全國工程勘察設計大師，中國建科首席專家，中國建筑設計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交流會”上做了題為“結構加固改造設計感悟”的精彩報告。

報告內容為：本文以北京隆福大廈項目為例，詳細講述了本項目的工程概況，加固改造設計原則及加固用主要材料；分別介紹了南樓和北樓的檢測鑒定結論、處理建議及所采用的加固措施，最后介紹了本項目的結構減震計算及施工現場等。

一、工程概況

北京隆福大廈項目總用地面積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層頂結構高度34.8米，建筑物最高點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，三層至八層為辦公，九層屋頂“廟堂區”為文化活動類場所，地下層為車庫及設備用房。

本工程東西向設抗震縫一道，縫寬100mm，分成南、北兩個結構單元，分別簡稱為南、北樓。其中，南樓地下3層，框架-抗震墻結構；地上9層，1~8層為板柱-抗震墻結構，9層為框架結構。北樓地下3層，板柱-抗震墻結構；地上9層，1~8層為框架-抗震墻結構，9層為框架結構。

自然條件及荷載情況

▶風荷載。基本風壓（50年重現期）：0.45kN/m2；地面粗糙度：C類。

▶地震烈度。設防烈度： 8度；設計基本地震加速度值：0.20g；設計地震分組：第一組；建筑抗震設防類別：丙類。

▶后續使用年限：40年；建筑結構的安全等級：二級；地基基礎設計等級：乙級；重要性系數： 1.0。

▶原結構設計圖紙上的場地的工程地質及地下水條件。

根據北京市勘察設計研究院第《94技365》號巖土工程勘察報告，基礎坐落在天然地基上，持力層為粉細砂層，地耐力標準值為R=220kN/m2，修正后為494 kN/m2；地下水位在基礎以下，地下水水質無腐蝕性。

▶原設計樓（屋）荷載

商場 3.5kN/m2（其中首層為 4.0 kN/m2）

辦公 2.0 kN/m2；    樓梯3.5 kN/m2；

衛生間 2.5 kN/m2；車庫 4.0 kN/m2；

風機房 8.0 kN/m2；屋頂花園 kN/m2；

坡屋面 0.7 kN/m2；風荷載 0.35 kN/m2；

▶改造后設計樓（屋）荷載

按照中國國家規范GB50009-2012及業主使用要求采用下列之荷載標準值。

商場 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 ；風機房 7.0 kN/m2 。

地下3層~地上9層的建筑平面圖如下圖所示。

二、加固改造設計原則及加固用主要材料

本工程加固、改造設計原則

▶使用功能由大型商業建筑改為辦公建筑，抗震設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原建筑5%，地基基礎不做加固處理。

▶嚴格控制剪力墻新增洞口，盡量減少對剪力墻剔鑿、鉆孔和改造。

▶樓板開洞盡量采用鋼結構加固方法，減少濕作業和自重。

▶采用減震粘滯阻尼器提高結構抗震性能。

加固用主要材料

▶鋼筋

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

▶混凝土

▶鋼材

結構用鋼材將采用中國之標準鋼材，采用Q345B。

▶加固用碳纖維

承重結構加固采用碳纖維，選用聚丙烯腈基不大于15K的小絲束纖維，嚴禁采用預浸法生產的纖維植物。

▶結構膠粘劑

混凝土結構加固中應采用粘結強度高，收縮性小，抗老化，耐久性好，無毒的結構膠粘劑。相關指標應符合《混凝土結構加固設計規范》(GB50367)和《混凝土結構工程用錨固膠》（JG/T 340-2011）的有關要求，并應同時滿足以下要求：

承重結構用的膠粘劑，應采用 A級膠。

混凝土結構裂縫的修補應采用合成樹脂或無機膠凝材料。

錨栓的技術要求：受力錨栓應優先采用機械錨栓；如采用化學錨栓，應采用定型化學錨栓(特殊倒錐形錨栓),膠體不低于A級膠標準。

▶砌體

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

三、南樓結構檢測鑒定結論、處理建議及加固措施

南樓檢測結論

1、經檢查，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；個別混凝土墻、樓板、連梁存在鋼筋露筋、銹蝕現象。

2、經抽樣檢測，南樓受火災影響區域的構件混凝土強度為40.5～75.9MPa，滿足設計要求。

3、經檢測，南樓墻、柱配筋基本符合設計要求。

4、經檢測，南樓構件混凝土碳化深度為6.0～35.0mm。

5、經檢查，南樓墻、板開洞粘鋼加固所用鋼板的截面尺寸符合設計要求。

6、對南樓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行了檢測。

南樓鑒定結論

1、結構抗震措施不滿足規范要求。

（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及節點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算要求，地下一層大部分外墻水平分布筋不滿足計算要求；一層夾層、一層大部分抗震墻水平分布鋼筋配置不滿足計算要求；二層～五層少部分抗震墻分布鋼筋配置不滿足計算要求。

3、一層夾層～二層部分抗震墻約束邊緣構件縱筋面積不滿足計算要求。

4、部分約束邊緣構件及構造邊緣構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算要求。

6、部分框架柱軸壓比超限，不滿足計算要求。

7、8層框架梁采用無粘結預應力筋，不滿足規范要求。

綜上，評定本結構綜合抗震能力不滿足規范要求。

南樓工程處理建議

（1）建議采用增設支撐或抗震墻等方法進行結構體系加固，或增設混凝土梁，將結構體系轉變為普通框架-抗震墻結構體系。

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

（3）建議對軸壓比不滿足要求的柱采取擴大截面等方法進行加固。

（4）建議對8層預應力梁采取加強措施。

（5）建議對混凝土墻裂縫、樓板裂縫進行注漿修補。

（6）建議由具備資質的單位對該房屋進行整體加固處理。考慮加固難易程度及加固后使用功能的實現程度，房屋產權單位也可在獲得城市規劃行政管理部門批準后，對房屋進行翻建。

結構加固措施

南樓設計建設于1985年，結構已使用近30年，地上為板柱-抗震墻結構，8層結構高度為34.8米。按照現行規范，抗震墻抗震等級為二級，框架、板柱及柱上板帶抗震等級為一級。結合檢測鑒定報告，擬進行結構體系的改造加固，并對不滿足計算要求的構件進行補強加固。

1．結合建筑功能，通過增設減震阻尼器，減少地震作用，附加阻尼比為10%，實現最終阻尼比為15%，從而提高結構體系抗震性能的合規程度。

2．增厚部分抗震墻的厚度，提高豎向墻體的抗震能力。

3．對于軸壓比不滿足要求的框架柱，采用增大斷面的方法，實現結構體系的抗震性能。

4．對于局部梁、板計算配筋不足的情況，結合構件的使用環境，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．通過上述措置，結構加固后的抗震縫寬度不滿足規范要求的情況，亦在結構性能化設計的目標上，實現了設防地震不碰撞的要求。

四、北樓結構鑒定結論、處理建議及措施

北樓鑒定結論

（1）結構抗震措施部分不滿足標準要求：

· 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箍筋間距不滿足要求；

· 抗震墻邊緣構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準要求。

（3）結構在兩個方向的最大層間位移角滿足標準要求。

（4）部分連梁的鋼筋配置不滿足計算要求。

（5）地下三層～地上二層多數框架柱加密區箍筋配置不滿足計算要求。

綜合評定：該結構綜合抗震能力不滿足現行標準要求。

北樓工程處理建議

· 建議對存在露筋現象的混凝土構件進行加固處理。

· 建議對因樓板開洞損壞的普通鋼筋或預應力鋼筋進行加固處理。

· 建議對外露的預應力端部區域進行封閉處理。

· 建議對存在收縮裂縫的墻體進行封閉處理。

· 建議對存在滲水的墻體進行修補處理。

· 建議對開裂滲漏的樓板進行修補處理，可采用裂縫灌注修補。

· 建議對配筋不滿足要求的柱進行加固處理。

· 建議對抗震構造不滿足要求的部位采取相關處理措施。

北樓結構加固措施

1．結合建筑功能，在原結構抗震墻分布較弱的一側設置鋼結構支撐，均衡其剛度分配；同時通過增設減震阻尼器，減少地震作用，附加阻尼比為5%，實現最終阻尼比為10%，從而提高結構體系抗震性能的合規度。

2．對于局部墻體邊緣構件、梁柱節點區域等不滿足抗震計算的情況，采用粘貼鋼板、碳纖維等措施，補強其抗震能力。

3．對于局部梁、板計算配筋不足的情況，結合構件的使用環境，分別采用加鋼梁、粘貼纖維等方法，提高其承載能力。

4．通過上述措施，改造后的結構抗震縫寬度實現了設防地震不碰撞的要求。

五、結構減震計算

二十世紀，特別是近二、三十年人們對建筑物的抗振動的能力的提高已經做了巨大的努力，取得了顯著的成果。這一成果中最引以為自豪的是“結構的保護系統”。人們跳出了傳統增強梁、柱、墻提高抗振動的能力的觀念，結合結構的動力性能，巧妙的避免或減少了地震，風力的破壞。基礎隔震（Base Isolation），各種利用阻尼器(Damper) 吸能，耗能系統， 高層建筑屋頂上的質量共振阻尼系統（TMD）和主動控制( Active Control)減震體系都是已經走向了工程實際. 有的已經成為減少振動不可少的保護措施。特別是對于難預料的地震，破壞機理還不十分清楚的多維振動，這些結構的保護系統就顯得更加重要。

本工程采用消能減震結構方案，設置粘滯阻尼器，降低結構地震效應。降低結構加固的工作量，加快工程進度。

▶減震結構的優勢：

在提高結構抗震性能儲備方面。通過結構中設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力響應，大大提高結構的抗震性能與抗震安全儲備。

在改善結構附加阻尼比方面。根據設計方的要求，結構的目標阻尼比為10%，結構自身阻尼比為5%。

在震后維護與使用方面。減震控制方案中的黏滯阻尼器在第一時間耗散地震輸入的能力，結構構件僅承擔部分地震作用。根據其目前在實際工程應用及地震中的表現來看，黏滯阻尼器較少在常規性地震作用下產生破壞。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個黏滯阻尼器（其中X方向布置24個、Y方向布置24個），黏滯阻尼器均設置在第4到6層的梁柱中。黏滯阻尼器采用單節點雙阻尼器型鋼支撐安裝方式。

北樓共選用48個黏滯阻尼器（其中：X方向布置24個、Y方向布置24個），黏滯阻尼器均設置在第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點雙阻尼器者型鋼支撐安裝方式。

結構減震計算·南樓

計算程序：ETABS；采用地震時程分析（5條天然波、2條人工波）。

在多遇地震作用下，減震優化結構與非減震優化結構相比，結構層間剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達37.13%，Y方向最大減震效果達37.00%。設防地震作用下，減震優化結構與非減震優化結構相比，結構層間剪力亦有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達22.78%，Y方向最大減震效果達25.38%。可見，結構中增設黏滯阻尼器后，有效提高了結構在地震作用下的抗震性能。非線性黏滯阻尼器在多遇、設防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點，說明黏滯阻尼器具有優越的耗能能力，衰減地震輸入結構中的能量，進而提高結構的抗震儲備。

結構減震計算·北樓

計算程序：ETABS；采用地震時程分析（5條天然波、2條人工波）

在多遇地震作用下，減震優化結構與非減震優化結構相比，結構層間剪力有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達45.76%，Y方向最大減震效果達42.03%。設防地震作用下，減震優化結構與非減震優化結構相比，結構層間剪力亦有較大幅度衰減，X方向最大減震效果達23.62%，Y方向最大減震效果達27.45%。可見，結構中增設黏滯阻尼器后，有效提高了結構在地震作用下的抗震性能。非線性黏滯阻尼器在多遇、設防、罕遇地震作用下均具有滯回曲線飽滿的特點，說明黏滯阻尼器具有優越的耗能能力，衰減地震輸入結構中的能量，進而提高結構的抗震儲備。

 

原文標題：建筑結構丨中國院任慶英大師：結構加固改造設計感悟

來源作者： 建筑結構  任慶英

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