關(guān)于底部框架自建房抗震鑒定加固方法探討

胡羽佳

(太原市建筑工程質(zhì)量檢測(cè)站有限公司,山西 太原 030000)

0 引言

底部框架結(jié)構(gòu)作為20世紀(jì)90年代末,21世紀(jì)初城鎮(zhèn)房屋中常見(jiàn)的砌體結(jié)構(gòu)形式,因其底部空間較大,使用功能多變?cè)诮ㄖ桨干虾苁軞g迎。但是這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)明顯的缺陷,就是結(jié)構(gòu)上下不同,在地震作用下的變形協(xié)調(diào)性較差,對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震不利。目前在全國(guó)開(kāi)展的自建房專項(xiàng)整治工作中,在城鄉(xiāng)結(jié)合部及城中村存在大量這種結(jié)構(gòu)形式的房屋。自建房作為房主或居民在自己宅基地上未經(jīng)專業(yè)設(shè)計(jì)、施工的房屋,和專業(yè)建設(shè)的房屋相比,質(zhì)量可靠性較差,且普遍缺乏或無(wú)抗震設(shè)計(jì)理念,在地震來(lái)臨時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的安全隱患,造成嚴(yán)重的災(zāi)害損失。結(jié)合房屋存量和當(dāng)下實(shí)際情況,對(duì)房屋采取抗震改造加固是相對(duì)經(jīng)濟(jì)、可行性較好的一種整治措施,所以對(duì)該結(jié)構(gòu)形式的自建房抗震鑒定與加固方法的研究,可以為自建房改造整治提供一些有益可行的參考建議。

1 自建房屋調(diào)查

自2023年2月至2023年9月底,對(duì)太原市周邊區(qū)縣的自建房調(diào)查情況可以看出,在城鄉(xiāng)結(jié)合部、城中村及縣城區(qū)域的臨街房屋大多數(shù)為底部框架和局部框架結(jié)構(gòu)房屋,便于底部作為餐館、商店等用途,上部作為旅館、住宅等用途。往往這些房屋居住有大量外地務(wù)工人員和剛進(jìn)入社會(huì)的青年上班族等租客,人員比較密集,經(jīng)濟(jì)相對(duì)活躍。而所居住的房屋基本為房主或當(dāng)?shù)鼐用褡约航ㄔ斓姆课?無(wú)專業(yè)的設(shè)計(jì)和專業(yè)施工,基本為工匠根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建造,受經(jīng)濟(jì)投資、場(chǎng)地條件限制和缺乏專業(yè)知識(shí),這些房屋存在較多先天缺陷。如結(jié)構(gòu)選型不太合理、結(jié)構(gòu)布置和傳力路線不符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。還有后期未進(jìn)行專業(yè)技術(shù)鑒定和改造設(shè)計(jì)的情況下改變使用功能和結(jié)構(gòu)性改造,如加層、擴(kuò)建、拆改墻體等。對(duì)于底部框架結(jié)構(gòu)房屋來(lái)說(shuō),自行建造的房屋往往底部框架部分的鋼筋混凝土柱、梁截面較小,多數(shù)不滿足規(guī)范要求的截面構(gòu)造規(guī)定,上下結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度懸殊過(guò)大,屬于典型的頭重腳輕結(jié)構(gòu)。這類型結(jié)構(gòu)不利于抵抗地震作用,底部結(jié)構(gòu)承受較大的地震剪力,底部結(jié)構(gòu)破壞而整體倒塌。

2 影響抗震鑒定的參數(shù)

根據(jù)我國(guó)目前的地震抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和鑒定標(biāo)準(zhǔn)體系來(lái)看,建筑抗震鑒定首先要確定其所處的地震烈度區(qū)劃和確定其后續(xù)的使用年限,屬于抗震鑒定重要的前提性參數(shù)。區(qū)劃不同,抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)的要求不同,而后續(xù)使用年限的不同則關(guān)系到鑒定方法的不同。隨著我國(guó)地震區(qū)劃、抗震設(shè)計(jì)、鑒定標(biāo)準(zhǔn)的變化更新,以及不同標(biāo)準(zhǔn)之間的不同規(guī)定,尤其是2022年鑒定加固通用規(guī)范的實(shí)施,讓鑒定人員對(duì)后續(xù)使用年限的確定產(chǎn)生了不小的困惑。

2.1 設(shè)防烈度

根據(jù)第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖,現(xiàn)行版GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[1]對(duì)全國(guó)原有城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行了調(diào)整。根據(jù)規(guī)范修訂組提供的資料,本次對(duì)全國(guó)2 860個(gè)城鎮(zhèn)調(diào)整的分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示[2]。

表1 全國(guó)城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度變化情況

從變化結(jié)果來(lái)看,全國(guó)有近一半的城鎮(zhèn)在調(diào)整后地震作用得到了提高,個(gè)別地區(qū)提高幅度相當(dāng)大,這對(duì)既有建筑的抗震改造提出了更高的要求和難度。對(duì)于抗震鑒定來(lái)說(shuō)也存在較大的挑戰(zhàn),對(duì)于按原設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)的既有建筑,按現(xiàn)行的抗震設(shè)防烈度來(lái)鑒定,會(huì)造成抗震不滿足要求的結(jié)果。對(duì)于自建房來(lái)說(shuō),由于原先就未按設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行專業(yè)設(shè)計(jì),未進(jìn)行專業(yè)施工,抗震性存在天然缺陷,如果再按提高烈度的情況下進(jìn)行鑒定和改造,難度會(huì)更加大。如果一刀切地按新的地震動(dòng)參數(shù)來(lái)鑒定加固改造,現(xiàn)有的技術(shù)能力和經(jīng)濟(jì)條件無(wú)法達(dá)到這一要求。為此,筆者認(rèn)為針對(duì)自建房的特殊性,本著經(jīng)濟(jì)合理的原則,在自建房抗震鑒定加固改造中,地震烈度的確定上應(yīng)按以下原則進(jìn)行:按當(dāng)時(shí)建造時(shí)所實(shí)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的抗震設(shè)防烈度進(jìn)行確定,即滿足當(dāng)時(shí)的抗震設(shè)計(jì)水準(zhǔn),方便自建房屋后續(xù)的抗震加固。

2.2 后續(xù)使用年限

根據(jù)GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[3]規(guī)定,先依據(jù)建筑建造年代確定最低后續(xù)使用年限,再根據(jù)確定后的后續(xù)使用年限將既有建筑分為A,B,C三類進(jìn)行抗震鑒定,每類有相應(yīng)的鑒定方法。但是GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范[4]實(shí)施后,直接根據(jù)后續(xù)工作年限確定相應(yīng)的鑒定方法。前者對(duì)建造年代有要求,而后者沒(méi)有,如2002年建造的建筑,按01版抗規(guī)設(shè)計(jì)的房屋,已使用20年,剩余工作年限30年,按通用規(guī)范GB 55021—2021的規(guī)定,后續(xù)工作年限為30年,為A類建筑,而按規(guī)范GB 50023—2009的規(guī)定應(yīng)為C類建筑。但同時(shí)GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范第5.1.4條規(guī)定應(yīng)允許采用現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)調(diào)低的要求進(jìn)行抗震措施的核查,但不應(yīng)低于原建造時(shí)的抗震設(shè)計(jì)要求。這決定了實(shí)際上2002年建造的建筑,仍不能選擇按照A類或B類的方法進(jìn)行抗震鑒定,而是要求按當(dāng)時(shí)實(shí)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行鑒定。

根據(jù)GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)和GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范的規(guī)定理解,在既有自建房的抗震鑒定時(shí)其后續(xù)使用年限按下列原則進(jìn)行確定:1)對(duì)于89版抗規(guī)實(shí)施前建造的房屋確定為A類建筑,后續(xù)工作年限不少于30年。2)按89版抗規(guī)設(shè)計(jì)建造的房屋確定為B類建筑,后續(xù)工作年限不少于40年。3)對(duì)2001年以后建造的房屋,雖GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)稱為C類建筑,但其后續(xù)工作年限應(yīng)按剩余工作年限確定,屬于后續(xù)工作年限30年的C類建筑,且不同于A類建筑;建造于2010年以后的房屋,屬于后續(xù)工作年限40年的C類建筑,且不同于B類建筑。2001年以后的建筑與早期的建筑的后續(xù)工作年限雖相同,但是鑒定所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同,所以相應(yīng)的鑒定要求也完全不同。

3 抗震鑒定方法

3.1 地震作用計(jì)算

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,底部框架-抗震墻結(jié)構(gòu)的底部縱橫向地震剪力應(yīng)全部由相應(yīng)方向的抗震墻承擔(dān),但是實(shí)際自建房中的底部框架結(jié)構(gòu)房屋,底部?jī)H為框架,無(wú)抗震墻。底部框架結(jié)構(gòu)自建房缺少了抗震墻的側(cè)向剛度,與規(guī)范中的計(jì)算條件假設(shè)不一致,底部剪力全部由框架柱來(lái)承擔(dān),但是框架本身的抗側(cè)剛度較弱,上下剛度比懸殊較大,通過(guò)大量此類房屋的抗震驗(yàn)算,基本都存在底部框架部分側(cè)向位移過(guò)大現(xiàn)象。

以某一底部框架自建房為例,底部?jī)蓚?cè)為框架結(jié)構(gòu),框架柱500 mm×500 mm,框架梁300 mm×700 mm,次梁250 mm×500 mm,縱向柱距7 200 mm,3 600 mm,7 200 mm,橫向柱距6 000 mm,1 500 mm,6 000 mm;3層—5層為砌體結(jié)構(gòu),內(nèi)墻均為240 mm厚普通磚墻,橫墻軸線均為3 600 mm,縱墻布置于底部與框架梁對(duì)應(yīng);底部1層層高4.0 m,2層層高3.6 m,3層—5層砌體層高均為3.0 m。結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖1,圖2所示?？拐鹪O(shè)防烈度8度,經(jīng)計(jì)算,在X向地震作用下底部框架位移約28.8 mm,在Y向地震作用下底部框架位移約27 mm,見(jiàn)圖3,圖4。

第3層與第2層剛度比:X向地震作用下K3x/K2x=5.78 ,Y向地震作用下K3y/K2y=7.11,如圖5所示,嚴(yán)重超出GB 50011—2010(2016年版)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的不大于1.5的要求。顯然僅有框架柱的結(jié)構(gòu)在地震作用下,轉(zhuǎn)換層上下剛度比很難滿足要求,并且底部框架柱所要求的配筋也很大,而自建房實(shí)際的框架柱配筋很難滿足抗震承載力要求。

3.2 抗震措施核查

抗震措施在抗震鑒定中是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),對(duì)于B類、C類建筑,均需通過(guò)抗震措施和抗震承載力綜合考慮才能得出其綜合抗震能力是否滿足要求,通過(guò)歷史震害統(tǒng)計(jì),往往抗震措施在結(jié)構(gòu)抵抗地震災(zāi)害方面起到關(guān)鍵作用。底部框架結(jié)構(gòu)房屋的抗震措施核查,首先以總體控制指標(biāo)和結(jié)構(gòu)體系要求為主,如結(jié)構(gòu)高度、層高、房屋高寬比、抗震橫墻間距、結(jié)構(gòu)布置等。其次檢查上部砌體構(gòu)造柱、圈梁設(shè)置、托墻梁、樓屋蓋等。

4 改善剛度突變方法研究

根據(jù)上述實(shí)例抗震計(jì)算表明,底部框架結(jié)構(gòu)房屋在沒(méi)有抗震墻的情況下,在地震作用下底部框架承受的地震剪力很大,底部框架的側(cè)向位移難以滿足相應(yīng)規(guī)范要求。在底部框架結(jié)構(gòu)房屋中,轉(zhuǎn)換層上下剛度控制是一個(gè)非常重要的抗震措施。為了改善自建房這種先天性缺陷,最直接的辦法就是增設(shè)抗震墻。在上述實(shí)例的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,通過(guò)增加縱橫向的鋼筋混凝土抗震墻來(lái)改善原結(jié)構(gòu)上下剛度懸殊較大和側(cè)向位移較大的缺陷。為了不影響底部采光、空間布局和商業(yè)櫥窗美觀,在原結(jié)構(gòu)底部框架的四大角及內(nèi)側(cè)縱向框柱處增設(shè)寬度240 mm厚,長(zhǎng)度1 000 mm長(zhǎng)的鋼筋混凝土抗震墻,其他條件不變的情況下,經(jīng)驗(yàn)算表明:在縱橫向布置鋼筋混凝土抗震墻后,X向地震作用下轉(zhuǎn)換層上下剛度比減小至1.29,底部框架最大側(cè)向位移12.3 mm;Y向地震作用下轉(zhuǎn)換層上下剛度比減小至1.38,底部框架最大側(cè)向位移11.9 mm。根據(jù)結(jié)果對(duì)比可知,抗側(cè)剛度和側(cè)向位移得到了很好的控制,能很好地改善底部框架在地震作用下側(cè)向位移過(guò)大和剛度突變的問(wèn)題。增設(shè)抗震墻后的驗(yàn)算結(jié)果如圖6—圖8所示。

對(duì)于地部框架結(jié)構(gòu)自建房來(lái)說(shuō),為提高其抗震性能,最直接有效的方法就是在底部框架部分增設(shè)抗震墻,以提高底部框架部分的抗側(cè)剛度,使其能夠與上部砌體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相匹配,從結(jié)構(gòu)體系和宏觀控制上符合抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)上述實(shí)例來(lái)看,對(duì)底部框架部分增設(shè)鋼筋混凝土抗震墻是一種很好的辦法。通過(guò)調(diào)查結(jié)果,在大多數(shù)的底部框架結(jié)構(gòu)房屋中,底部框架的墻體一般采用普通磚砌筑,其本身的抗側(cè)剛度也比較大,但是其作用為填充墻的性質(zhì),不能起到GB 50011建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中要求的約束砌體抗震墻的作用。底部框架中后砌磚墻與框架柱不能共同工作,所以不能承擔(dān)底部抗震剪力,那么采取一種加固方法能夠使既有磚墻和框架柱共同工作的措施,使其能夠承擔(dān)部分地震剪力,是不是就可以作為抗震墻來(lái)使用呢?筆者認(rèn)為這種方法是可行的。一種辦法是通過(guò)置換與框架柱連接部位的部分磚墻,通過(guò)后期植筋,增設(shè)連接部位混凝土邊緣構(gòu)件,使得框架柱與原磚墻能夠共同工作,從而起到抗震墻的作用;另一種方法是在原砌體墻兩側(cè)增設(shè)鋼筋混凝土板墻,再通過(guò)板墻鋼筋與框柱錨固連接,使得加固后的組合墻與框架柱共同工作,從而起到抗震墻的作用。這兩種方法既利用了原有墻體,又減少了施工難度和加固成本。通過(guò)計(jì)算機(jī)及設(shè)計(jì)理論計(jì)算這兩種方法是可行的,但是缺少實(shí)踐的檢驗(yàn),在有條件的情況下,通過(guò)建造實(shí)體模型在振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)是比較科學(xué)、合理的。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)近年來(lái)我國(guó)抗震設(shè)計(jì)、鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的變化對(duì)比,明確了地震參數(shù)的確定,尤其是明確了建于2001年至現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范之間的建筑的抗震鑒定方法。通過(guò)對(duì)比計(jì)算,增設(shè)底部抗震墻能夠顯著的提升底部框架自建房的整體抗震性能,滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)、鑒定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。通過(guò)改變既有磚墻與框架的連接,發(fā)揮后期磚墻本身的剛度能夠起到約束砌體抗震墻的作用,為自建房抗震改造提供一些可行、可操作的參考意見(jiàn)。