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钢结构加层抗震鉴定实例

摘要：本文从实际工程入手，介绍了某混凝土框架结构采用钢结构加层抗震鉴定工
作的现场勘察、检测、抗震验算分析过程，并提出了钢结构加层抗震鉴定、设计中
应注意的相关问题，供类似工程探讨和参考。
关键词：钢结构；抗震鉴定；检测；加固；加层.

Seismic Appraiser for Steel frame Structure
Built on the Existed RC Structure

ABSTRACT: The method about seismic appraiser for steel frame structure built on the
existed RC structure is presented briefly combined with one engineering case. It can provide a reference
for similar engineering projects.
KEYWORDS: steel frame structure; seismic appraiser; retrofit; adding storey

前言
目前，对既有房屋建筑进行加层改造是获得更多使用面积的一个快捷有效的方法。许多工程实践证明，采用加层改造方案比拆旧新建方案，具有工期短、造价低、改善使用功能等优点。同时，我国存在相当数量的现有建筑已经达到或是接近其使用年限，因此旧房加层改造一般会结合房屋的抗震加固同时进行，从而最大程度上发挥了原建筑的使用价值。目前，在1～3层的钢结构加层工程中，部分工程设计人员将加层部分视为隔离体直接落于地面，按相应的地震设防烈度进行简化的抗震设计，并不考虑下部既有结构和加层结构之间的相互影响，这种方法具有一定的局限性和不可靠性。同时，在加层抗震鉴定过程中如何依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）（以下称《设计规范》）和《建筑抗震鉴定标准》（GB50023—95）（以下称《鉴定标准》）对既有房屋进行抗震鉴定也存在不同的观点。本文将以同济大学房屋质量检测站对上海市某混凝土框架结构采用钢结构加层工程进行的抗震鉴定为例，简略地叙述房屋抗震鉴定的目的、依据、内容，以便类似工程进行探讨和借鉴。
1.工程概况
该工程原为三层两等跨混凝土框架结构的体育场活动楼，由同济大学建筑设计研究院于1984年设计，1985年建成并投入使用。该建筑属于丙类建筑，抗震设防烈度为7度，建筑场地属于Ⅳ类场地；基础为柱下钢筋混凝土十字交叉梁基础。原房屋一二层框架柱截面尺寸为400mm500mm，
三层框架柱截面尺寸为400mm400mm，框架梁截面尺寸为300mm700mm，连系梁截面尺寸为240mm500mm。该建筑跨度7.37m，柱距5.7m，平面尺寸32.5m×14.74m（见图1）。一层层高5m，二层层高5.1m，三层层高5.1m。2004年6月业主对该建筑一二层进行了改建以作为酒店使用，改建时对该房屋框架柱轴线上三层框架柱均进行了湿式外包钢加固。近期业主由于扩大使用面积需要拟将原建筑的第三层改建为二层钢结构（见图2）。为保证此次加层改造后房屋的安全使用，特委托同济大学房屋质量检测站对房屋进行加层抗震鉴定。
2.现场检测及分析
为准确评价既有建筑的综合抗震能力，检测人员首先对建筑现场进行了调查和原始资料的收集整理，包括既有建筑的勘察、设计、施工以及框架柱的加固设计资料，同时了解该建筑使用功能的变更情况，扩建、修补及受灾害情况。在房屋现场检测过程中，还对照相关图纸对该建筑的基础类型、地基变形、构件尺寸、房屋倾斜、材料强度等进行了检测和核对以及房屋的梁、柱的配筋和损伤情况等进行了调查。
2.1 房屋构件尺寸校核
检测人员对该房屋进行了房屋构件尺寸校核，校核结果表明：该房屋结构轴线位置、结构构件尺寸、楼面标高与设计图纸完全一致。同时，检测人员对钢筋混凝土柱的加固情况进行了较为详细的检测，检测结果表明加固用的等边角钢、缀板尺寸以及间距和加固设计方案一致。
2.2房屋损伤状况调查
对该房屋损伤状况进行现场调查发现：混凝土梁柱结构构件、节点以及外墙、各层混凝土楼板上未发现明显的裂缝和缺陷，混凝土未出现剥露、破损，钢筋未出现锈蚀外露情况。根据现场调查可认为该房屋结构构件未出现明显损伤。
2.3地基变形、构件配筋、混凝土材料强度检测
经检查，目前未发现因地基基础不均匀沉降导致上部梁柱及室内外地坪出现裂缝的不良反应，表明地基基础是稳定的；同时，对建筑物倾斜情况进行了测量，倾斜结果表明：房屋各测点倾斜率介于1.964‰～3.258‰之间；该房屋主体为混凝土框架结构，检测人员采用钢筋位置测定仪对各楼层的梁、柱的实际配筋与设计配筋进行了详细的核查，检测结果表明该房屋实际配筋与设计配筋基本一致。采用回弹法以及取芯法对混凝土强度进行了检测，综合两种检测方法的结果表明该房屋混凝土碳化深度大于6mm，混凝土强度等级评定为C15。

图1、结构底层平面布置图 图2、 改造后剖面图
3. 房屋加层抗震鉴定
3.1既有房屋抗震鉴定
我国目前对既有房屋的抗震鉴定主要依据“结构综合抗震能力两级鉴定方法”。第一级鉴定是以宏观控制和构造鉴定为主的抗震能力鉴定，当建筑不符合第一级鉴定要求时，应由第二级鉴定做出判断。第二级鉴定是以构件抗震承载力验算为主，并考虑第一级鉴定的结论结合构造影响进行综合评估。根据本工程实际情况，为保证既有房屋和加层房屋抗震能力相当，提高了对既有房屋的抗震鉴定标准。按《设计规范》框架结构抗震构造措施要求对该房屋进行了核对表明：该建筑抗震构造措施有多项不符合抗震设计规范要求（见表1）。结合房屋整体抗震能力验算结果，建议对该既有结构梁、柱进行加固。
表 1. 房屋整体结构抗震构造对比
内容
原结构状况
《设计规范》
对于7度抗震设防的要求
是否满足
梁端内箍筋配置
梁端的箍筋肢距350mm，大于250mm。
梁端加密区的箍筋肢距，抗震等级为三级时，不宜大于250mm和20倍箍筋直径较大值。
否
柱的纵筋配置
对称配筋，总配筋率小于5％,纵筋间距最大为250mm。
宜对成配置；截面尺寸大于400mm时，纵筋间距不宜大于200mm；总配筋率不宜大于5％等。
否
柱内箍筋配置
底层和顶层柱上端箍筋没有设置加密区。
柱箍筋加密区范围（柱端和底层柱以及角柱的要求）。
否
柱箍筋加密区箍筋肢距
柱内箍筋加密区内肢距最大400mm。
不宜大于250mm和20倍箍筋直径较大值。至少每隔一根纵向钢筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束；采用复合箍时，拉筋宜紧靠纵向钢筋并勾住箍筋。
否
框架节点核芯区要求
框架节点核芯区箍筋最大间距和最小直径不满足。
框架节点核芯区箍筋最大间距和最小直径按照加密区要求。配箍特征值不宜小于0.08以及体积配箍率不宜小于0.4％。
否

3.2加层房屋整体抗震能力验算
根据加层设计方案，加层结构设计不改变原柱网布置，加层主体采用钢框架结构，楼盖采用压型钢板上现浇混凝土叠合楼面，屋盖采用金属绝热材料夹芯板支承于C型薄壁型钢檩条上，加层钢结构屋面梁和柱采用H型截面构件，加层钢柱柱底与既有混凝土柱柱顶连接按固接设计。由于业主已对该房屋原部分框架柱采用等边角钢L100×10，缀板100×10进行了外包钢加固。按照《混凝土结构加固技术规范》(CECS25:90)中5.1.1条湿式外包钢加固柱截面抗弯刚度换算公式（）将加固柱截面等效换算钢筋混凝土柱截面。原框架柱截面尺寸为400mm×500mm和400mm×400mm，等效换算后截面尺寸为480mm×600mm和500mm×500mm
由于加层钢结构和下部混凝土结构的阻尼比不一样，加层形成组合体后的地震反应值随着钢结构对房屋的周期比和质量比而变化。如果钢结构相对于混凝土结构侧向刚度较小，在地震作用下下部结构对上部结构的影响会很大，在高层建筑中还可能出现“鞭梢效应”。因此在工程中单独对加层钢结构采用隔离体单独计算是不合理的，需要对加层后房屋整体抗震能力进行计算和分析。一般认为鞭梢效应是建筑物高阶振型影响造成的，因此对房屋加层抗震计算过程中，将房屋整体采用“多质点系”振型分解反应谱法。计算时将结构离散化，将每层楼板、梁和相邻上下层柱的一半质量集中到相应的层上，整个房屋转化为串联多质点系。根据振型反应谱理论第j振型的地震作用最大值为：

（j=1,2···n） (1)
对于集中质量多自由度体系，作用于i质点上的地震作用可由（1）式写出为：
（i=1,2···n ,j==1,2···m） （2）
式中 :地震作用下第j振型第i质点的地震作用；
：j振型地震影响系数；
：j振型的振型参与系数；
：第j振型在第i质点的水平相对位移；
：第i质点的重量矩阵。
应用上述地震作用求地震内力时，先针对每一振型求出水平地震作用，再按静力法计算相应的地震作用效应（内力或位移），最后进行振型组合，给出结构总体的最大振型反应，即可求得结构的水平地震效应。
结构计算采用中国建筑科学研究院的SATWE软件进行，荷载取值按《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）确定，混凝土强度等级按现场检测得到的评定等级进行计算。在建模计算过程中把钢结构的地震作用效应按振型分解反应谱法计算后乘以地震力放大系数，将地震力放大系数值取2.5时偏于安全。结构层间位移电算结果见表2：
表2. 水平位移计算结果
楼层
X方向地震作用
Y方向地震作用
最大层间位移（mm）
层间弹性位移角
最大层间位移（mm）
层间弹性位移角
1
14.86
1/ 390
10.37
1/ 559
2
10.92
1/ 458
7.31
1/ 684
3
3.92
1/ 841
6.80
1/ 486
4
906
1/ 364
6.31
1/ 523
同时采用SAP2000程序进行了结构取不同阻尼比情况下的抗震分析，分别对加层后房屋整体阻尼比按0.05(混凝土结构)和0.02(钢结构)两种情况进行了整体计算。通过综合对比两种计算模型的结果，上部钢结构局部和整体稳定性验算及抗震验算表明钢加层设计方案满足现行抗震规范要求；下部结构各层框架柱的轴压比全部小于0.9；原结构部分框架梁抗震承载力能力不足；加层后下部结构底层层间弹性位移角不能满足规范变形要求，即横方向最大层间弹性位移角为1/ 390，大于规范要求的1/ 550。需对有关框架柱、梁进行抗震加固设计以满足抗震要求。
3.3 地基基础承载能力、沉降变形验算
房屋加层改造设计过程中应处理好地基和基础问题，地基承载力和沉降变形值应满足加层的要求。从现场调查和检测结果表明，上部结构没有不均匀沉降裂缝和倾斜，地基基础无严重静载缺陷，
根据《设计规范》中4.2.1条规定该建筑可不进行地基基础的抗震承载力验算；该建筑地基基础设计等级为丙类，加层后总楼层数小于5层，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）中3.0.2条规定可不对该基础变形进行计算，主要是对加层后地基承载力进行复核。该房屋基础采用柱下钢筋混凝土十字交叉梁基础，基础埋深1m。地基承载力特征值按照设计值80 Kpa计算。考虑各种荷载在最不利组合的情况下计算底层柱内力。通过计算表明：地基梁和翼缘抗弯实际配筋大于计算配筋量，实际配置抗剪箍筋也大于计算抗剪配筋量。计算结果表明地基基础承载能力在加层后仍然满足使用要求。
3.4 抗震构造措施
钢结构加层的应用要受到地域特征、原有建筑体型和既有结构的影响和制约，尤其是本工程加层后房屋形成了混和结构体系更需要加强建筑抗震概念设计，要求加层结构平面布置合理，传力路径明确。而且在加层抗震鉴定过程中需保证房屋有一定构造措施来提高房屋的安全性和整体抗震能力，比如设置足够的纵横向支撑系统以保证结构的整体稳定性和防止结构抗侧刚度突变；设置消能支撑或采取隔震减震措施减少地震力对结构的破坏作用；加强钢结构与既有房屋在连接处的连接性能来保证新旧结构整体协同工作以利于抗震等等。
4. 总结
目前，我国规范对既有房屋加层采用的抗震鉴定方法未有明确的规定，特别是像本文中的实例为混合结构的抗震鉴定工作更需要慎重的分析。对拟加层的既有房屋采取的抗震鉴定标准需根据地震危险性估计并结合当地经济发展水平区别对待，合理地依据《设计规范》和《鉴定标准》进行抗震鉴定。本文中对既有房屋的抗震鉴定和加层房屋设计均按《设计规范》标准进行，建议对既有房屋进行了抗震加固处理。由于目前国内对于房屋加层后形成混合体系房屋的抗震鉴定存在不同的观点，本文希望能起到抛砖引玉的作用供专家学者进行探讨和指正。

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