某超限结构加固改造设计探讨

随着国内既有建筑逐渐接近或超过其设计使用年限，部分建筑物的结构存在一定的安全隐患，这对公众的生命和财产构成了潜在威胁。因此，针对这些存在安全隐患的结构实施有效的加固与改造措施显得尤为迫切。

不同于传统的仅限于单个构件增强的方法，本研究案例聚焦于一座超限高层建筑框架结构，在保留原有结构的基础上引入剪力墙，从而将单纯的框架结构升级为更为稳固的框架-剪力墙结构体系，进而显著提升结构的整体稳定性与抗震性能。本文将详细阐述此类项目所采取的加固技术以及性能化设计的具体流程，旨在提供一个全面且系统的解决方案，确保建筑物的性能水平得到显著提高。

老旧建筑由于时间悠久，整体维护保养不到位，会出现钢筋锈蚀、混凝土开裂和脱落等现象，这些会导致混凝土强度降低，甚至造成构件或结构承载力不满足要求。对于框架结构进行抗震加固处理，可以通过增大强度、提高延性、加强结构整体安全性来满足规定的抗震设防要求。下面以一个框架结构为例，在原结构的基础之上增加剪力墙，结构体系将由框架结构改变为框架-剪力墙结构体系。框剪结构中剪力墙具有良好的抗侧能力，可以提高整个结构的抗侧刚度，具体如下所述。

2.1  项目基本信息

某混凝土框架结构工程，于2003年建成，建设时设防烈度为6度（0.05g），框架抗震等级为三级，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，结构模型如图1所示。本工程主体结构于2003年施工完成后因某原因闲置至今。因采用旧规范，严重不满足现行规范抗震要求。考虑到不影响和改变原建筑的使用功能，同时提高结构加固后的抗震性能，通过综合计算、分析，整体采用新增剪力墙的方式进行加固，部分框架柱采用增大截面。

本工程为续建工程，加固改造后，其后续使用年限为40年，建筑设防烈度为7度（0.10g），框架抗震等级为三级，剪力墙抗震等级为二级，设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类。

图 1 原框架结构三维模型

2.2  原结构存在的问题

按现行规范对原结构进行分析，发现存在以下的问题：

1) 结构不规则项：①首层存在穿层柱。②二层存在局部楼板不连续，开洞面积大于30%。③首层存在竖向构件不连续，总共3根柱转换。按照《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》对原结构进行超限判定，原结构为超限高层建筑工程。

2) 多遇地震作用下，结构X向和Y向层间位移角分别为1/394、1/431,不满足规范1/550要求。

3) 首层抗剪承载力与相邻上一层比值的最小值小于0.8，不满足规范要求。

4) 首层部分框架柱的轴压比大于0.85，不满足规范要求。

2.3  原结构相关问题处理措施

为了不影响和改变原建筑的使用功能要求，同时提高结构加固后的抗震性能要求。通过在原结构合适的位置增加布置剪力墙，对部分框架柱采用增大截面法，梁采用外贴钢板方法加固。SAUSG-JG软件提供了相关构件相关加固方法，可以参考以往的文章【 点击即刻查看： “SAUSG加固软件预告——加固方案功能介绍” ， “SAUSG加固软件功能预告——加固效果对比” 】， 这里不再介绍。

新增剪力墙与原框架梁的位置避开，并且过贯穿楼板，保证竖向贯通，其施工示意图如图 2所示。

图 2 增设剪力墙示意图

图 3 结构加固示意图

2.4  结构抗震加固效果

为了检验加固后结构在地震作用下抗震效果，框架柱的轴压比是否满足规范要求以及抗震性能是否提高。故此，按照现行规范对加固前后结构分别进行分析，比较构件性能的差异性。加固前后的结果如下所述。

1) 加固前后框架柱轴压比结果

鉴于篇幅问题，只呈现部分框架柱轴压比示意图，由图 4可知，与加固前相比较，加固后结构的框架柱轴压满足规范要求。

图 4 加固前后首层框架柱轴压比结果

2） 构件性能结果对比

采用一条人工波RH2TG040进行大震弹塑性分析，地震荷载采用双向水平加载，主方向峰值加速度按照规范要求取为310cm/s2，主方向与次方向峰值加速度之比为1:0.85，相关结果如下所示。

图 5 楼层位移角

图 6  罕遇地震作用下框架柱性能水平对比

结构加固前后在罕遇地震作用下的构件性能水平如图 6。加固前结构的框架柱存在部分重度损坏和严重损坏。加固之后，结构整体抗震性能有较大提升，墙柱构件损坏程度都在轻度以下。连梁作为耗能构件，消耗了地震能量，保护了主体结构的安全性。

本文以一个框架结构为案例，介绍将框架结构改造为框架-剪力墙结构体系设计的相关流程。主要结论如下：

1) 因考虑到不影响和改变原建筑使用功能，同时提高结构的抗震安全性能，故此，在结构中新增剪力墙和采用增大柱截面加固的方法来进行加固设计。经加固后，整个结构的抗侧刚度和抗震性性能得到了提高。

2) 加固后的结构刚度得到提高，罕遇地震作用下结构X向和Y向的层间位移角均小于1/100，满足规范要求。

3) 加固后，结构中框架柱损伤有所减轻，整体在轻度损坏以下。剪力墙承担更多的水平地震剪力，有效提高了结构整体的抗震性能。

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