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摘要：全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師，中國(guó)建科首席專家，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司總工程師任慶英在“第六屆抗震加固改造與城市更新技術(shù)交流會(huì)”上做了題為“結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)感悟”的精彩報(bào)告。...

全國(guó)工程勘察設(shè)計(jì)大師，中國(guó)建科首席專家，中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司總工程師任慶英在“第六屆抗震加固改造與城市更新技術(shù)交流會(huì)”上做了題為“結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)感悟”的精彩報(bào)告。

報(bào)告內(nèi)容為：本文以北京隆福大廈項(xiàng)目為例，詳細(xì)講述了本項(xiàng)目的工程概況，加固改造設(shè)計(jì)原則及加固用主要材料；分別介紹了南樓和北樓的檢測(cè)鑒定結(jié)論、處理建議及所采用的加固措施，最后介紹了本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)減震計(jì)算及施工現(xiàn)場(chǎng)等。

一、工程概況

北京隆福大廈項(xiàng)目總用地面積7081㎡，總建筑面積62728.8㎡（其中地上建筑面積47471.4㎡，地下建筑面積15257.4㎡），建筑層數(shù)地上9層，其中第9層為局部突出大屋面古建；地下3層；8層頂結(jié)構(gòu)高度34.8米，建筑物最高點(diǎn)45米。改造后的隆福大廈建筑功能為：首層二層及部分地下一層為商業(yè)，三層至八層為辦公，九層屋頂“廟堂區(qū)”為文化活動(dòng)類場(chǎng)所，地下層為車庫(kù)及設(shè)備用房。

本工程?hào)|西向設(shè)抗震縫一道，縫寬100mm，分成南、北兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元，分別簡(jiǎn)稱為南、北樓。其中，南樓地下3層，框架-抗震墻結(jié)構(gòu)；地上9層，1~8層為板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，9層為框架結(jié)構(gòu)。北樓地下3層，板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)；地上9層，1~8層為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，9層為框架結(jié)構(gòu)。

自然條件及荷載情況

▶風(fēng)荷載。基本風(fēng)壓（50年重現(xiàn)期）：0.45kN/m2；地面粗糙度：C類。

▶地震烈度。設(shè)防烈度： 8度；設(shè)計(jì)基本地震加速度值：0.20g；設(shè)計(jì)地震分組：第一組；建筑抗震設(shè)防類別：丙類。

▶后續(xù)使用年限：40年；建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)：二級(jí)；地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)：乙級(jí)；重要性系數(shù)： 1.0。

▶原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙上的場(chǎng)地的工程地質(zhì)及地下水條件。

根據(jù)北京市勘察設(shè)計(jì)研究院第《94技365》號(hào)巖土工程勘察報(bào)告，基礎(chǔ)坐落在天然地基上，持力層為粉細(xì)砂層，地耐力標(biāo)準(zhǔn)值為R=220kN/m2，修正后為494 kN/m2；地下水位在基礎(chǔ)以下，地下水水質(zhì)無(wú)腐蝕性。

▶原設(shè)計(jì)樓（屋）荷載

商場(chǎng) 3.5kN/m2（其中首層為 4.0 kN/m2）

辦公 2.0 kN/m2；    樓梯3.5 kN/m2；

衛(wèi)生間 2.5 kN/m2；車庫(kù) 4.0 kN/m2；

風(fēng)機(jī)房 8.0 kN/m2；屋頂花園 kN/m2；

坡屋面 0.7 kN/m2；風(fēng)荷載 0.35 kN/m2；

▶改造后設(shè)計(jì)樓（屋）荷載

按照中國(guó)國(guó)家規(guī)范GB50009-2012及業(yè)主使用要求采用下列之荷載標(biāo)準(zhǔn)值。

商場(chǎng) 3.5 kN/m2（其中首層為 4.0 kN/m2）；辦公 2.0 kN/m2 ；樓梯 3.5 kN/m2 ；風(fēng)機(jī)房 7.0 kN/m2 。

地下3層~地上9層的建筑平面圖如下圖所示。

二、加固改造設(shè)計(jì)原則及加固用主要材料

本工程加固、改造設(shè)計(jì)原則

▶使用功能由大型商業(yè)建筑改為辦公建筑，抗震設(shè)防類別由乙類改為丙類。

▶控制加固改造后的重力荷載代表值及其分布不超過(guò)原建筑5%，地基基礎(chǔ)不做加固處理。

▶嚴(yán)格控制剪力墻新增洞口，盡量減少對(duì)剪力墻剔鑿、鉆孔和改造。

▶樓板開(kāi)洞盡量采用鋼結(jié)構(gòu)加固方法，減少濕作業(yè)和自重。

▶采用減震粘滯阻尼器提高結(jié)構(gòu)抗震性能。

加固用主要材料

▶鋼筋

基礎(chǔ)、柱、梁、墻體邊緣構(gòu)件及墻體、樓板受力縱筋: HRB400；拉筋及分布筋：HPB300。

▶混凝土

▶鋼材

結(jié)構(gòu)用鋼材將采用中國(guó)之標(biāo)準(zhǔn)鋼材，采用Q345B。

▶加固用碳纖維

承重結(jié)構(gòu)加固采用碳纖維，選用聚丙烯腈基不大于15K的小絲束纖維，嚴(yán)禁采用預(yù)浸法生產(chǎn)的纖維植物。

▶結(jié)構(gòu)膠粘劑

混凝土結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)采用粘結(jié)強(qiáng)度高，收縮性小，抗老化，耐久性好，無(wú)毒的結(jié)構(gòu)膠粘劑。相關(guān)指標(biāo)應(yīng)符合《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367)和《混凝土結(jié)構(gòu)工程用錨固膠》（JG/T 340-2011）的有關(guān)要求，并應(yīng)同時(shí)滿足以下要求：

承重結(jié)構(gòu)用的膠粘劑，應(yīng)采用 A級(jí)膠。

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修補(bǔ)應(yīng)采用合成樹(shù)脂或無(wú)機(jī)膠凝材料。

錨栓的技術(shù)要求：受力錨栓應(yīng)優(yōu)先采用機(jī)械錨栓；如采用化學(xué)錨栓，應(yīng)采用定型化學(xué)錨栓(特殊倒錐形錨栓),膠體不低于A級(jí)膠標(biāo)準(zhǔn)。

▶砌體

填充墻砌體采用輕質(zhì)空心砌塊，強(qiáng)度等級(jí)不小于MU3.0，容重不大于8.0kN/m3，混合砂漿強(qiáng)度等級(jí)M5。地下部分的填充墻砌體，強(qiáng)度等級(jí)不小于MU5.0，容重不大于10.0kN/m3，混合砂漿強(qiáng)度等級(jí)M5。

三、南樓結(jié)構(gòu)檢測(cè)鑒定結(jié)論、處理建議及加固措施

南樓檢測(cè)結(jié)論

1、經(jīng)檢查，南樓地下室部分墻體存在豎向裂縫和斜裂縫，部分樓板跨中底面存在裂縫；個(gè)別混凝土墻、樓板、連梁存在鋼筋露筋、銹蝕現(xiàn)象。

2、經(jīng)抽樣檢測(cè)，南樓受火災(zāi)影響區(qū)域的構(gòu)件混凝土強(qiáng)度為40.5～75.9MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3、經(jīng)檢測(cè)，南樓墻、柱配筋基本符合設(shè)計(jì)要求。

4、經(jīng)檢測(cè)，南樓構(gòu)件混凝土碳化深度為6.0～35.0mm。

5、經(jīng)檢查，南樓墻、板開(kāi)洞粘鋼加固所用鋼板的截面尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

6、對(duì)南樓1層E軸4根框架柱的外包鋼加固所用鋼板的截面尺寸進(jìn)行了檢測(cè)。

南樓鑒定結(jié)論

1、結(jié)構(gòu)抗震措施不滿足規(guī)范要求。

（1）梁、柱箍筋直徑偏小，不滿足最小直徑要求；

（2）大部分柱箍筋加密區(qū)及節(jié)點(diǎn)的箍筋體積配箍率偏小，不滿足最小體積配箍率要求；

（3）部分抗震墻的約束邊緣構(gòu)件縱筋配筋量不滿足最小配筋量要求；

（4）抗震墻約束邊緣構(gòu)件的箍筋配筋量不滿足最小配筋量要求；

（5）軸線A未布置有梁框架，不滿足要求；

（6）防震縫寬度不滿足要求。

2、地下室外墻豎向分布筋不滿足計(jì)算要求，地下一層大部分外墻水平分布筋不滿足計(jì)算要求；一層夾層、一層大部分抗震墻水平分布鋼筋配置不滿足計(jì)算要求；二層～五層少部分抗震墻分布鋼筋配置不滿足計(jì)算要求。

3、一層夾層～二層部分抗震墻約束邊緣構(gòu)件縱筋面積不滿足計(jì)算要求。

4、部分約束邊緣構(gòu)件及構(gòu)造邊緣構(gòu)件體積配箍率不滿足要求。

5、部分連梁的箍筋配置不滿足計(jì)算要求。

6、部分框架柱軸壓比超限，不滿足計(jì)算要求。

7、8層框架梁采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，不滿足規(guī)范要求。

綜上，評(píng)定本結(jié)構(gòu)綜合抗震能力不滿足規(guī)范要求。

南樓工程處理建議

（1）建議采用增設(shè)支撐或抗震墻等方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系加固，或增設(shè)混凝土梁，將結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)槠胀�框�?/span>-抗震墻結(jié)構(gòu)體系。

（2）建議對(duì)配筋不滿足要求的抗震墻，采取加厚原有墻體或增設(shè)端柱等方法進(jìn)行加固。

（3）建議對(duì)軸壓比不滿足要求的柱采取擴(kuò)大截面等方法進(jìn)行加固。

（4）建議對(duì)8層預(yù)應(yīng)力梁采取加強(qiáng)措施。

（5）建議對(duì)混凝土墻裂縫、樓板裂縫進(jìn)行注漿修補(bǔ)。

（6）建議由具備資質(zhì)的單位對(duì)該房屋進(jìn)行整體加固處理�？紤]加固難易程度及加固后使用功能的實(shí)現(xiàn)程度，房屋產(chǎn)權(quán)單位也可在獲得城市規(guī)劃行政管理部門批準(zhǔn)后，對(duì)房屋進(jìn)行翻建。

結(jié)構(gòu)加固措施

南樓設(shè)計(jì)建設(shè)于1985年，結(jié)構(gòu)已使用近30年，地上為板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，8層結(jié)構(gòu)高度為34.8米。按照現(xiàn)行規(guī)范，抗震墻抗震等級(jí)為二級(jí)，框架、板柱及柱上板帶抗震等級(jí)為一級(jí)。結(jié)合檢測(cè)鑒定報(bào)告，擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的改造加固，并對(duì)不滿足計(jì)算要求的構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

1．結(jié)合建筑功能，通過(guò)增設(shè)減震阻尼器，減少地震作用，附加阻尼比為10%，實(shí)現(xiàn)最終阻尼比為15%，從而提高結(jié)構(gòu)體系抗震性能的合規(guī)程度。

2．增厚部分抗震墻的厚度，提高豎向墻體的抗震能力。

3．對(duì)于軸壓比不滿足要求的框架柱，采用增大斷面的方法，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)體系的抗震性能。

4．對(duì)于局部梁、板計(jì)算配筋不足的情況，結(jié)合構(gòu)件的使用環(huán)境，分別采用用增大斷面、粘鋼、粘貼纖維等方法，提高其承載能力。

5．通過(guò)上述措置，結(jié)構(gòu)加固后的抗震縫寬度不滿足規(guī)范要求的情況，亦在結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)的目標(biāo)上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)防地震不碰撞的要求。

四、北樓結(jié)構(gòu)鑒定結(jié)論、處理建議及措施

北樓鑒定結(jié)論

（1）結(jié)構(gòu)抗震措施部分不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求：

· 地下室柱及三層柱柱凈高與截面高度之比不滿足要求；

· 框架梁與抗震墻的中線不重合，不滿足要求；

· 部分地下室柱加密區(qū)箍筋間距不滿足要求；

· 抗震墻邊緣構(gòu)件的箍筋配置不滿足要求；

· 防震縫寬度不滿足要求。

（2）各層柱軸壓比均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向的最大層間位移角滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）部分連梁的鋼筋配置不滿足計(jì)算要求。

（5）地下三層～地上二層多數(shù)框架柱加密區(qū)箍筋配置不滿足計(jì)算要求。

綜合評(píng)定：該結(jié)構(gòu)綜合抗震能力不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

北樓工程處理建議

· 建議對(duì)存在露筋現(xiàn)象的混凝土構(gòu)件進(jìn)行加固處理。

· 建議對(duì)因樓板開(kāi)洞損壞的普通鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋進(jìn)行加固處理。

· 建議對(duì)外露的預(yù)應(yīng)力端部區(qū)域進(jìn)行封閉處理。

· 建議對(duì)存在收縮裂縫的墻體進(jìn)行封閉處理。

· 建議對(duì)存在滲水的墻體進(jìn)行修補(bǔ)處理。

· 建議對(duì)開(kāi)裂滲漏的樓板進(jìn)行修補(bǔ)處理，可采用裂縫灌注修補(bǔ)。

· 建議對(duì)配筋不滿足要求的柱進(jìn)行加固處理。

· 建議對(duì)抗震構(gòu)造不滿足要求的部位采取相關(guān)處理措施。

北樓結(jié)構(gòu)加固措施

1．結(jié)合建筑功能，在原結(jié)構(gòu)抗震墻分布較弱的一側(cè)設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐，均衡其剛度分配；同時(shí)通過(guò)增設(shè)減震阻尼器，減少地震作用，附加阻尼比為5%，實(shí)現(xiàn)最終阻尼比為10%，從而提高結(jié)構(gòu)體系抗震性能的合規(guī)度。

2．對(duì)于局部墻體邊緣構(gòu)件、梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域等不滿足抗震計(jì)算的情況，采用粘貼鋼板、碳纖維等措施，補(bǔ)強(qiáng)其抗震能力。

3．對(duì)于局部梁、板計(jì)算配筋不足的情況，結(jié)合構(gòu)件的使用環(huán)境，分別采用加鋼梁、粘貼纖維等方法，提高其承載能力。

4．通過(guò)上述措施，改造后的結(jié)構(gòu)抗震縫寬度實(shí)現(xiàn)了設(shè)防地震不碰撞的要求。

五、結(jié)構(gòu)減震計(jì)算

二十世紀(jì)，特別是近二、三十年人們對(duì)建筑物的抗振動(dòng)的能力的提高已經(jīng)做了巨大的努力，取得了顯著的成果。這一成果中最引以為自豪的是“結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)”。人們跳出了傳統(tǒng)增強(qiáng)梁、柱、墻提高抗振動(dòng)的能力的觀念，結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能，巧妙的避免或減少了地震，風(fēng)力的破壞�；�礎(chǔ)隔震（Base Isolation），各種利用阻尼器(Damper) 吸能，耗能系統(tǒng)， 高層建筑屋頂上的質(zhì)量共振阻尼系統(tǒng)（TMD）和主動(dòng)控制( Active Control)減震體系都是已經(jīng)走向了工程實(shí)際. 有的已經(jīng)成為減少振動(dòng)不可少的保護(hù)措施。特別是對(duì)于難預(yù)料的地震，破壞機(jī)理還不十分清楚的多維振動(dòng)，這些結(jié)構(gòu)的保護(hù)系統(tǒng)就顯得更加重要。

本工程采用消能減震結(jié)構(gòu)方案，設(shè)置粘滯阻尼器，降低結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)。降低結(jié)構(gòu)加固的工作量，加快工程進(jìn)度。

▶減震結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)：

在提高結(jié)構(gòu)抗震性能儲(chǔ)備方面。通過(guò)結(jié)構(gòu)中設(shè)置非線性黏滯阻尼器，有效降低其在多遇和罕遇地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能與抗震安全儲(chǔ)備。

在改善結(jié)構(gòu)附加阻尼比方面。根據(jù)設(shè)計(jì)方的要求，結(jié)構(gòu)的目標(biāo)阻尼比為10%，結(jié)構(gòu)自身阻尼比為5%。

在震后維護(hù)與使用方面。減震控制方案中的黏滯阻尼器在第一時(shí)間耗散地震輸入的能力，結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅承擔(dān)部分地震作用。根據(jù)其目前在實(shí)際工程應(yīng)用及地震中的表現(xiàn)來(lái)看，黏滯阻尼器較少在常規(guī)性地震作用下產(chǎn)生破壞。黏滯阻尼器即便在震后需要替換，也因其兩端采用鉸接連接而易于更換。

南樓共選用48個(gè)黏滯阻尼器（其中X方向布置24個(gè)、Y方向布置24個(gè)），黏滯阻尼器均設(shè)置在第4到6層的梁柱中。黏滯阻尼器采用單節(jié)點(diǎn)雙阻尼器型鋼支撐安裝方式。

北樓共選用48個(gè)黏滯阻尼器（其中：X方向布置24個(gè)、Y方向布置24個(gè)），黏滯阻尼器均設(shè)置在第4-6層、第5-7層和第6-8層的梁柱中。黏滯阻尼器采用單節(jié)點(diǎn)雙阻尼器者型鋼支撐安裝方式。

結(jié)構(gòu)減震計(jì)算·南樓

計(jì)算程序：ETABS；采用地震時(shí)程分析（5條天然波、2條人工波）。

在多遇地震作用下，減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)與非減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)37.13%，Y方向最大減震效果達(dá)37.00%。設(shè)防地震作用下，減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)與非減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力亦有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)22.78%，Y方向最大減震效果達(dá)25.38%。可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)中增設(shè)黏滯阻尼器后，有效提高了結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能。非線性黏滯阻尼器在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點(diǎn)，說(shuō)明黏滯阻尼器具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震儲(chǔ)備。

結(jié)構(gòu)減震計(jì)算·北樓

計(jì)算程序：ETABS；采用地震時(shí)程分析（5條天然波、2條人工波）

在多遇地震作用下，減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)與非減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)45.76%，Y方向最大減震效果達(dá)42.03%。設(shè)防地震作用下，減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)與非減震優(yōu)化結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層間剪力亦有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達(dá)23.62%，Y方向最大減震效果達(dá)27.45%。可見(jiàn)，結(jié)構(gòu)中增設(shè)黏滯阻尼器后，有效提高了結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震性能。非線性黏滯阻尼器在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點(diǎn)，說(shuō)明黏滯阻尼器具有優(yōu)越的耗能能力，衰減地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗震儲(chǔ)備。

 

原文標(biāo)題：建筑結(jié)構(gòu)丨中國(guó)院任慶英大師：結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)感悟

來(lái)源作者： 建筑結(jié)構(gòu)  任慶英

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