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中国院任庆英大师：结构加固改造设计感悟

发布于：2023-05-04 08:55:04 来自：建筑结构/建筑加固 [复制转发]

全国工程勘察设计大师，中国建科首席专家，中国建筑设计研究院有限公司总工程师 任庆英 在“ 第六届抗震加固改造与城市更新技术交流会 ”上做了题为“ 结构加固改造设计感悟 ” 的精彩报告。

报告内容为：本文以北京隆福大厦项目为例，详细讲述了本项目的工程概况，加固改造设计原则及加固用主要材料；分别介绍了南楼和北楼的检测鉴定结论、处理建议及所采用的加固措施，最后介绍了本项目的结构减震计算及施工现场等。

一、工程概况

北京隆福大厦项目总用地面积 7081 ㎡，总建筑面积 62728.8 ㎡（其中地上建筑面积 47471.4 ㎡，地下建筑面积 15257.4 ㎡），建筑层数地上 9 层，其中第 9 层为局部突出大屋面古建；地下 3 层； 8 层顶结构高度 34.8 米，建筑物最高点 45 米。改造后的隆福大厦建筑功能为：首层二层及部分地下一层为商业，三层至八层为办公，九层屋顶 “ 庙堂区 ” 为文化活动类场所，地下层为车库及设备用房。

本工程东西向设 抗震缝一道 ，缝宽100mm，分成南、北两个结构单元，分别简称为南、北楼。其中，南楼地下3层，框架-抗震墙结构；地上9层，1~8层为板柱-抗震墙结构，9层为框架结构。北楼地下3层，板柱-抗震墙结构；地上9层，1~8层为框架-抗震墙结构，9层为框架结构。

自然条件及荷载情况

? 风荷载 。基本风压（50年重现期）：0.45kN/m2；地面粗糙度：C类。

? 地震烈度 。设防烈度： 8 度；设计基本地震加速度值： 0.20g；设计地震分组：第一组；建筑抗震设防类别：丙类。

? 后续使用年限 ：40年；建筑结构的安全等级：二级；地基基础设计等级：乙级；重要性系数： 1.0。

? 原结构设计图纸上的场地的工程地质及地下水条件 。

根据北京市勘察设计研究院第《94技365》号岩土工程勘察报告，基础坐落在天然地基上，持力层为粉细砂层，地耐力标准值为R=220kN/m2，修正后为494 kN/m2；地下水位在基础以下，地下水水质无腐蚀性。

? 原设计楼（屋）荷载

商场 3.5kN/m2（其中首层为 4.0 kN/m2）

办公 2.0 kN/m2；楼梯3.5 kN/m2；

卫生间 2.5 kN/m2；车库 4.0 kN/m2；

风机房 8.0 kN/m2；屋顶花园 kN/m2；

坡屋面 0.7 kN/m2；风荷载 0.35 kN/m2；

? 改造后设计楼（屋）荷载

按照中国国家规范GB50009-2012及业主使用要求采用下列之荷载标准值。

商场 3.5 kN/m2（其中首层为 4.0 kN/m2）；办公 2.0 kN/m2 ；楼梯 3.5 kN/m2 ；风机房 7.0 kN/m2 。

地下3层~地上9层的建筑平面图如下图所示。

二、加固改造设计原则及加固用主要材料

本工程加固、改造设计原则

? 使用功能由大型商业建筑改为办公建筑，抗震设防类别由乙类改为丙类。

? 控制加固改造后的重力荷载代表值及其分布不超过原建筑5%，地基基础不做加固处理。

? 严格控制剪力墙新增洞口，尽量减少对剪力墙剔凿、钻孔和改造。

? 楼板开洞尽量采用钢结构加固方法，减少湿作业和自重。

? 采用减震粘滞阻尼器提高结构抗震性能。

加固用主要材料

? 钢筋

基础、柱、梁、墙体边缘构件及墙体、楼板受力纵筋: HRB400；拉筋及分布筋：HPB300。

? 混凝土

? 钢材

结构用钢材将采用中国之标准钢材，采用Q345B。

? 加固用碳纤维

承重结构加固采用碳纤维，选用聚丙烯腈基不大于15K的小丝束纤维，严禁采用预浸法生产的纤维植物。

? 结构胶粘剂

混凝土结构加固中应采用粘结强度高，收缩性小，抗老化，耐久性好，无毒的结构胶粘剂。相关指标应符合《混凝土结构加固设计规范》(GB50367)和《混凝土结构工程用锚固胶》（JG/T 340-2011）的有关要求，并应同时满足以下要求：

承重结构用的胶粘剂，应采用 A级胶。

混凝土结构裂缝的修补应采用合成树脂或无机胶凝材料。

锚栓的技术要求：受力锚栓应优先采用机械锚栓；如采用化学锚栓，应采用定型化学锚栓(特殊倒锥形锚栓),胶体不低于A级胶标准。

? 砌体

填充墙砌体采用轻质空心砌块，强度等级不小于MU3.0，容重不大于8.0kN/m3，混合砂浆强度等级M5。地下部分的填充墙砌体，强度等级不小于MU5.0，容重不大于10.0kN/m3，混合砂浆强度等级M5。

三、南楼结构检测鉴定结论、处理建议及加固措施

南楼检测结论

1、经检查，南楼地下室部分 墙体存在竖向裂缝和斜裂缝 ，部分楼板 跨中底面存在裂缝 ；个别混凝土墙、楼板、连梁存在钢筋露筋、锈蚀现象。

2、经抽样检测， 南楼受火灾影响区域的构件混凝土强度为40.5～75.9MPa，满足设计要求。

3、经检测，南楼 墙、柱配筋基本符合设计要求。

4、经检测，南楼构件混凝土碳化深度为6.0～35.0mm。

5、经检查，南楼墙、板开洞粘钢加固所用钢板的截面尺寸符合设计要求。

6、对南楼1层E轴4根框架柱的外包钢加固所用钢板的截面尺寸进行了检测。

南楼鉴定结论

1、 结构抗震措施不满足规范要求。

（1）梁、柱箍筋直径偏小，不满足最小直径要求；

（2）大部分柱箍筋加密区及节点的箍筋体积配箍率偏小，不满足最小体积配箍率要求；

（3）部分抗震墙的约束边缘构件纵筋配筋量不满足最小配筋量要求；

（4）抗震墙约束边缘构件的箍筋配筋量不满足最小配筋量要求；

（5）轴线A未布置有梁框架，不满足要求；

（6） 防震缝宽度不满足要求。

2、地下室外墙竖向分布筋不满足计算要求，地下一层大部分外墙水平分布筋不满足计算要求； 一层夹层、一层大部分抗震墙水平分布钢筋配置不满足计算要求；二层～五层少部分抗震墙分布钢筋配置不满足计算要求。

3、一层夹层～二层部分抗震墙 约束边缘构件纵筋面积不满足计算要求。

4、部分约束边缘构件及构造边缘构件体积配箍率不满足要求。

5、部分连梁的箍筋配置不满足计算要求。

6、部分框架柱轴压比超限，不满足计算要求。

7、8层框架梁采用无粘结预应力筋，不满足规范要求。

综上，评定本结构综合抗震能力不满足规范要求。

南楼工程处理建议

（1） 建议采用增设支撑或抗震墙等方法进行结构体系加固， 或增设混凝土梁，将结构体系转变为普通框架-抗震墙结构体系。

（2）建议对配筋不满足要求的抗震墙，采取 加厚原有墙体或增设端柱等方法 进行加固。

（3）建议对轴压比不满足要求的柱采取 扩大截面 等方法进行加固。

（4）建议对8层预应力梁采取加强措施。

（5）建议对混凝土墙裂缝、楼板 裂缝进行注浆修补 。

（6）建议由具备资质的单位对该房屋进行整体加固处理。考虑加固难易程度及加固后使用功能的实现程度，房屋产权单位也可在获得城市规划行政管理部门批准后，对房屋进行翻建。

结构加固措施

南楼设计建设于1985年，结构已使用近30年，地上为板柱-抗震墙结构，8层结构高度为34.8米。按照现行规范，抗震墙抗震等级为二级，框架、板柱及柱上板带抗震等级为一级。结合检测鉴定报告，拟进行结构体系的改造加固，并对不满足计算要求的构件进行补强加固。

1．结合建筑功能，通过 增设减震阻尼器，减少地震作用 ，附加阻尼比为10%，实现最终阻尼比为15%，从而提高结构体系抗震性能的合规程度。

2． 增厚部分抗震墙的厚度 ，提高竖向墙体的抗震能力。

3． 对于轴压比不满足要求的框架柱，采用增大断面的方法 ，实现结构体系的抗震性能。

4．对于局部梁、板计算配筋不足的情况，结合构件的使用环境，分别采用用 增大断面、粘钢、粘贴纤维等方法 ，提高其承载能力。

5．通过上述措置，结构加固后的抗震缝宽度不满足规范要求的情况，亦在结构性能化设计的目标上，实现了设防地震不碰撞的要求。

四、北楼结构鉴定结论、处理建议及措施

北楼鉴定结论

（1） 结构抗震措施部分不满足标准要求 ：

· 地下室柱及三层柱柱净高与截面高度之比不满足要求；

· 框架梁与抗震墙的中线不重合，不满足要求；

· 部分地下室柱加密区箍筋间距不满足要求；

· 抗震墙边缘构件的箍筋配置不满足要求；

· 防震缝宽度不满足要求。

（2）各层柱轴压比均满足标准要求。

（3）结构在两个方向的最大层间位移角满足标准要求。

（4）部分连梁的钢筋配置不满足计算要求。

（5）地下三层～地上二层多数框架柱加密区箍筋配置不满足计算要求。

综合评定： 该结构综合抗震能力不满足现行标准要求。

北楼工程处理建议

· 建议对 存在露筋现象的混凝土构件进行加固处理。

· 建议对 因楼板开洞损坏的普通钢筋或预应力钢筋进行加固处理。

· 建议对外露的预应力端部区域进行封闭处理。

· 建议对存在收缩裂缝的墙体进行封闭处理。

· 建议对存在渗水的墙体进行修补处理。

· 建议对 开裂渗漏的楼板进行修补处理，可采用裂缝灌注修补。

· 建议对配筋不满足要求的柱进行加固处理。

· 建议对抗震构造不满足要求的部位采取相关处理措施。

北楼结构加固措施

1．结合建筑功能，在原结构抗震墙分布较弱的一侧设置钢结构支撑，均衡其刚度分配；同时通过 增设减震阻尼器，减少地震作用 ，附加阻尼比为5%，实现最终阻尼比为10%，从而提高结构体系抗震性能的合规度。

2．对于局部墙体边缘构件、梁柱节点区域等不满足抗震计算的情况，采用粘贴钢板、碳纤维等措施，补强其抗震能力。

3．对于局部梁、板计算配筋不足的情况，结合构件的使用环境，分别采用加钢梁、粘贴纤维等方法，提高其承载能力。

4．通过上述措施，改造后的结构抗震缝宽度实现了设防地震不碰撞的要求。

五、结构减震计算

二十世纪，特别是近二、三十年人们对建筑物的抗振动的能力的提高已经做了巨大的努力，取得了显著的成果。这一成果中最引以为自豪的是“结构的保护系统”。人们跳出了传统增强梁、柱、墙提高抗振动的能力的观念，结合结构的动力性能，巧妙的避免或减少了地震，风力的破坏。基础隔震（Base Isolation），各种利用阻尼器(Damper) 吸能，耗能系统，高层建筑屋顶上的质量共振阻尼系统（TMD）和主动控制( Active Control)减震体系都是已经走向了工程实际. 有的已经成为减少振动不可少的保护措施。特别是对于难预料的地震，破坏机理还不十分清楚的多维振动，这些结构的保护系统就显得更加重要。

本工程采用 消能减震结构方案，设置粘滞阻尼器，降低结构地震效应。降低结构加固的工作量，加快工程进度。

? 减震结构的优势：

在提高结构抗震性能储备方面。 通过结构中设置非线性黏滞阻尼器，有效降低其在多遇和罕遇地震作用下的动力响应，大大提高结构的抗震性能与抗震安全储备。

在改善结构附加阻尼比方面。 根据设计方的要求，结构的目标阻尼比为10%，结构自身阻尼比为5%。

在震后维护与使用方面。 减震控制方案中的黏滞阻尼器在第一时间耗散地震输入的能力，结构构件仅承担部分地震作用。根据其目前在实际工程应用及地震中的表现来看，黏滞阻尼器较少在常规性地震作用下产生破坏。黏滞阻尼器即便在震后需要替换，也因其两端采用铰接连接而易于更换。

南楼共选用 48个黏滞阻尼器 （其中X方向布置24个、Y方向布置24个），黏滞阻尼器均设置在第4到6层的梁柱中。黏滞阻尼器采用单节点双阻尼器型钢支撑安装方式。

北楼共选用 48个黏滞阻尼器 （其中：X方向布置24个、Y方向布置24个），黏滞阻尼器均设置在第4-6层、第5-7层和第6-8层的梁柱中。黏滞阻尼器采用单节点双阻尼器者型钢支撑安装方式。

结构减震计算·南楼

计算程序：ETABS；采用地震时程分析 （5条天然波、2条人工波）。

在多遇地震作用下，减震优化结构与非减震优化结构相比，结构层间剪力有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达 37.13% ，Y方向最大减震效果达 37.00% 。设防地震作用下，减震优化结构与非减震优化结构相比，结构层间剪力亦有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达 22.78% ，Y方向最大减震效果达 25.38% 。可见，结构中增设黏滞阻尼器后，有效提高了结构在地震作用下的抗震性能。非线性黏滞阻尼器在多遇、设防、罕遇地震作用下均具有 滞回曲线饱满 的特点，说明黏滞阻尼器具有优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提高结构的抗震储备。

结构减震计算·北楼

计算程序：ETABS；采用地震时程分析 （5条天然波、2条人工波）

在多遇地震作用下，减震优化结构与非减震优化结构相比，结构层间剪力有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达 45.76% ，Y方向最大减震效果达 42.03% 。设防地震作用下，减震优化结构与非减震优化结构相比，结构层间剪力亦有较大幅度衰减，X方向最大减震效果达 23.62% ，Y方向最大减震效果达 27.45% 。可见，结构中增设黏滞阻尼器后，有效提高了结构在地震作用下的抗震性能。非线性黏滞阻尼器在多遇、设防、罕遇地震作用下均具有 滞回曲线饱满 的特点，说明黏滞阻尼器具有优越的耗能能力，衰减地震输入结构中的能量，进而提高结构的抗震储备。