既有钢筋混凝土结构抗震鉴定与加固性能分析

崔建举（中铁建设集团有限公司，山东 青岛 266000）

我国城镇化率从2000 年的36.20%增加到2022 年的65.22%，使得大量的居住建筑、公共建筑和商业建筑等得以修建，既有建筑面积达到436亿m2[1]。但未来城市化率将放缓，到2030 年我国的城镇化水平将达到70%，这就使得我国建筑行业进入新建和维护加固并重的阶段。特别是在我国“碳中和、碳达峰”背景下，存量建筑拆除显得尤为不现实，改造加固和合理利用是未来发展的重要方向之一[2-3]。

既有建筑受到修建时期建筑技术水平、经济水平及建筑规范的约束，并经过长期的使用，存在抗震设防不达标或者设防标准不高等问题，导致建筑物的抗震能力差，有待进一步评估和加固，以满足现行阶段的抗震设计要求，并延长建筑物的服役年限[4]。本文以山东省青岛市某多层框架混凝土结构为研究对象，提出新增剪力墙的加固方案，运用数值模拟方法研究了建筑结构加固前后的反应谱参数，对比加固前后结构的刚度和变形性能，研究成果可应用于既有建筑的抗震设计和加固改造。

1 工程概况

山东省青岛市某多层框架混凝土结构科研建筑修建于2010年，后续使用年限37年（按B类，适用后续使用年限40年建筑取值），建筑总面积为3750m2，建筑总高度为15.6m，结构层数为4 层，主体结构层层高均为3.9m。如图1 所示，建筑呈东西走向，平面布置大致呈矩形分布，框架柱沿着轴线均匀布置，横向柱间距为6m，共分为12 轴，纵向柱间距为7.8m，共分为4 轴。建筑3 层～4 层结构在①轴～⑧轴存在结构挑出，并将其用3根圆柱形钢筋混凝土柱进行支撑。

图1 建筑结构平面布置图

结构安全等级为二级，抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为7 度，框架抗震等级为三级，框架结构（梁体、柱体、墙体、楼板和楼梯）采用C35 混凝土现浇而成，方形柱体尺寸为400mm×400mm，圆形柱体直径为400mm，所有梁体居中或与柱边对齐，主梁尺寸为300mm×550mm，次梁尺寸为150mm×300mm，墙体厚度为300mm，楼板厚度为100mm；梁体、柱体的钢筋保护层厚度为30mm，板体、墙体和楼梯的钢筋保护层厚度为20mm。采用柱下独立基础，基础持力层为③黏土层，场地类别为II 类，地震剪切波速度约为200m/s，场地设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.05g，场区各地基土的物理力学指标见表1。

表1 场区地基土工程地质参数

2 既有钢筋混凝土结构加固方案设计

为了增加科研大楼的可用空间、增强科研能力和基础设施、优化科研环境，业主方计划按照结构3 层、4层的结构形式，对既有的科研大楼进行加层，加层数量为2层。为了匹配加层后的建筑结构抗震性能，在评估既有建筑物的抗震性能和不改变原有结构形式的基础上，通过增设剪力墙结构的方式吸收地震作用，增强结构的抗水平作用能力和结构刚度，提高原有框架结构的抗震能力[5-6]。

增设的抗震剪力墙厚度为200mm，采用C35 混凝土现浇而成。剪力墙设置在框架柱之间，与框架柱和梁的接触面按照施工要求凿毛和清洁处理，剪力墙尽量不开设洞口，剪力墙采用双排钢筋，主钢筋直径为10mm，钢筋间距为200mm，钢筋等级为HRB400，双排钢筋之间的拉筋直径为8mm，间距为500mm，钢筋等级为HRB400。剪力墙与既有框架梁和框架柱的连接采用外包方式进行连接，其具体的外包方式是将剪力墙的竖向和横向钢筋植入既有框架梁和框架柱，并在建筑框架梁和框架柱的侧面缠绕钢筋锚入剪力墙内，形成梁体加腋和柱围套结构，如图2所示。

图2 新增剪力墙与既有框架梁和既有框架柱的连接方式

新增剪力墙的部位按照结构位置依次为②轴处C轴-D轴剪力墙、④轴处C轴-D轴剪力墙、⑥轴处C轴-D轴剪力墙、⑨轴处C轴-D轴剪力墙、⑫轴处C轴-D轴剪力墙、⑫轴处A轴-B轴剪力墙、⑨轴处A轴-B轴剪力墙。

3 既有钢筋混凝土结构加固前后抗震性能对比分析

3.1 既有钢筋混凝土结构加固前后分析模型的建立

为了研究科研大楼采用新增剪力墙加固的抗震性能，借助PKPM 软件建立三维仿真分析模型，研究加固前后结构的地震动响应，建立的既有钢筋混凝土结构加固前后三维模型如图3所示。在计算时，C35混凝土密度取2.5g/cm3，弹性模量为2.06×104MPa，泊松比为0.25，结构的破坏准则符合弹性本构[7]。

图3 加固前后既有多层钢筋混凝土结构的三维仿真分析模型

3.2 既有钢筋混凝土结构加固前后反应谱分析

图4 为加固前后建筑物的既有多层钢筋混凝土结构的反应谱计算结果对比。结构的振动周期是结构系统自身固有特性的反映，结构振动周期越大，表明结构在地震作用下容易产生共振，因此其受到地震作用的损害也越大[8]。从图4（a）中可以看出，随着楼层的增加，加固前后楼层结构的振动周期呈现一致的变化趋势，在底层振动周期最大，随着高度增加逐步减小，且振动周期从第3层到第4层时，结构的振动周期出现陡降；结构加固后振动周期比加固前显著减低，第1层～第4 层的振动周期降幅分别为28%、26%、36%和29%，由此说明加固后建筑结构的整体抗扭刚度增加。

图4 加固前后既有多层钢筋混凝土结构的反应谱分析

结构层间位移角和最大层间位移是反映结构的侧向刚度，也可以描述多层结构的稳定性，不同高度的结构体系有不同的层间位移角和最大层间位移限值[9]。当层间位移角越大，多层结构的扭曲越厉害，结构的稳定性也越差，反之，则越好；结构层间最大位移也有相同的规律。从图4（b）中可以看出，随着楼层的增加，建筑结构X向和Y向的层间位移角呈现相同的规律，结构的层间位移角均不断减小，且层间位移角从第3层到第4 层时，结构的层间位移角出现陡降；结构加固后层间位移角比加固前显著减低，第1层～第4层的X向层间位移角降幅分别为25%、18%、19%和17%，Y向层间位移角降幅分别为40%、37%、33%和32%，由此说明加固后建筑结构的地震作用下抗变形能力增加；加固前，建筑结构Y向层间位移角明显大于X向，且Y向层间位移角在第1层和第2层已超过规范限值，经过加固后，X向和Y向层间位移角接近，且远小于加固前层间位移角。

从图4（c）中可以看出，随着楼层的增加，建筑结构X向和Y向的最大层间位移呈现相同的规律，结构的最大层间位移均不断减小，且最大层间位移从第1层到第2 层时，结构的最大层间位移出现陡降；结构加固后最大层间位移比加固前显著减低，第1 层～第4 层的X 向最大层间位移降幅分别为25%、18%、20%和17%，Y向层间位移角降幅分别为40%、37%、34%和33%，由此说明加固后建筑结构的地震作用下抗变形能力增加；加固前，建筑结构Y 向最大层间位移明显大于X 向，且Y向最大层间位移在第1层和第2层已超过规范限值，经过加固后，X 向和Y 向最大层间位移接近，且远小于加固前最大层间位移。

4 结语

以山东省青岛市某多层框架混凝土结构为研究对象，提出新增剪力墙的加固方案，运用数值模拟的方法研究了建筑结构加固前后的反应谱参数，得到以下几个结论：

（1）加固前后楼层结构的振动周期均随着高度增加逐步减小，且振动周期从第3 层到第4 层时，结构的振动周期出现陡降；结构加固后振动周期比加固前显著减低，说明加固后建筑结构的整体抗扭刚度增加。

（2）建筑结构X向和Y向的层间位移角均随着楼层的增加不断减小，且层间位移角从第3 层到第4 层时，结构的层间位移角出现陡降；加固前，建筑结构Y向层间位移角明显大于X向，且Y向层间位移角在第1层和第2 层已超过规范限值，经过加固后，X 向和Y 向层间位移角接近，且远小于加固前层间位移角。

（3）建筑结构X向和Y向的最大层间位移呈现相同的规律，随着楼层的增加，结构的最大层间位移不断减小，且最大层间位移从第1 层到第2 层时，结构的最大层间位移出现陡降；加固前，建筑结构Y向最大层间位移明显大于X 向，且Y 向最大层间位移在第1 层和第2层已超过规范限值，经过加固后，X 向和Y 向最大层间位移接近，且远小于加固前最大层间位移。