據(jù)悉,日本熊本縣南阿蘇村在2016年4月16日凌晨的地震中,發(fā)生大規(guī)模塌方,多條道路坍陷,房屋坍塌,導(dǎo)致多人失蹤,上千人受傷。雖說無法在強(qiáng)震和海嘯面前做到屹立不倒,但總的看來,日本建筑的抗震水平是首屈一指的。說到日本建筑抗震不得不說醫(yī)院建筑抗震的設(shè)計(jì)。
隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的提高,對(duì)醫(yī)療建筑的功能要求不斷提升;诠(jié)約投資,最大程度地利用已有基礎(chǔ)設(shè)施的目的,大量20世紀(jì)70年代以后建造的醫(yī)院建筑需要進(jìn)行改造。由于改變用途、使用環(huán)境以及抗震設(shè)防目標(biāo)提高等,在改造的同時(shí)需要進(jìn)行抗震鑒定及結(jié)構(gòu)加固。
工程實(shí)例概況
某醫(yī)院病房樓,地下1層,地上8層。首層為消化內(nèi)科及大廳;2~6層為病房,7層為設(shè)備層,8層為電梯機(jī)房和設(shè)備用房。建筑平面形狀為矩形,總高度
26.90m。結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆框架-剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)為箱形基礎(chǔ),樓板為現(xiàn)澆梁板體系,標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖 1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖
原建筑竣工于1984年,按7度(0.15g)抗震設(shè)防,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為丙類。依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第4.0.3條規(guī)定,改造后的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類。鑒于醫(yī)院實(shí)際需求及《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第1.0.6條規(guī)定,該病房樓進(jìn)行改造設(shè)計(jì)前需對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定,并確定其后續(xù)使用年限為40年。
建筑現(xiàn)狀調(diào)查
抗震鑒定前應(yīng)進(jìn)行建筑現(xiàn)狀調(diào)查,包括搜集勘察、施工及竣工驗(yàn)收的相關(guān)原始資料;當(dāng)資料不全時(shí),應(yīng)根據(jù)鑒定的需要進(jìn)行補(bǔ)充實(shí)測。調(diào)查建筑現(xiàn)狀與原始資料相符程度、施工質(zhì)量和維護(hù)狀況。
1原始資料調(diào)查
該住院樓巖土工程勘察報(bào)告、竣工圖紙、竣工驗(yàn)收資料等原始資料均較齊全。
2外觀質(zhì)量檢查
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)主要檢查結(jié)構(gòu)構(gòu)件的裂縫及劣化程度等。經(jīng)檢查個(gè)別框架柱及剪力墻表面存在蜂窩、麻面現(xiàn)象;少數(shù)框架梁存在梁底鋼筋銹蝕現(xiàn)象(見圖2);個(gè)別屋面板板底存在堿蝕、露筋現(xiàn)象(見圖3)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)明顯開裂、較大變形等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)性損壞現(xiàn)象。
圖2梁底鋼筋銹蝕
圖3板底堿蝕、露筋
3材料性能檢測
建筑結(jié)構(gòu)的材料性能是結(jié)構(gòu)安全的基本保證。本工程混凝土強(qiáng)度采用超聲-回彈綜合法對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場取樣檢測,檢測混凝土強(qiáng)度摘錄如表1所示,F(xiàn)場采用鋼筋探測儀對(duì)部分梁、板、柱、剪力墻的鋼筋配置、分布及混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測,檢測結(jié)果基本符合原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。
表1構(gòu)件混凝土強(qiáng)度回彈法檢測結(jié)果摘錄
抗震鑒定 1抗震鑒定原則
本工程屬于B類建筑,應(yīng)進(jìn)行兩級(jí)鑒定。(1)第一級(jí)鑒定:對(duì)現(xiàn)有房屋的宏觀控制和構(gòu)造鑒定為主進(jìn)行綜合評(píng)價(jià);(2)第二級(jí)鑒定:對(duì)現(xiàn)有房屋進(jìn)行抗震驗(yàn)算為主結(jié)合構(gòu)造影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。
(1)和(2)同時(shí)滿足的建筑評(píng)定為滿足抗震要求,可不進(jìn)行加固處理;(1)滿足而主要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震承載力不低于規(guī)定的95%、次要抗側(cè)力構(gòu)件的抗震承載力不低于規(guī)定的90%,可不進(jìn)行加固處理;(1)不滿足而抗震承載力較高時(shí),可通過構(gòu)造影響系數(shù)進(jìn)行綜合抗震能力的評(píng)定;(1)和(2)均不滿足要求時(shí),應(yīng)采取加固或其他相應(yīng)措施。
2抗震等級(jí)確定
本工程使用功能為病房樓,根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第4.0.3條,二三級(jí)醫(yī)院的門診、醫(yī)技、住院用房,抗震設(shè)防類別應(yīng)劃分為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)。依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.1.2條規(guī)定,本樓框架抗震等級(jí)為二級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)。依據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.1條規(guī)定,框架抗震等級(jí)為三級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。改造工程的抗震設(shè)防目標(biāo)及抗震設(shè)防水準(zhǔn),按照安全、經(jīng)濟(jì)、合理的要求,結(jié)合其后續(xù)使用年限40年相協(xié)調(diào),確定框架抗震等級(jí)為三級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)為二級(jí)。
3場地、地基和基礎(chǔ)
查閱原地勘報(bào)告,本樓建造于對(duì)抗震有利的地段,場地類別為II類,其地基主要受力范圍內(nèi)不存在軟弱土、飽和砂土和飽和粉土或嚴(yán)重不均勻土層。依據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第4.1條、4.2條規(guī)定,可不進(jìn)行場地對(duì)建筑影響的抗震鑒定,同時(shí)也可不進(jìn)行地基基礎(chǔ)的抗震鑒定。
4抗震措施鑒定(第一級(jí)鑒定)
1)結(jié)構(gòu)高度
本工程結(jié)構(gòu)總高26.90m,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.1.1條,7度框架-抗震墻結(jié)構(gòu)適用的最大高度為120m的要求。
2)房屋的結(jié)構(gòu)體系
本工程為雙向多跨框架-抗震墻結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)布置及框架梁、柱、剪力墻截面滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.2條房屋結(jié)構(gòu)體系要求。
本工程建筑平面形狀為矩形,平面沒有局部突出,立面沒有局部縮進(jìn),均滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1條房屋結(jié)構(gòu)體系要求。
樓層剛度大于其相鄰上層剛度的70%,且連續(xù)3層總的剛度降低小于50%,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1條房屋結(jié)構(gòu)體系要求。
首層個(gè)別框架柱軸壓比為0.98,不滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.2.1條框架-抗震墻柱(抗震等級(jí)三級(jí))軸壓比≤0.95的要求。
3)混凝土強(qiáng)度等級(jí)
本工程混凝土強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》 第6.3.3 條梁、柱、墻實(shí)際達(dá)到的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C20要求。
4)框架梁的配筋及構(gòu)造
本工程框架梁縱向受拉鋼筋的配筋率不大于2.5%;梁端截面的底面和頂面配筋量的比值不小于0.3;梁端箍筋實(shí)際加密區(qū)的長度大于梁截面高度的1.5倍,箍筋最小直徑為8mm,滿足要求。
5)框架柱的配筋及構(gòu)造
本工程框架柱實(shí)際縱向鋼筋的總配筋率,框架中柱、邊柱和角柱均大于1.0%,滿足要求。柱箍筋加密區(qū)的箍筋間距為100mm,箍筋直徑為φ8mm和φ10mm,滿足要求。柱加密區(qū)箍筋肢距不大于200mm,且每隔1根縱向鋼筋在2個(gè)方向均有箍筋約束,滿足要求。
6)框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)構(gòu)造
本工程框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)內(nèi)箍筋最大間距為100mm,最小直徑為φ12mm,柱體積配箍率為 1.6%~2.1%,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第 6.3.6
條要求。
7)抗震墻的配筋及構(gòu)造
本工程抗震墻墻板豎向、橫向分布鋼筋的配筋率約為0.628%,均大于0.25%,最大間距為150mm,最小直徑φ12mm,滿足要求?拐饓吘墭(gòu)件的配筋,縱向鋼筋配筋率為1.2%~2.0%,箍筋直徑均為φ10mm,間距均為100mm,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.7條要求。
8)填充墻
本工程砌體填充墻在平面和豎向布置均勻?qū)ΨQ,滿足要求。砌體填充墻沿框架柱每隔500mm有2根φ6mm拉筋,拉筋伸入填充墻內(nèi)長度700mm,滿足三四級(jí)框架不應(yīng)小于墻長的1/5且不小于700mm的要求。
墻長度大于5m時(shí),墻頂部與梁設(shè)有拉結(jié)措施,滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.9條要求。
5抗震承載力驗(yàn)算(第二級(jí)鑒定)
第二級(jí)鑒定是以抗震驗(yàn)算為主,結(jié)合構(gòu)造影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第二級(jí)鑒定可采用樓層綜合抗震能力指數(shù)法與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定方法進(jìn)行抗震計(jì)算分析。本工程采用中國建筑科學(xué)研究院編制的《PKPM
混凝土結(jié)構(gòu)鑒定加固》軟件進(jìn)行抗震承載力計(jì)算。在建立計(jì)算模型和選擇計(jì)算方法時(shí)采取了如下處理。
1)在 PKPM 軟件計(jì)算中,依據(jù)原設(shè)計(jì)施工圖、本次改造建筑圖,并結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,確定結(jié)構(gòu)布置及荷載分布,建立計(jì)算空間計(jì)算模型(見圖 4)。
圖 4 空間計(jì)算模型
2)抗震計(jì)算的有關(guān)參數(shù)
抗震設(shè)防烈度:7 度; 設(shè)計(jì)基本地震加速:0.15g;設(shè)計(jì)地震分組:第一組;設(shè)計(jì)特征周期值:0.30s;建筑場地類別:II
類;地面粗糙類別:C類;框架抗震等級(jí):三級(jí);剪力墻抗震等級(jí):二級(jí)。
3)梁柱節(jié)點(diǎn)重合部分,梁端簡化為剛域。
4)考慮填充墻對(duì)于結(jié)構(gòu)總體剛度的影響,計(jì)算時(shí)取周期折減系數(shù)為 0.75。
5)根據(jù)第一級(jí)鑒定結(jié)果,體系影響系數(shù)取 0.95。
經(jīng)計(jì)算首層個(gè)別框架柱抗剪不滿足要求,首層、2層部分框架梁、板承載力不滿足要求,3層、5層改造為設(shè)備機(jī)房位置樓板承載力不滿足要求。
6抗震鑒定結(jié)論
1)個(gè)別框架柱軸壓比不滿足要求;
2)個(gè)別框架柱抗剪不滿足要求
3) 部分框架梁承載力不滿足要求;
4) 部分樓板承載力不滿足要求。
抗震加固設(shè)計(jì) 1框架柱加固
軸壓比不足的框架柱采用加大截面法進(jìn)行加固處理。該方法是在框架柱構(gòu)件表面鑿毛和清潔處理后用鋼筋混凝土圍套,圍套內(nèi)的縱向受力鋼筋由計(jì)算確定,并與原框架柱內(nèi)縱向受力鋼筋共同工作。采用加大截面法不僅提高框架柱的承載力,并且在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的剛度。
加大截面的尺寸一般在100mm左右,采用混凝土加大截面,澆筑時(shí)很難振搗密實(shí),加固質(zhì)量難以保證。本工程采用高強(qiáng)灌漿料代替混凝土,保證了混凝土的密實(shí)度(見圖5)。
圖5框架柱加大截面詳圖
抗剪承載力不足的框架柱采用橫向粘貼碳纖維的方法進(jìn)行加固處理?蚣苤迟N環(huán)向碳纖維箍,纏繞3圈且搭接長度應(yīng)超過200mm。碳纖維箍外側(cè)抹厚度不小于25mm的高強(qiáng)度水泥砂漿,以滿足防火及防護(hù)要求?蚣苤敳考暗撞吭O(shè)置4mm厚鋼板封閉箍進(jìn)行附加錨固(見圖
6)。
圖6框架柱碳纖維加固詳圖
2混凝土梁加固
混凝土梁采用型鋼加固法。此方法適用于不允許增大構(gòu)件截面尺寸,而又需要大幅度地提高承載力的混凝土結(jié)構(gòu)加固。型鋼加固法是在混凝土構(gòu)件四周包以型鋼,型鋼與被加固梁之間用聚合物砂漿或結(jié)構(gòu)膠等方法黏結(jié)。型鋼表面抹厚度不小于25mm的高強(qiáng)度水泥砂漿(應(yīng)加鋼絲網(wǎng)防裂)作防護(hù)層,具體做法如圖7所示。
圖7框架梁型鋼加固圖
3樓板加固
樓板采用粘貼碳纖維加固法。碳纖維復(fù)合材加固混凝土結(jié)構(gòu),主要是利用纖維抗拉的高強(qiáng)度、高彈性模量、高應(yīng)變性能及利用改性環(huán)氧樹脂類膠結(jié)材料,使碳纖維與混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生良好的黏結(jié)性,加固補(bǔ)強(qiáng)原結(jié)構(gòu)受拉縱向鋼筋和受剪、抗扭箍筋的不足,從而提高結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪、抗扭承載力。
該方法用高性能黏結(jié)劑將碳纖維布黏貼在樓板表面(纖維粘貼方向應(yīng)平行于構(gòu)件的主受力方向),使兩者共同工作,提高樓板的抗彎承載力。為提高碳纖維布黏結(jié)加固耐久性,碳纖維表面采用壓結(jié)鋼片加射釘進(jìn)行附加錨固,壓結(jié)鋼片長度宜為碳纖維布寬+60mm,射釘應(yīng)不打穿碳纖維布。
小結(jié)
1)抗震鑒定應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、后續(xù)使用年限等因素,結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù),采用逐級(jí)鑒定的方法,進(jìn)行抗震性能分析。
2)抗震加固應(yīng)綜合分析建筑整體情況、現(xiàn)場檢測結(jié)果、抗震鑒定結(jié)果,并結(jié)合建筑物的現(xiàn)狀等,選擇經(jīng)濟(jì)、合理、施工方便的加固方案。