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    底框砌体结构抗震性能分析及工程改造实例应用研究

    时间：2023-03-25 18:55:05来源：百花范文网本文已影响人

    刘超

    上海市虹口区教育事务服务中心 上海 200081

    我国大量既有建筑由于建造年代久远、周边环境变化等原因出现材料老化、结构构件开裂损坏等现象，而在城市更新过程中，伴随着城市规划的调整、设计规范的更新和使用需求的改变，也导致大量建筑需要进行加固修缮。

    底框砌体房屋曾广泛应用于全国中小城镇的沿街建筑中，20世纪70年代至90年代，上海建造的沿街多层住宅中，大部分采用了底框砌体结构，如图1所示。底框砌体房屋即底部一层或两层采用钢筋混凝土框架结构，上部为砖混结构的房屋，其造价较低且施工简单，是多年前我国经济发展有限的形势下一种特有的结构。经过近年来的研究和震害观察与总结，此类房屋存在结构体系差、抗震性能弱等缺点，目前在新建工程中已极少采用。同时，既有建筑中这类房屋急需进行结构安全鉴定与加固处理，相应的结构加固和改造方法的技术应用也亟待推广。

    图1 上海市1990年建造的某底框砌体结构房屋

    底框砌体结构底层为钢筋混凝土框架结构，上部为砖混结构，属于由两种承重体系组成的混合结构。底部框架结构自重轻、耗能能力强，上部砌体结构受力特性与之相反，其变形能力和耗能能力较差，但抗侧向刚度较大，整体形成下柔上刚的结构体系，不利于抗震。因此规范中对此类结构的刚度比、屈强比均作了明确规定，防止薄弱部位的出现。

    在汶川地震中底框砌体结构的震害大致分为以下几类[1]。

    2.1 底部倒塌或完全倒塌

    在地震作用下，底层框架结构侧向变形较大，超过框架的极限变形能力，底层发生破坏倒塌。

    2.2 底层框架柱柱端破坏

    在地震作用下，砖墙达到极限强度并退出工作后，框架受到的水平剪力相应增大并达到屈服。因底层框架梁需承托转换上部多层砌体的竖向荷载，底层框架梁截面尺寸较大，与底层框架柱未构成“强柱弱梁”，导致柱端先出现破坏。

    2.3 底层楼板坍塌

    底层楼板需传递上部砌体结构的水平地震剪力和地震倾覆力矩至底层框架，当楼板刚度较差或构造措施不足时，在地震作用下传力时极易发生坍塌。

    2.4 上部砌体倒塌

    当底层侧向刚度相较于上部砌体结构较大时，在地震作用下，上部砌体由于变形能力较差成为薄弱层，极易发生连续倒塌。

    分析可见，上述震害大多由于底部框架与上部砖混在地震作用下无法协调受力，因此在采用底框砖混结构时，应注意底部纵横方向布置一定的抗震墙，增加底层抗侧向刚度；
    框架与砖混之间的过渡层楼板采用现浇或装配整体式的刚性楼板，上部砌体内部纵横墙体尽量连续，外部保证一定的窗间墙宽度等。

    3.1 针对底框砌体结构的受力特性，其加固改造应遵循如下设计原则

    3.1.1 为改善底部框架刚度较小的弱点，过渡层与底部框架的侧向刚度比需满足设计规范的要求，刚度沿高度分布尽量均匀，底部可对称布置一定的抗震墙。

    刚度比适宜取值范围：

    其中：为底框砌体结构第二层的侧向刚度值，为底层的侧向刚度值。3.1.2 加固后框架需满足“强柱弱梁”，并避免形成短柱。“强柱弱梁”要求：

    3.1.3 在改善薄弱部门的同时提高房屋的整体抗震能力。

    3.2 底框砌体结构加固方式

    底框砌体结构的加固在提高构件承载能力的基础上，还需要更加侧重于改善结构体系、增强整体抗震能力的加固，主要包括以下几种方法。

    3.2.1 提高构件承载力。对底部框架和上部砌体结构分别采用增大截面法、粘钢法、钢筋网水泥砂浆面层加固等传统加固方法提高框架梁柱和砌体墙体的承载能力。

    3.2.2 加强构造措施。对上部砌体增设圈梁和构造柱、楼板增设钢筋混凝土现浇层等方法可有效提高结构的整体性，间接提高房屋的抗震性能。

    3.2.3 增设抗震墙。既有建筑原结构底层刚度较小或抗震墙布置不均匀时，可增设与原结构同类的抗震墙，提高底层框架的刚度和承载能力。增设的砖墙应嵌砌于框架柱间，满足约束砖砌体的构造要求，并采取措施加强顶部框架梁的有效连接。如增设混凝土抗震墙，周边应由梁或暗梁和端柱组成边框。

    3.2.4 增设减震技术。底层框架-抗震墙的纵向或横向，可设置一定数量的钢支撑或耗能支撑。不仅提高底层框架的侧向刚度，而且可以改善抗震性能，同时便于协调过渡层与其下层的侧向刚度比。增设钢支撑或耗能支撑对结构自重影响较小，对结构基础的要求低，便于施工。

    3.2.5 采用隔震技术。在基础顶面或底层框架柱的柱顶端设置橡胶支座等隔震构件，形成刚度远小于其他楼层的隔震层，可有效延长结构的自振周期，减小上部结构的地震反应。

    3.2.6 结构替换。许多既有底框砌体结构因为建造年代久远，按照现行的抗震鉴定和加固规范，存在房屋超高、超层等结构超限的问题，同时因为混合结构受力形式复杂，实际受力可能与理论分析及软件计算存在差别，加固效果可靠度存疑。因此，可采用结构替换的方法，将底框砌体结构完全转换为单一结构形式，彻底解决房屋抗震性能较差等问题。

    4.1 工程概况

    上海市新北郊初级中学的一栋综合楼建于1995年，房屋原状照片如图2所示。结构形式为底框砌体结构，地上六层，无地下室，建筑面积约为1829m2，建筑高度为18.67m，平面布置为矩形，长约20m，宽约14m，平面布置如图3、图4所示。该综合楼存在局部墙体渗水、楼板开裂等现象，房屋检测单位对该栋建筑进行了抗震鉴定。

    图2 房屋原状照片

    图3 房屋底层结构平面布置图

    图4 房屋二层至屋面层结构平面布置图

    4.2 抗震鉴定情况

    抗震鉴定结果显示[3]，房屋高度超限，房屋层数超层，底层框架柱框架梁的混凝土强度低于最小值，上部砌体砂浆强度不满足原设计强度的要求，墙体抗震受压承载力不满足计算要求。

    4.3 改造方案的选取

    根据《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009和《现有建筑抗震鉴定与加固标准》DGJ08-81-2021中明确规定底框结构仅适用于丙类设防的情况[4-5]。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008），幼儿园、中小学的教学用房和学生宿舍、食堂的抗震设防类别不应低于重点设防类，即抗震设防类别为乙类[6]。2004年版《建筑工程抗震设防分类标准》已明确规定过，人数较多的幼儿园和小学教学用房应提高抗震设防类别。在2008年汶川大地震发生后，中国地震局、住房和城乡建设部均发文要求提高幼儿园、中小学等人员密集场所建筑的抗震设防类别。在2016版建筑抗震设计规范中，为增强对未成年人在突发地震时的保护措施，考虑国家的经济发展形式，并参考其他国家的相应规定，新增规定要求普通中小学和有未成年人的各类初级、中级学校的教学用房，其设防类别均应提高至重点设防类，即乙类以上，教学用房的范围包括教室、实验室、图书室、微机室、语音室、体育馆、礼堂等。该栋建筑为中学综合楼，内部设有图书馆、阅览室、心理辅导中心等教学辅助用房，综上考虑其抗震设防类别应为乙类，需优化原混合结构的结构体系。因此考虑采取结构替换的改造方案。

    底框砌体结构替换为全框架结构：底层框架加固，二层至屋面层新增钢筋混凝土框架梁柱，与底层原框架结构贯通，形成框架结构体系，原承重砌体根据建筑布局拆除或作为非承重的填充墙保留，同时底层框架根据抗震鉴定结果进行加固处理。

    4.4 保留结构的加固处理

    4.4.1 损伤修补。该工程框架梁的裂缝有两种形式，一种为梁侧面中部延伸至顶面和底面的枣核形裂缝，方向与梁轴线基本垂直，根据工程经验，分析此种裂缝可能是由于混凝土抗裂能力较弱在收缩时产生的，修补后不影响构件的正常工作。另一种位于柱端部附近，斜向上呈“八”字形发展，此种裂缝形态因承载力不足产生，为结构性裂缝，构件必须进行加固处理。

    裂缝的修补措施如下，当裂缝宽度小于0.3mm时，对浅而细且条数很多的裂缝，采用环氧树脂浆液和水泥浆液进行表面封闭；
    对细而深的裂缝，采用甲基丙烯酸酯类浆液或低黏度环氧树脂浆液灌注。当裂缝宽度大于或等于0.3mm时，采用环氧树脂浆液灌注。当裂缝宽度大于1.0mm时，采用微膨胀水泥浆液灌注修补。为保证新混凝土与原结构的可靠黏结，修补前，将缺陷周围凿毛，清理干净后先在裂缝表面涂刷一层水泥浆界面剂。对于大面积缺陷、蜂窝、孔洞等，采用1∶2水泥砂浆或C20级的细石混凝土进行修补[7]。

    4.4.2 地基基础。被检房屋所测测点的倾斜率和水平沉降差均满足《地基基础设计标准》（DGJ08-11-2018）中关于房屋倾斜率的规定。由于加固修缮后上部荷载未增加，无须进行基础加固，短期内对房屋进行观察使用，若房屋倾斜快速发展，则立即疏散、消险处理。

    4.4.3 结构构件承载力不足的加固。按照国家现行规范和结构计算软件的结果分析，不满足设计承载力的框架梁分为两种，根据规范规定[8]，框架梁的承载力小于设计承载力，且介于设计承载力的90%～95%之间的截面，安全性等级评定为cu级，必须进行结构加固处理；
    框架梁的承载力小于设计承载力，但大于设计承载力95%的截面，其安全性等级可评定为bu级，属于尚未显著影响承载能力，可不采取加固措施。但考虑到该工程为教学辅助用房，供未成年人使用，且人数较为密集，为确保师生安全，对评级为bu级的构件仍考虑进行加固处理。

    由于框架柱、框架梁的混凝土强度实测值较低，在满足房间净高的前提下，为确保加固效果，采用增大截面加固法。框架柱每边各增大100mm～150mm，如图5所示；
    框架梁根据计算要求在底边或顶边增加梁高，侧边增加梁宽，如图6、图7所示。加固构件材料采用掺粒径5～10mm细骨料的混凝土灌浆料，强度等级为C40。新旧混凝土界面处理要求如下：增大截面构件的界面经修整露出骨料新面后，尚应采用花锤、砂轮机或高压水射流进行打毛，必要时也可凿成沟槽。并且根据《建筑结构加固工程施工质量验收规范》（GB50550-2010），当构件三面或四面均增大宽度时，还应在打毛的同时，凿除截面的棱角[9]。根据工程经验，增大截面加固法在剔除浮浆层以后，基面凿毛一般不平整的要求为1cm以内即可。

    图5 框架柱增大截面加固图

    图6 框架梁增大截面加固图

    图7 框架梁增大截面加固图

    4.4.4 结构替换的施工要点。针对本工程底框砌体结构替换为全框架结构的加固方案制定施工方案，自下而上完成新建框架柱，原结构梁作为水平临时支撑构件保留，同时柱端加固并预埋新建框架梁钢筋；
    框架柱完成后，自上而下逐层拆除原结构并新建梁板，结构梁下的承重砖墙拆除和加固前均设置临时支撑。同时，为缩短结构体系形成的时间，保证加固效果，采用高强灌浆料混凝土，尽快完成结构转换。

    综上所述，根据现行规范的要求，底框砌体结构已经不适用于乙类以上的建筑，加固修缮从业人员应理解和掌握此类结构的受力特性，根据工程实际情况，采取结构替换或减隔震等方法，结合房屋的修缮提高其抗震性能。该工程的加固处理实例分析可为同类工程提供一定的参考借鉴。

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