构性能等均满足相关规范的限值。

结构在各组地震波作用下的基底剪力如表2所示。大震弹塑性时程分析得到的基底剪力与小震弹性时程分析得到的基底剪力比值在3.44～3.99之间，总体处于合理的区间。

表2 结构基底剪力计算结果Table 2 Calculation results of the structural base shear

主体结构在各组地震波作用下的最大层间位移角如表3所示。主体结构的最大弹塑性层间位移角X向为1/78，Y向为1/128，均小于框架结构1/50的规范限值要求。

表3 最大层间位移角计算结果（主体结构）Table 3 Calculation results of the maximum interlayer displacement angle（main structure）

地震波2作用下（结构损伤最严重）结构构件的性能水准情况如图5所示。分析表明，首层及二层Y向BRB首先进入屈服耗能，然后是框架梁进入塑性变形，最终顶层构架层柱开始出现塑性变形。塑性变形的开展顺序符合抗震概念设计和设计目标。由图可知，除顶层构架层部分构件均处于重度损坏以外，大部分构件均处于轻微损坏至中度损坏范围。计算结果表明，在罕遇地震作用下BRB可以产生良好的耗能效果，在增强整体刚度的同时为结构提供了额外的附加阻尼比，减少了结构的损伤，大大提高了结构抵抗罕遇地震作用的能力。

图5 地震波2作用下结构构件的性能水准Fig.5 Structural performance level under the action of seismic wave 2

3 抽柱的加固设计及施工

采用抽除底层柱以形成大跨度、大空间结构的做法，可以有效扩大使用空间，满足建筑功能的特殊需求。随着各种建筑结构加固技术的不断发展完善，抽柱的施工工艺也在不断成熟。本项目建筑为了在主楼门厅大堂处形成大空间，在一层的11/B轴处需要拔除一根柱子。

3.1 抽柱的改造加固设计方案

本项目所抽除的框架柱位于结构首层，对二层、三层该跨处的框架梁均按照转换梁的要求采用加大截面的方法进行加固［7］，形成双层托换，两端的框架柱也均采用加大截面的方法进行了加固，加固方案如图6所示。

图6 一层抽柱设计的加固方案示意图Fig.6 Strengthening design scheme of removing column on floor 1

抽柱的施工工艺对于切实落实设计的意图至关重要，因此在抽柱设计中对施工工序提出了明确要求：采取先施工托换梁、后抽柱的方式，即抽柱应在二层及三层梁加固后方可进行，并要求施工单位在拆除框架柱前编制专项施工方案。与常规的抽柱工艺——先增设临时支撑、抽柱后再做托换梁、最后临时支撑卸载的方式相比，采用本工程的方法抽柱，施工过程更安全、可控。

3.2 抽柱施工过程的监测结果及分析评价

为保证抽柱施工的安全，在加固及抽柱施工期间进行了以下监测：

（1）通过设置可读数千斤顶来达到确保构件应力释放缓慢进行的要求；

（2）对新增托换梁进行变形和应力应变监测。

每道托换梁设3个监测断面进行应力应变监测，每个监测断面布置2个混凝土应变计。每道托换梁布设2个挠度监测点，在托换梁的跨中区域安装两台位移传感器。应变和挠度监控测点的布置如图7所示。

图7 应变和挠度监控测点布置示意图Fig.7 Layout plan of strain and deflection monitoring points

监测结果如图8、图9所示。根据监测数据结果及实际工程效果，在顶升加载和卸载的全过程中，转换梁的挠度变形和应变的变化规律和变化幅度都与设计分析的结果基本一致，转换梁在短期内的跨中挠度最大值仅为1.66 mm，综合考虑后期梁体收缩徐变下的刚度降低以及装修荷载、活载的增加，转换梁的长期挠度变形完全可控制在规范要求的范围之内。

图8 转换梁应变测点监测结果Fig.8 Results of strain monitoring points on transfer beams

图9 转换梁挠度测点监测结果Fig.9 Results of deflection monitoring points on transfer beams

该工程目前已经改造完毕并投入使用，经跟踪观察未见异常现象，说明该抽柱设计及施工方案合理有效、安全可靠。

4 梁柱节点再造的设计

该工程原二层层高为4.5 m，三层层高为3.3 m，根据改造为幼儿园后的使用要求，要求将三层楼面标高降低600 mm，从而使改造后的二层层高为3.9 m，三层层高为3.9 m。为保证结构刚度及抗震性能不被削弱，三层新增的楼面结构仍采用现浇混凝土结构。因此，三层新增混凝土楼面结构就涉及全部的新增框架梁和原有框架柱的连接节点设计。不同于新建结构，新增梁与原框架柱的“梁柱节点再造”就是改造设计的重点了，常规梁植筋方案不能满足抗震规范对梁柱节点核心区的抗震性能要求。同时，考虑到施工的便利性和可行性，对该处“梁柱节点再造”的设计进行了优化。

本次“梁柱节点再造”设计的思路是参考国家建筑标准设计图集《混凝土结构加固构造》［8］中的“中间楼层节点核心区承载力加固（增大截面法）”和“无柱帽板柱节点加固”方法，在原有框架柱与新增框架梁的连接节点处新增柱帽，新增柱帽通过植筋销键与原有柱结合成整体，柱帽内按设计要求设置箍筋。新增梁的部分主筋直接植入原结构柱内，同时在柱连接处加大梁宽，从而使新增梁的部分主筋可以绕过原框架柱而锚固在新增柱帽内，这样在新增柱帽处就形成了新的符合抗震要求的梁柱节点，节点的构造如图10、图11所示。此节点再造方法一方面大大增强了新增梁柱节点处的抗剪承载力，另一方面又减少了传统的全部植筋对原结构的损伤以及现场操作的难度及安全隐患。与传统方法相比，此方法节省成本显著，施工的可操作性和安全性都有大幅提升。

图10 三层新增框架梁与原柱连接中部节点Fig.10 Middle joint of new column and existing beams

图11 三层新增框架梁与原柱连接端部节点（单位：mm）Fig.11 End joint of new column and existing beams（Unit：mm）

5 结 论

本工程因业主改变既有建筑的使用功能而对其进行了结构改造，在结构加固设计过程中着重概念设计，根据建筑功能改造需求，提出了基于结构体系的加固方案，即首先构建结构体系的完整性和合理性，然后再进行构件的加固设计。设计与分析结果表明，结构体系加固方案在有效提升了原结构抗震性能的同时，达到了节省工期、节约造价的效果。

对于本项目底层抽柱的改造需求，在设计时首先分析了抽柱后结构的受力变化和变形情况，其次明确了施工工艺要求、制定了合适的施工措施，并在抽柱的施工过程中进行了监测与分析评估，工程实践证明了该抽柱设计及施工方案合理有效、安全可靠。

另外，根据建筑改造的要求，楼板标高的调整导致本工程需要凿除原结构楼板、新增结构楼板，因此新增梁与原框架柱的“梁柱节点再造”是改造设计的重点。本工程提出的梁柱节点再造方法既能满足承载力的要求，又大大减少了对原结构的损伤，工程实践证明该节点设计方法安全、可靠、施工方便。