中国院任庆英大师:结构加固改造设计感悟
旺财很乖
2023年05月04日 08:55:19
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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;     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、 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。    


六、施工现场照片    

   



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