某高层建筑的结构改造与加固设计

'第36卷第2期四川建筑科学研究2010年4月SichuanBuildingScience某高层建筑的结构改造与加固设计杨蕊，潘林，夏锦红，(1．武汉理工大学，湖北武汉430070；2．新乡学院，河南新乡453000)摘要：通过对上海某高层建筑的结构改造与加固，对功能改变后的结构进行了计算分析。结合实际工程，对改造项目的原有设计的维持利用、新旧规范不同之处的处理以及新旧结构结合部位的处理等问题，进行了分析讨论，并提出了相应的处理措施。关键词：钢筋混凝土；结构改造；加固处理中图分类号：TU973文献标识码：A文章编号：1008—1933(2010)02—111—04Structurereformingandstrengtheningdesignofonecertainhigh-levelbuildingYANGRui．PANLin，XIAJinhong‘，(1．WuhanUniversityofTechnology，Wuhan450070，China；2．XinxiangInstitute，Xinxiang453000，China)Abstract：Theoldbuildingreformingisunlikethenewarchitecturaldesign．Takingthereconstructionofacertainhigh—levelbuildingforexample，calculationandanalysisonthestructurehadbeendoneafteritsfunctionhadbeenchanged．Connectingwiththepracticalen~neefing，otherquestionsarealsobeenanalyzedanddiscussed，witchincludesreusetheexistingdesign．Theanalysisofthedifferencebetweennewcodeandoldcodeandthemeasureofconnectionbetweennewly—builtandoldly—built．Reinforcingtreatmentmeasuresalsobeenbroughtforward．Keywords：reinforcedconcretestructures；structurereforming；reinforcingtreatment层，地上23层(含1层设备层)。结构形式为框U刖吾架一筒体结构，地下1层层高5．6m，地面以上1层某框架一筒体结构形式的高层建筑写字楼，始层高为3．9m，2，3，4层层高均为3．6m，设备层层建于1996年，1999年底结构封顶后停工，既没有继高为2．2m，其上标准层层高均为3．4m。建筑物总续进行设备安装和内部装修施工，也没有改做其他高度78．4m，混凝土芯筒总高度为82．7m。芯筒外用途，成为烂尾楼。后新业主计划改建为三级甲等框架柱网尺寸基本为8m×8m。该工程原设计7医院的病房楼。烂尾楼项目的改造与加固设计不同层以下混凝土强度等级C50，8～14层C40，15～21于新建项目，与既有项目的改造和加固也不相同。层C35，22层以上C30。尤其是该项目还涉及到国家规范的更新换代、涉及根据新业主改造使用要求，将该项目原使用功到建造标准的提高与使用要求的改变。本文就这些能改建为三级甲等医院病房楼。按照病房楼的使用相关问题进行讨论，以期对以后类似改造项目提供要求，北部标准层增加3部电梯，南部地上每层增加参考。管理用房约170m。改造后的标准层结构平面，如图1所示。1工程概况由于使用功能上的重大改变，依照《建筑抗震本工程位于上海市区内，建筑物原有地下室1设防分类标准》，改造为三级甲等医院病房楼后，该工程原抗震设防类别(丙类建筑)升级为乙类建筑。收稿日期：2008-08-04除地震作用仍按所处设防烈度7度计算外，所有抗作者简介：杨蕊(1976一)，女，河南新乡人，讲师，工学硕士，武汉震措施均应按提高一度后的设防烈度(即8度设理工大学在读博士研究生，研究方向：结构工程。E—mail：forestdefend@163．com防)要求执行J。因此，根据各相关结构设计规范， l12四川建筑科学研究第36卷以满足抗震及非抗震状态下的强度计算要求，仅配筋率不满足现行规范要求时。(2)原设计结构梁柱节点截面和实配箍筋均可以满足节点核心区的抗震强度验算要求，仅构造配箍率不能满足现行规范要求时。2．6非功能性改变及结构体系自身的改变而导致抗震等级提高的(例如规范限制高度的改变导致抗震等级提高的)改造项目，如在非地震状态下可以满足强度及变形计算要求，也应允许维持原结构设计状态。3结构改造的若干问题及处理措施图1标准层平面示意(阴影区内表示新增面积)3．1原设计规范与现行规范的主要差异以及处理Fig．1Standardlayerplan(additionalareaisshaded)措施工程原设计结构抗侧力体系(混凝土框架及筒体)上述项目设计并建造于20世纪9O年代，所执的抗震等级均应由二级提高为一级。行的抗震设计标准分别是国家GBJ11—89《建筑抗震设计规范》和上海市《建筑抗震设计规程》。从国2结构改造方案的确定原则家地震局1990年发布的中国地震烈度区划图至今，根据工程实际情况，针对现行规范并参考建造上海市的抗震设防烈度没有改变，即都是按照7度和使用过的改造项目，加固改造方案依据以下原则：进行设防的。比较GBJ11—89《建筑抗震设计规2．1只要改造项目所在地区的设防烈度没有改变范》和(GB50011—2001)两个版本，以及上海市《建以及除甲类以外的乙、丙类抗震建筑，其基本地震作筑抗震设计规程》的两次修改，直接影响地震作用用也不改变，抗震等级则应根据改造后的功能依照计算的参数，如多遇地震时的水平地震影响系数最现行国家标准确定。大值(0．08)、场地特征周期(国家抗震规范Ⅳ类场2．2改造方案和抗震设计标准一经确定，即应进地0．65S，上海抗震规程Ⅳ类场地0．9S)以及地震行多遇地震下的强度及变形计算，并要进行罕遇地影响系数曲线(=(r,／r)0．08)均未有根本性的震下的能力评估计算，这是评估结构能否实现“大改变。从满足地震作用的角度出发，凡是依据GBJ震下不致倒塌或发生危及生命的严重破坏”的重要11—89《建筑抗震设计规范》进行设计的建筑，其结工作。构也可以抵御GB50011—2001《建筑抗震设计规2．3根据改造后使用功能确定的抗震等级进行强范》的地震作用。度及变形计算j，如在考虑GB50023—95《建筑抗但是，随着国民经济整体实力的不断提高和对震鉴定标准》第3．0．5条有关凡承载力抗震调整系人民生命财产重要性及“以人为本”认识的不断加数后，强度计算仍不能满足现行国家标准时，则应当深，与GBJ11—89《建筑抗震设计规范》相比较，除加固。本工程对6层以下混凝土墙体全面进行了强采纳吸收成熟科研成果外，更多的是结构构造方面度加固。的加强和具体细化。换句话讲，就是通过采取更强2．4针对高层建筑底部加强区的一些结构关键部的抗震构造措施，保证实现抗震规范第三水准的设位(如高层主楼区内的梁柱节点、剪力墙简体端部防要求。具体有以下几点：约束边缘构件等)，其构造应按照现行国家标准执3．1．1剪力墙端部暗柱配筋构造要求行。89规范对暗柱的长度划定为1—2倍的墙体厚2．5除上述以外的一般楼层和部位，在符合原设度，而O1规范则按造墙肢长度的20％取值。由于计规范要求的基础上，下列情况应允许维持原结构暗柱计算面积的差异，将会造成暗柱总纵向配筋的设计状态：差异。(1)原设计结构构件(包括混凝土梁、柱、墙)可以该工程中芯筒中部横向墙肢300InlTl厚、6．8 杨蕊，等：某高层建筑的结构改造与加固设计1l31TI长计算为例，89规范计算暗柱最大长度为2×3003．2强度问题=600mm，而01规范计算暗柱长度为6800×0．2：根据上述改造要求及现场实际情况，结构改造1360mm，取其长度的二分之一计算暗柱配筋面积方案和设计施工图通过了专家会审，并按规范对本也有680mm。工程进行了多遇地震下的强度计算。值得注意的89规范对剪力墙暗柱箍筋仅给出最小直径和是，由于各层新增建筑面积较多(即大量增加荷最大间距，而O1规范要求考虑混凝土及钢筋强度的重)，特别是抗震等级的提高，主体结构的许多部位影响，即P=A／厂w。以该工程底部加强区墙厚出现了强度不足现象。强度计算结果表明，除框架300mlTl的暗柱计算为例，89规范要求≥8@100，梁、柱实际所配纵向钢筋基本满足计算要求外，1—5相当于配箍率为0．6％，而01规范计算配箍率为P层的混凝土墙体端部纵向钢筋普遍不足，6～16层=0．2×23．1／210=2．2％，应当配置箍筋14@90。也有混凝土墙体端部纵向钢筋配置不足现象。针对可见，差距之大。上述混凝土墙体端部配筋不足的问题，结构设计进3．1．2框架柱配筋率要求行了混凝土墙体厚度加固措施。89规范规定建造在Ⅳ类场地抗震等级为一、二3．3多遇地震下的强度及变形计算级的框架中、边柱最小配筋率分别为0．9％和根据2．2节中建筑改造的设计要求，结构方案0．8％，对轴压比为0．4—0．6之间的框架柱加密区一经确定，应首先进行多遇地震下的强度计算和主最小配箍率为0．8％～1．2％，而0l规范规定建造要计算指标的控制复核。在Ⅳ类场地抗震等级为一、二级的框架中、边柱最小由于使用功能上的重大改变，抗震设防类别升配筋率分别为1．1％和0．9％，对轴压比为0．4～0．6级为乙类建筑，除地震作用仍按所处设防烈度7度之间的框架柱加密区最小配箍率为p=A。计算外，所有抗震措施均按8度设防要求执行，即结该工程中，p=0．15×23．1／210：1．65％，显然，满构抗震等级提高一级。因此，在进行结构计算过程足要求。中，已将结构抗震等级考虑进去。表1给出了该项3．1．3连梁配筋构造要求目加固前后的结构主要计算指标。89规范规定连梁箍筋仅端部按照相应抗震等表1中加固前是指在改造后建筑平面的基础上级的框架梁端部加密要求配置，而O1规范则严格规未对原主体结构进行任何加固的情况下进行计算的定沿连梁全长配置加密箍筋，且当连梁纵向钢筋配结果。计算表明，各项主要计算指标均可以满足现筋率超过2％时，箍筋直径还必须增大2mm。该工行国家抗震规范的相关要求，只是由于层高2．2m程连梁纵向钢筋配筋率超过2％的很多，如此，则最的设备层存在而导致竖向刚度薄弱。小箍筋直径就必须达到12m／lq。表1加固前后主要计算指标TaMelMainindexbeforeandafterreinforcement计算指标加固前的主要计算指标加固后的主要计算指标123周期特性平数．15~87~6672．05041．72921．5571．。。．．，1．000．880．14扭转系数0．000．140．850．000．120．86方向最大层间位移角1／854方向最大层间位移角1／933位移指标妻蛊鬟吴l，方向偶最然大偏层心间楼位层移最角大1／位94移6比1．50y方向偶然偏心楼层最大位移比1．23剪重比xZr~3．oo％方向3．03％l，方向2．98％y方向3．03％层冈度比蛊嚣y方向0．62172453．4罕遇地震下的强度及变形计算时严重破坏的建筑结构，应按有关规定进行罕遇地GB50011—2001《建筑抗震设计规范》第3．6．2震作用下的弹塑性变形分析。从表l可以看出，该条规定，不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震项目存在明显的薄弱层问题。实际上，按照国家 114四川建筑科学研究第36卷3}}，《抗震规范》的设计原则，不仅仅是在多遇地震下结4结论构变形及强度需要满足要求，而且是在罕遇地震下不能倒塌，以保证人民生命安全和财产的最少损失。该项目由于各层新增建筑面积较多(即大量增因此，对于改造工程，理应进行罕遇地震下的弹塑性加荷重)，特别是抗震等级的提高，使得主体结构的变形计算。许多部位出现了强度不足现象。针对此类建筑，应设计中，采用中国建筑科学研究院编制的EPSA着重处理以下几方面的问题：静力弹塑性分析程序进行了罕遇地震下的变形计(1)内部结构加固与改造应严格执行现行规范算，如图2所示。图中表示出结构能力谱曲线顺利设计，并尽量采用对原有结构影响小的结构形式；穿越需求谱曲线，两曲线的交汇点对应的结构变形(2)对改造工程要进行常遇地震下的强度计为1／330，满足《抗震规范》有关罕遇地震下最大变算，针对强度不足问题予以加固；形限制小于1／100的要求。(3)除常遇地震的强度与变形计算外，对改造工程还应进行罕遇地震下的弹塑性变形计算。该工程的改造加固实践表明，在建筑加固设计中，既要尽可能地遵守设计规范要求，又要灵活掌握其实质，对原有设计进一步维持。该工程经过改造加固，既实现了建筑功能的变换，又保证了结构的安全可靠性，受到了业主的好评。参考文献：[1]GB50223—2004建筑抗震设防分类标准[S]．北京：中国建筑工业出版社。2004．[23GB50023—95建筑抗震鉴定标准[S]．北京：中国建筑工业出(能力曲线与需求谱曲线的交点坐标2．301，0．161，版社，1996．需求层间位移角1／331)[3]cB50068—2001建筑结构可靠度设计统一标准[s]．北京：中图2罕遇地震下弹塑性变形计算结果国建筑工业出版社，2001．Fig．2Calculationresultsoftheelastic-plastic[43JGJ116—98建筑抗震加固技术规程[s]．北京：中国建筑工业deformationundersevereearthquakes出版社，1999．[5]盂宪德，江声述，杨蔚彪，等．某烂尾楼的改造与加层设计[J]．建筑结构，2006，(11)．另外，从弹塑性分析结果看，在罕遇地震下，能[6]喻远鹏，许忠芹．国家民航总局办公楼加固改造设计[J]．建力谱曲线与需求谱曲线都具有交汇点，即性能控制筑结构，2006，(9)．点，说明原结构具有抵御罕遇地震的能力。控制点[7]李辉，张惠英，闫锋，等．某板柱一剪力墙办公楼的改造加相应的顶点位移，也小于规范规定的最大位移值。固设计[J]．建筑结构，2004，(9)．'