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蘭州某中學(xué)教學(xué)樓隔震加固設(shè)計(jì)(建筑)
魏新強(qiáng), 安貴倉, 唐曉琳
(甘肅土木工程科學(xué)研究院,蘭州730020)
[摘要] 蘭州某中學(xué)教學(xué)樓為四層磚混結(jié)構(gòu),建于1985年,經(jīng)鑒定需要對其進(jìn)行抗震加固。常規(guī)加固方法對學(xué)校的正常教學(xué)影響較大,為盡量減少施工過程中對教學(xué)樓的影響,降低綜合造價(jià),采用隔震加固方法。依據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范對其進(jìn)行隔震加固設(shè)計(jì),分析結(jié)果表明,該教學(xué)樓采用基礎(chǔ)隔震進(jìn)行抗震加固后,可通過降低隔震層上部結(jié)構(gòu)的設(shè)防烈度來降低其抗震構(gòu)造要求,從而滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn),達(dá)到抗震加固的目的;采用基礎(chǔ)隔震加固方法對原教
學(xué)樓使用功能、內(nèi)部裝修、管線等影響較小,可減少內(nèi)部裝修和管線恢復(fù)的費(fèi)用,施工周期較短,學(xué)?梢岳眉倨谕瓿山虒W(xué)樓的加固施工。
[關(guān)鍵詞] 磚混結(jié)構(gòu);抗震加固;隔震技術(shù)
中圖分類號:TU352. 12 文章編號:1002-848X(2016)11-0054-06
0 前言
隨著隔震技術(shù)的推廣和發(fā)展以及隔震支座生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,隔震技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于新的建筑設(shè)計(jì)當(dāng)中,設(shè)計(jì)依據(jù)是《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)(簡稱抗規(guī))和《疊層橡膠支座隔震技術(shù)規(guī)程》( CECS 126: 2001)(簡稱隔震技術(shù)規(guī)程)。但對于既有建筑物的隔震加固設(shè)計(jì),目前尚沒有現(xiàn)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)引用,一般的做法是先按照《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50023-2009)(簡稱鑒定標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行抗震鑒定,然后參照抗規(guī)和隔震技術(shù)規(guī)程進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)思路是:在充分利用既有建筑物結(jié)構(gòu)抗震能力的基礎(chǔ)上,在需加固結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)部位設(shè)置隔震裝置,以隔離和吸收地震能量向結(jié)構(gòu)上部傳遞,減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。另外,基礎(chǔ)隔震加固時(shí),一般僅在建筑物的基礎(chǔ)部分施工,從而保證施工過程中上部建筑的正常使用。隔震技術(shù)具有以下優(yōu)越性:1)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力;2)不影響上部建筑結(jié)構(gòu)的正常使用;3)不僅保護(hù)建筑結(jié)構(gòu),而且保護(hù)建筑物內(nèi)的設(shè)備儀器;4)加固時(shí)間短,范圍小。可見隔震技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)適用的抗震加固技術(shù),適用于高烈度區(qū)的中小學(xué)校舍、醫(yī)院等建筑。本文以蘭州某中學(xué)教學(xué)樓基礎(chǔ)隔震加固為背景,說明采用隔震技術(shù)設(shè)計(jì)方法來提高建筑物抗震能力,以促進(jìn)和推廣建筑隔震技術(shù)在既有建筑加固改造中的應(yīng)用。
1 工程概況
蘭州某中學(xué)教學(xué)樓建于1985年,地上四層,建筑高度為15. 15m,其中一 ~三層層高均為3.60m,四層為3. 90m,室內(nèi)外高差為0.45m,建筑總面積為3 831m2。該教學(xué)樓為磚混結(jié)構(gòu),縱橫墻承重;A(chǔ)為條形基礎(chǔ),地基允許承載力為22 t/m2,基礎(chǔ)墻體采用100#機(jī)制紅磚、100#水泥砂漿砌筑;地上承重墻采用100#機(jī)制紅磚、75#混合砂漿砌筑;走廊樓板
為鋼筋混凝土現(xiàn)澆板,其余為預(yù)制空心樓板。圈梁、構(gòu)造柱及現(xiàn)澆樓板的混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號均為200#。教學(xué)樓平面布置圖見圖1。
建筑場地類別為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為8度(0. 20g),設(shè)計(jì)地震分組為第三組,基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2,地面粗糙度為B類。由于該教學(xué)樓抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)為丙類,低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。因此,依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》( GB 50223-2008)要求該教學(xué)樓抗震設(shè)防類別應(yīng)不低于重點(diǎn)設(shè)防類,即為乙類建筑工程,按照鑒定標(biāo)準(zhǔn)B類建筑的各項(xiàng)要求對其進(jìn)行抗震鑒定?拐痂b定結(jié)果表明:在基本設(shè)防烈度8度下,該教學(xué)樓的抗震承載力驗(yàn)算基本滿足規(guī)范要求(考慮后續(xù)使用年限40年,地震放大系數(shù)為0. 88的影響);但按基本設(shè)防烈度(乙類)對教學(xué)樓進(jìn)行抗震措施鑒定有多項(xiàng)不滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求,結(jié)果見表1。
從表1可以看出,由于教學(xué)樓抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)提高,原結(jié)構(gòu)存在的主要問題是:教學(xué)樓的層數(shù)、建筑高度、抗震橫墻間距超過鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求,個(gè)別構(gòu)造不滿足鑒定要求。針對結(jié)構(gòu)存在的超標(biāo)問題,需要考慮采用提高結(jié)構(gòu)綜合抗震能力或改變結(jié)構(gòu)體系的加固方法。對于砌體結(jié)構(gòu),常規(guī)加固方法是在大教室內(nèi)增加橫墻以減小橫墻間距或采用鋼筋混凝土夾板墻加固,但這種加固方法實(shí)施起來會(huì)影響教室的正常使用,破壞教室內(nèi)部裝修及管線,會(huì)影響學(xué)校的正常教學(xué)工作和教學(xué)樓的后期使用,且加固施工工期較長,若學(xué)校條件有限,還需要考慮轉(zhuǎn)移安置學(xué)生去其他地方借讀,直接與間接投入會(huì)很大,校方不愿接受。如果采用隔震技術(shù)對
教學(xué)樓進(jìn)行加固,可大大降低隔震層以上結(jié)構(gòu)的地震作用,依據(jù)抗規(guī)可以按降低一度抗震設(shè)防對教學(xué)樓進(jìn)行抗震鑒定,且可避免上部結(jié)構(gòu)加固給正常教學(xué)帶來的不利影響。
2 隔震層設(shè)計(jì)
2.1規(guī)范基本要求
根據(jù)抗規(guī)規(guī)定,該教學(xué)樓高寬比為1.5;建筑場地類別為Ⅱ類;采用PKPM軟件計(jì)算,結(jié)構(gòu)總重力為56 226kN,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力為:x向110. 4kN,Y向355. 7kN。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的總水平力小于結(jié)構(gòu)總重力的10%,該教學(xué)樓結(jié)構(gòu)滿足采用隔震設(shè)計(jì)的基本要求。
2.2隔震加固目標(biāo)
結(jié)合教學(xué)樓的實(shí)際情況和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定其在設(shè)防烈度8度下的隔震加固目標(biāo)是:1)使隔震層以上的結(jié)構(gòu)地震作用降低一度,保證上部結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度下的安全;2)使上部結(jié)構(gòu)仍按抗震設(shè)防烈度8度進(jìn)行抗震措施鑒定,達(dá)到上部結(jié)構(gòu)不加固或少加固的目的;3)對于隔震層以下的結(jié)構(gòu),按抗規(guī)的有關(guān)要求進(jìn)行加固。
2.3隔震支座與布置
本工程隔震層設(shè)置在室內(nèi)地面以下,采用框式托換技術(shù),將隔震層以上上部結(jié)構(gòu)托換在結(jié)構(gòu)梁上,結(jié)合托換梁,在地面處增設(shè)180mm厚的現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板,形成剛性底板。隔震支座則布置在托換梁下的隔震支墩之間,其規(guī)格、數(shù)量和分布根據(jù)豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼的要求通過計(jì)算確定,滿足抗規(guī)和隔震技術(shù)規(guī)程的相關(guān)要求。本工程選用LRB350鉛芯橡膠支座和LNB350,LNB400, LNB500橡膠支座,具體參數(shù)見表2。將鉛芯橡膠支座布置在建筑物周邊,使隔震層的剛度中心與上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心盡量重合,以減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。隔震支座平面布置見圖2。
2.4隔震層分析
本工程隔震層的水平恢復(fù)力特性由鉛芯和非鉛芯橡膠支座組成,將鉛芯橡膠支座的水平剛度簡化為雙線性,可以得到隔震層的水平恢復(fù)力特性,見圖3。
本工程在設(shè)計(jì)隔震層時(shí),考慮了隔震層豎向承載能力和適宜的水平剛度,經(jīng)分析,隔震支座在重力荷載下的豎向壓應(yīng),力均小于12MPa;隔震層X向和Y向偏心率(表3)均小于3%;隔震層支座X向和Y向的屈服力均大于風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值(表4),說明隔震層支座的布置滿足抗規(guī)和隔震技術(shù)規(guī)程要求。
3 隔震結(jié)構(gòu)分析
3.1地震波選取
根據(jù)抗規(guī)要求,本工程選擇符合Ⅱ類場地的兩條天然波(H19,H1066波)和一條按抗規(guī)反應(yīng)譜合成的人工波(REN波),見圖4。按8度抗震設(shè)防對地震波加速度峰值進(jìn)行調(diào)整:多遇地震作用時(shí)70cm/s2,設(shè)防地震作用時(shí)200cm/s2,罕遇地震作用時(shí)400 cm/s2。將所選取的地震波加速度反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜相比較,見圖5。由圖5可知,所選地震波滿足多組時(shí)程波曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符的規(guī)范要求。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)防烈度地震和罕遇地震作用下的分析時(shí),地震波的幅值分別調(diào)整到設(shè)防烈度地震和罕遇地震水平,并取三條波作用下各自最大值的包絡(luò)值作為時(shí)程分析的代表值。根據(jù)分析結(jié)果,每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力均超過振型
分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,三條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力平均值均大于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%,滿足抗規(guī)要求。
3.2計(jì)算模型
采用ETABS軟件首先在原結(jié)構(gòu)中增加隔震層頂部梁板,建立非隔震結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,然后在非隔震結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上增加隔震層,布置疊層橡膠支座后形成隔震結(jié)構(gòu)模型(圖6)。上部磚墻采用殼單元,樓板采用膜單元,隔震墊采用非線性隔震單元。
3.3設(shè)防地震分析
3.3.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析
對非隔震結(jié)構(gòu)和隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析,72個(gè)振型保證了振型質(zhì)量參與系數(shù)大于90%。非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)的前3階振型周期計(jì)算結(jié)果見表5。從表5可以看出,該教學(xué)樓隔震后,自振周期增大比較明顯,周期放大5倍多。對照規(guī)范反應(yīng)譜可以看出,隔震后上部結(jié)構(gòu)的自振周期遠(yuǎn)離了場地的特征周期,滿足抗規(guī)砌體結(jié)構(gòu)采用隔震體系的基本周期小于2s和5倍特征周期(5×0.45s)的較大值2. 25s的要求。
3.3.2水平減震系數(shù)和地震影響系數(shù)最大值
根據(jù)抗規(guī)對于多層隔震結(jié)構(gòu)的規(guī)定,水平減震系數(shù)采用設(shè)防地震作用下隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力比值的最大值。分析時(shí),地震設(shè)防烈度為8度,地震波加速度峰值為200cm/s2,取三條地震波計(jì)算結(jié)果的最大值,計(jì)算結(jié)果見表6。
從表6可看到,隔震加固后的水平減震系數(shù)最大值為0. 35,大于抗規(guī)的限值要求0.30,上部結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行豎向地震作用計(jì)算。以此確定的上部結(jié)構(gòu)水平地震影響系數(shù)最大值,為0.07(
=0. 35×0.16/0.8),其中
為水平向減震系數(shù),
為非隔震的水平地震影響系數(shù)最大值,妒為調(diào)整系數(shù))。
3.4罕遇地震分析
根據(jù)抗規(guī)的要求,按8度罕遇地震作用對該結(jié)構(gòu)隔震支座最大位移、支座最小面壓進(jìn)行驗(yàn)算。
3.4.1支座最大位移
按抗規(guī)要求,隔震支座最大位移采用剪切變形250%時(shí)的等效剛度和等效阻尼比進(jìn)行計(jì)算,分析結(jié)果為:X向176. 3mm,Y向188.4mm,均小于抗規(guī)中要求的橡膠支座有效直徑350mm的0.55倍或支座內(nèi)部橡膠總厚度100mm的3倍的較小值。
3.4.2隔震支座最小面壓
本結(jié)構(gòu)隔震支座在極限狀態(tài)下的豎向面壓由以下三部分組成;永久荷載與活荷載組成的長期面壓、罕遇地震作用下水平分量產(chǎn)生的傾覆力矩引起的支座拉應(yīng)力以及罕遇地震豎向分量產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明,在罕遇地震作用下支座不產(chǎn)生拉應(yīng)力,最小面壓為0. 52MPa,滿足抗規(guī)要求。
4 隔震層以上結(jié)構(gòu)抗震鑒定
參照抗規(guī)相關(guān)規(guī)定,隔震上部結(jié)構(gòu)的抗震鑒定應(yīng)以確定的水平向減震系數(shù)進(jìn)行。本工程水平向減震系數(shù)為0. 35,滿足抗規(guī)關(guān)于設(shè)防烈度降低一度時(shí)所對應(yīng)的層間剪力比最大值為0. 40的限值要求。即采用隔震技術(shù)加固后,原結(jié)構(gòu)可以降低一度,按7度抗震設(shè)防進(jìn)行地震作用計(jì)算,按8度設(shè)防進(jìn)行抗震措施鑒定。鑒定結(jié)果表明:隔震后上部結(jié)構(gòu)的總水平地震作用小于上部結(jié)構(gòu)的抗震承載力,僅相當(dāng)于原結(jié)構(gòu)8度設(shè)防地震作用時(shí)的一半,說明原結(jié)構(gòu)既有抗震承載力富余,安全又有保證;驗(yàn)算結(jié)果大于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時(shí)的總水平地震作用,各樓層的地震剪力滿足抗規(guī)的最小地震剪力系數(shù)的規(guī)定,說明教學(xué)樓采用隔震技術(shù)加固措施適當(dāng);隔震后上部結(jié)構(gòu)的抗震措施鑒定滿足鑒定標(biāo)準(zhǔn)的各項(xiàng)要求,基本不考慮對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理,僅對預(yù)制樓板與墻體的連接做了如圖7所示的處理。
綜上所述,教學(xué)樓采用隔震技術(shù)加固后,雖然沒有直接提高教學(xué)樓上部結(jié)構(gòu)的抗震承載能力,但可以有效地減小教學(xué)樓上部結(jié)構(gòu)的地震作用,實(shí)際上極大地提高了教學(xué)樓結(jié)構(gòu)的安全性和綜合抗震能力,充分利用了原結(jié)構(gòu)既有的抗震能力和抗震措施,避免了常規(guī)加固對教學(xué)樓使用的影響,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)隔震加固的目標(biāo)。
5 隔震層頂部梁板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
依據(jù)抗規(guī)的要求,為保證隔震層頂部梁板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的剛度和承載力,協(xié)調(diào)整體結(jié)構(gòu)受力,采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。由墻體兩側(cè)的托梁和橫向抬梁構(gòu)成的雙夾梁式托換和建筑物整體移位托梁相同。橫向抬梁的作用有兩個(gè):一是連接墻兩側(cè)的托梁;另一個(gè)是通過磚墻的“內(nèi)拱效應(yīng)”承擔(dān)大部分豎向荷載,然后傳給墻兩側(cè)托梁,再由托梁傳給梁下支墩,形成隔震支座處的集中荷載。抬梁的內(nèi)力按抬梁間距所承擔(dān)的豎向荷載進(jìn)行計(jì)算,抬梁參照
《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2010)進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙夾梁式托換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力參照《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50003-2011)中關(guān)于墻梁的計(jì)算要求進(jìn)行計(jì)算,構(gòu)造滿足抗規(guī)關(guān)于底部框架磚房的鋼筋混凝土托墻梁的要求。隔震層頂部雙夾梁截面尺寸選用300mm×600mm,樓板厚為180mm,混凝土強(qiáng)度等級選用C30,樓板雙層雙向通長配筋,滿足抗規(guī)關(guān)于地下室頂板作為上部嵌固部位時(shí)最小配筋率為0. 25%的要求。
6 隔震層以下結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
6.1隔震層支墩設(shè)計(jì)
隔震層支墩的主要作用是傳遞上部結(jié)構(gòu)荷載,連接隔震支座。依據(jù)抗規(guī)規(guī)定,與隔震層連接的下部構(gòu)件(下支墩)的地震作用和抗震驗(yàn)算,應(yīng)采用罕遇地震下隔震支座底部的豎向力、水平力和力矩進(jìn)行承載力驗(yàn)算。如圖8所示,隔震支座傳給下支墩的豎向力包括重力荷載代表值產(chǎn)生的軸力P1和地
6.2地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
地基基礎(chǔ)承擔(dān)隔震層下支墩傳下來的所有荷載,原樓基礎(chǔ)為磚條形基礎(chǔ),不能直接承載。因此,須對原樓基礎(chǔ)進(jìn)行加固改造,如圖9所示。依據(jù)抗規(guī)加固改造后的基礎(chǔ),應(yīng)滿足隔震后8度地震設(shè)防的抗震承載力要求,并按8度罕遇地震作用進(jìn)行地、基礎(chǔ)抗震承載力驗(yàn)算。
6.3隔震溝設(shè)計(jì)
采用隔震技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí),上部結(jié)構(gòu)(橡膠隔震支座以上部分)應(yīng)與周圍固定物脫開,使上部結(jié)構(gòu)在地震作用下自由地發(fā)生平動(dòng)。根據(jù)抗規(guī)的要求,上部結(jié)構(gòu)與周邊固定物豎向隔離空隙為20mm,水平隔離空隙為1.2倍罕遇地震作用時(shí)隔震支座最大的水平位移210mm(1.2×192.5)。隔震溝設(shè)計(jì)簡圖如圖10所示。
7 隔震加固施工方案
基礎(chǔ)隔震技術(shù)應(yīng)用在磚混結(jié)構(gòu)加固工程中,關(guān)鍵是墻體托換技術(shù)的實(shí)施,隔震支座的布置形式和建筑物的移位相似,但隔震支座的安裝更接近新建的基礎(chǔ)工程,施工難度相比移位
工程也容易一些。根據(jù)工程特點(diǎn),為使隔震加固安全有效地實(shí)施,確定的施工工序?yàn)椋核疁?zhǔn)
測量-室內(nèi)外土方開挖
8 隔震加固方案經(jīng)濟(jì)性分析
隔震加固方案經(jīng)濟(jì)性對比見表7,從表7可看出,由于基礎(chǔ)隔震加固方案僅在建筑物地面以下部分進(jìn)行施工,對隔震層上部結(jié)構(gòu)影響較小(僅涉及首層),既有建筑的裝飾工程,給排水、消防工程,強(qiáng)、弱電工程等得到保護(hù),與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土板墻加固方案比較,土建改造工程相差不大,而綜合成本明顯低于傳統(tǒng)抗震加固方案。從短期和直接的經(jīng)濟(jì)投入角度分析,采用隔震加固方案,不僅使得結(jié)構(gòu)抗震能力大大提高,而且使得工程造價(jià)大幅降低。從長遠(yuǎn)看,即使隔震加固的建筑遭遇較大地震,其功能及室內(nèi)設(shè)備、物品損壞輕微,將大大降低地震的直接和間接損失,其經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益是傳統(tǒng)抗震加固建筑無法比擬的。
9 結(jié)論
(1)通過分析可以看出,采用隔震技術(shù)大大降低了磚混結(jié)構(gòu)在地震作用下的樓層剪力,使得原結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度降低一度。對于抗震設(shè)防區(qū),特別是高烈度區(qū)經(jīng)抗震鑒定后超標(biāo)(主要指在結(jié)構(gòu)高度、層數(shù)和抗震墻間距等方面)的房屋,通過降低上部結(jié)構(gòu)的地震設(shè)防烈度來降低其抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn),從而使其滿足抗震鑒定的要求。
(2)采用隔震技術(shù)對教學(xué)樓進(jìn)行抗震加固,施工工作僅在基礎(chǔ)部分開展,施工周期短,加固施工工作可利用學(xué)校假期完成,基本上不影響學(xué)校的正常教學(xué)工作。
(3)采用隔震技術(shù)的加固方法對原建筑使用功能、建筑外觀、內(nèi)部裝修及管線等影響較小,大大減少了內(nèi)部裝修和恢復(fù)的費(fèi)用。從長遠(yuǎn)考慮隔震加固建筑的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯,故可作為高烈度區(qū)磚混結(jié)構(gòu)的學(xué)校、醫(yī)院、歷史建筑以及古建筑抗震加固的優(yōu)選方案。