框架结构抗震加固设计浅谈
2015-07-13
1工程概况
本工程为上海市闵行区江川文化馆改造加固项目，位于上海市鹤庆路366号。房屋为钢筋混凝土框架结构，地上四层，一层层高为5m，二、三层层高为4.25m，四层层高为3.6m，建筑总高度为17.55m，建筑面积约为6000m2。本文将结合此工程，浅谈框架结构抗震加固设计。
2框架结构抗震加固设计
2.1基础加固设计
房屋原结构基础采用筏板桩基础，由于改造后荷载增大较小，原基础承载力能够满足改造后要求。故仅针对新增加柱和墙增设新基础。柱下基础采用承台静压锚杆桩基础，锚杆静压桩截面为250mm×250mm，桩长l=25m。之所以采用此基础形式，一是考虑到房屋新增结构和原结构沉降量相差不应过大，如过大容易导致上部结构整体性能和拼接部位产生混凝土裂缝，二是静压锚杆桩独立性强且对原基础影响相对较小。
在条件允许的情况下，新增墙下设置基础梁，梁上砌墙。在1～4轴/J～K轴范围内，由于条件所限墙下无法设置基础梁，故在二层原有梁下垂钓4根钢柱（1轴/K轴、2轴/K轴、3轴/K轴、4轴/K轴），详见图1。二层梁原配筋富余量较大，垂钓钢柱后承载力仍满足要求。
2.2上部结构加固设计
此工程需拔除六根柱（5轴/G～H轴之间、5轴/E～G轴之间、5轴/D～E轴之间、2轴/B轴、3轴/B轴、4轴/B轴），新增一根柱（1轴/B轴），局部楼板增加，建筑功能做相应调整。现以二层为例，平面图详见图2。
在对房屋上部结构进行抗震加固时，其做法是首先找出结构及构件的不安全部位，其次再从加强整体结构抗震性能的角度出发，对加固后的结构按新的计算简图进行强度和变形分析。这样既考虑到了薄弱构件，也防止了针对薄弱构件加固后造成原薄弱部位的转移，导致房屋的整体抗震性能不满足要求。
针对结构的薄弱问题采用不同的加固方法，通常有三大类：提高承载力、提高刚度和延性、同时提高承载力和刚度。本工程房屋改造加固采用的是第三种方法，即同时提高承载力和刚度。
原结构建模计算后发现第一周期为平动周期，满足要求；第二周期为扭转周期，第三周期为平动周期，均不满足要求。Y方向的位移角为1/457>1/550，不满足要求。局部柱超筋，局部梁配筋不满足要求。
对于超筋的柱，配筋不足较多的梁，均采用了加大截面法进行加固。加大截面法相比碳纤维加固有如下优点：提高原节点核心区的初裂值，节点刚度提高较大，提高节点耗能能力较好。但加大截面加固法中如何使新旧部分混凝土整体工作，共同受力是一关键问题，新、老混凝土的结合面是加固结构受力时的薄弱环节。因此，从设计构造上配置足够的贯穿于结合面的剪切摩擦筋或锚固件将两部分连接起来，是确保结合面能有效传力，并使新旧两部分混凝土整体工作的重点。其次梁柱交接处加入箍筋钻孔时可能对原结构产生影响，故应按照等体积配箍率的原则将其换算成粗而稀的钢筋。
考虑到加固范围不大、工期紧、不能破坏原结构等因素，对于配筋不足较少的梁，采用粘钢加固法进行加固，如图4。钢筋混凝土受弯构件外部粘钢加固是在构件承载力不足区段（正截面受拉区、正截面受压区或斜截面）表面粘帖钢板，这样可以提高被加固构件的承载力，且施工方便，但加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平。在对结构件进行粘钢加固前须将混凝土表面打磨平整，除去表面浮尘（浆）油污等杂质，直至完全露出结构新面；对于凹凸不平的粘贴面用修复材料进行表面平整，并保持混凝土表面清洁、干燥，其主要工艺要求为：
（1）钢板及配套JGN结构胶应具有产品合格证、应用许可证，并附有相关的产品规格及主要。
（2）粘贴钢板，应粘贴密实、平整无气泡。
（3）粘贴钢板，胶层应呈突起状，其平均厚度不小于1.5mm；
（4）粘贴钢板时应避免接触酸、碱性材料，附近应没有电焊等强紫外线光源。
现以二层4～5轴/C～D轴之间东西向梁顶加固为例。梁原截面为240mmx400mm，原上部钢筋为2Φ16，原箍筋Φ6@200，原有配筋不满足现在的计算配筋，需进行粘钢加固。
在支座粘贴钢板时，若遇柱有障碍，则将钢板绕过柱位，在梁侧4倍板厚Hb范围内，将钢板粘贴与板面上。
针对房屋刚度较小，整体性较差，采取了加斜撑的加固方法。根据以往结构设计的经验，增加房屋四周的刚度，使房屋内柔外刚，可以很有效的控制房屋的扭转，而局部增设钢筋混凝土抗震墙或斜撑的方法可以很有效的提高房屋刚度。在4轴/C～D轴（一层、二层）、12轴/G～H轴（一层、二层）、5～6轴/J轴（一层）处增加斜撑，以起到调整房屋的刚度，从而使得改造加固后的房屋可以满足抗震规范要求。
对加固后的结构按新的计算简图重新进行强度和变形分析。结果比较未加固前刚度及承载力有了明显提高，均满足规范要求。
3结论
本工程所采用的加固方法为典型的框架结构抗震加固方法。对于框架结构抗震加固设计如何在既满足安全要求前提下，又满足建筑功能需求，经济合理。我总结以下几点自己的经验：
选择合理的新增基础形式，尽量减少对原基础及上部结构的影响。本工程新增柱下基础形式为承台锚杆静压桩。
房屋在加固过程中，有时结构可行，但建筑未必可行。所以不能想当然的用思维定势去加固，必须结合实际情况，具体部位具体给出合理的加固方案。本工程部分墙体下无法设置基础，最后采用了二层梁下垂钓钢柱的方法解决了困难。
抗震加固设计不仅要考虑到局部，即对某薄弱构件的加固，还要考虑到整体，即加固了薄弱构件后有可能使得薄弱环节转移而带来新的隐患。本工程在增加了斜撑后，对模型进行复算，周期、位移均满足规范要求，并重新检查是否出现了新的薄弱构件。
加固所采用的混凝土等级需较原混凝土等级提高一等级。本工程原混凝土等级为C30，加固设计所采用的新混凝土等级为C35。
薄弱构件根据承载力不满足要求的程度及实际施工的情况合理选择加固方法。本工程采用的是加大截面法、粘钢加固法。
