既有框架结构隔震加固的设计、检测及施工

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既有框架结构隔震加固的设计、 检测及施工
隔震加固基本原则
目的:安全、经济、合理地将既有建筑置于后增加的隔 震支座上。
与医院里的手术类似,结构加固事实上是对存在安全隐 患或功能障碍的既有建筑进行针对性的外科手术,故而在制定 结构加固方案(含设计、施工、检测和监测等)时,需对建筑 物的现状进行综合性的评估,在结构加固中尽量采用对既有结 构影响小、手术难度低、工期短的“微创”加固方案。
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2. 节点及非结构构件安全性评估缺失
鉴定报告中 1)重视构件的强度,对节点区 的混凝土质量、箍 筋配置情况等无描述。 2)忽 略非结构构件的抗震安全性。
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72个支座,各类型支座数量及力学性能详见表7。隔震支座 平面布置见图4。隔震结构屈重比为0.021。
图4 隔震支座编号及布置图
Байду номын сангаас 8.主要设计大样
9. 施工现场照片
10.结构检测及施工监测
1.前期:1)建筑结构质量鉴定;
2 抗震鉴定
3
工程地质补充勘察,重点对场地土类别和 地
地基基础设计等级: 丙级,现状基础正常,改造后荷载均 有所降低,不加固即可保证安全。
3.结构加固
3.1 结构加固的必要性
(1)检测结论: 该房屋结构的综合评级为Csu
( 2)抗震能力远不能满足《建筑抗震鉴定标准》( GB50023-2009)规定的抗震设防要求,结构体系和结构抗 震构造措施存在严重缺陷, 需要对结构进行加固方可满足现 行规范的要求。
6 隔震层至基础筏板顶面间空间,可用作临时储存空间。
5. 设计主要内容 已建成并投入使用23年,加固设计的主要工作: 1)重新界定建筑的使用功能,并进行各房间的使用功能细化 。 2)进行立面装修改造设计。
3) 采用基础隔震技术,对结构进行抗震能力的提升改造,对 隔震后的结构进行必要的加固设计。
4)与施工一起,确定顶升方案和托换装置,并进行必要的 分析、设计、试验、检测和监测。
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塔楼 1塔 2塔 3塔 4塔 5塔 6塔 7塔
X方向 0.236 0.208 0.218 0.251 0.253 0.188 0.194
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Y方向 0.273 0.194 0.245 0.244 0.214 0.208 0.192
2 柱下交叉梁基础,无需进行加固处理即可满足现行相关规 范或 标准的抗震设防要求。
3 基础梁顶至二层楼面的高度为4.65m,建筑未来的使用功 能允 许将底层的层高降低至3.4m,这为采用基础隔震技术进行结 构 加固提供了空间可行性支持。
4. 结论 隔震加固。具体如下:
1 采用基础隔震技术,水平地震作用降低1度后,原框架梁 柱 的配筋仍然存在普遍偏低的情况。
2. 结构设计参数
结构安全等级: 二级,重要性系数为1.0 结构设计使用年限: 40年
建筑物抗震设防分类: 标准设防类(丙类) 建筑物抗震设防: 8度,设计基本地震加速度0.20g,设 计地震分组第三组 建筑场地类别: Ⅱ类(按新规范进行了补勘确认) 建筑物抗震等级: 采用基础隔震技术后,与抵抗水平地 震力相关的抗震等级为二级,与抵抗竖向地震相关的抗震 等级按一级(主要的框架柱的轴压比)。
2 将既有的三个结构单元合并连接为一个完整的结构单元。 3 在基础标高以上,隔离出一个高度为1.25m高的结构隔震 层 ,设置隔震支座。
4 混合使用普通和铅芯支座(共72个支座)。
4 尽可能地将实心砖填充墙调整为加气混凝土砌块填充墙, 以 减小地震作用,减少加固工程量。 5 对少量关键构件和节点进行粘钢或粘碳纤维加固,提高构 件 和节点的承载力和延性。
对建于上世纪90年代的框架结构:
1 检查施工缝处的混凝土浇筑质量; 建议引入高精度切片扫描成像技术。
2 检查节点区箍筋布置情况(难度较大)
现有的钢筋探测技术能否实现? 3 非结构构件的抗震验算。
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3. 构件及节点强弱关系的符合性
1)强柱弱梁(早期设计的既有建筑,往往梁配 筋 相 对 较 大 ) 2)强剪弱弯(对于横力弯曲 构件,由于人为放 大纵向钢筋,可能导致抗剪 成为薄弱环节) 3)强节点弱构件(由于依据小 震内力进行节点 设计,可能导致构件强度高于 节点强度的情况) 4)强锚固弱配筋(早期人工 设计的框架结构, 应注意查看设计图纸中纵向 钢筋的锚固做法)
X k
Key, j X i K ey, j
, Yk
Kex, j X i K ex, j
,
Kex, j,Key, j为第i个支座在隔震层发生
位移时,X和Y方向的等效刚度
扭转刚度:Kt
Kex, j Yi Yk 2 Key, j X i X k 2
弹力半径:Rx
Kt K ex, j
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4)对单塔结构,控制质量中心与隔震支座刚度中心确 实可以达到减少扭转的目的。 5)共用隔震层的多塔 结构,地震引起的总惯性力很可 能不通过上部结构的 总质量中心。此时,质量中心与 隔震支座中心偏移较 小并不能保证结构在地震作用下 的扭转效应较小。
6)多塔结构的扭转控制,应使地震引起的总惯性力 尽量靠近或通过隔震支座的刚度中心。同时,考察在 中、大震同一时刻时的上部结构各楼层的位移比。
2 建筑柱网尺寸较小,混凝土强度低,已显较大的梁柱截面 ,加固中还需继续增加。必然影响建筑的使用功能。
(4)需对现状结构行大幅改造,必然对既有结构及构件造成一 定的损伤,若新旧混凝土的结合处及节点处理不妥,易留下隐患。
(5)针对抗剪承载力较低的节点区,存在很难甚至无法加固的 情况。
2) 改善建筑结构抗震性能的可行性方案 1 基础隔震、减震及消能技术:隔震技术简单易行,不影响 上部 结构的使用,造价也较低。
减震系数有 一定的差别。
表明各塔的 底部地震剪力系 数存在差别,即 各塔质量对地震 引起的惯性力贡 献程度不同。
支座刚度中心计算
X g
Nl ,i X i N l,i
,Yg
Nl ,i Yi N l,i
, N l,i 为支座承受的长期轴压 荷载,
X i,Yi 为第i个支座中心位置 x和y向坐标
本报告结合工程案例来进行阐述:
一、案例
1. 工程概况
1 建于1989年11月份,8层( 局部9层 ),总高度 27.6m(局部突出部位34.2m),总建筑面积6816.74m2
2 钢筋混凝土框架结构,现浇板与预制板各占50%左右。 3 原设计在7和10轴处有两道抗震缝,缝宽150mm,规则 的 三个结构单元。
3) 外包钢与原有混凝土柱间,在每一侧面设φ20@300(三级 钢筋)植筋,与外包钢穿孔焊接后灌注结构胶。外包钢需考虑与 托换装置的连接需求。
柱底预测实际荷载(0.9恒+0.25活,预顶升力取0.9倍)
3)截柱按逐列对称推进,最后截断角柱。柱截断前,需通过 千 斤顶对上部结构柱施加一定的预顶力,并使下部柱混凝土 中 维持一定的压应力。
4.设计及施工基本思想
1)遵循“强柱弱梁”“强剪弱弯”“强节点弱构件”的设计 原 则。
2)减少湿做工作量,避免增大结构构件尺寸,方便施工。 3)减少植筋数量,从而减少对原结构的损伤和破坏。 4)粘钢采用Q235B钢材,同时兼顾刚度和强度需求,减小粘 钢 的滞后效应。 5)在施工期荷载条件下,框架柱的最大轴压比约为0.51,框架 梁 的弯矩内力约为设计弯矩承载力的40%,可不考虑滞后效应 。 6)重视施工阶段各种可能荷载情况下的结构安全性验算。
基承载力进行复核确认
2.施工期间,现场监测:
1 摩擦型高强螺栓的承载力
2 结构胶与混凝土间粘接承载力的可靠性
3 托换装置的可靠性
4 建筑沉降、倾斜
5 截柱引起的柱脚水平位移
6
截柱,置换橡胶支座,卸载完成后柱脚的竖 向
沉降。
柱截断顺序
柱脚水平位移监测(百分表布置)
建筑整体倾斜观测
二.结构鉴定和加固中 几个问题的思考
5)采用SAP2000、ETABS或MIDAS软件,对施工阶段各种情况下结 构的安全性进行验算,并确定结构可能承受的最大差异沉降。
6)考虑施工误差、施工操作空间需求、顶升状态下的结构荷载情况 等,设计、分析并优化顶升装置,使其能重复使用。(需保证托换 装置的强度、刚度和稳定性)。
7)选择荷载中等的结构柱,进行与顶升施工的各种连接节点和构件 的承载力和刚度检验。确保各种情况下结构及顶升装置的变形均在 允许的范围内。(比较关键)
6.结构顶升施工需注意的要点
注意事项:
1) 因框架梁加固需要,拆除原有部分内外实心砖填充墙,减 小顶升及托换重力荷载。中间单元柱下最大轴向荷载标准值约为 1850kN,左右两单元的最大轴向荷载约为1200kN。按2000kN 考虑。
2) 在拆除墙体的同时,进行一、二层的结构包钢及梁柱节点 处角钢矩形抱箍的施工,角钢与包钢间满焊连接
1. 场地土类别的确认
由于抗震设计规范中场地土类别划分标准的改 变,使场地土类别的确认变得必要。
1)鉴定报告几乎都不涉及场地土类别的确认与 判定。
2)场地土类别错误将导致整个结构的地震作用 计算错误。
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89 版 抗 规 场 地 土 类 别 划 分
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2010版抗规场地土类别划分
, Ry
针对上述四点抗震设计的原则性要 求,现有鉴定报告鲜有涉及。
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4. 隔震结构偏心控制
1 控制质量中心与隔震支座刚度中心偏心率的 目 的是减少或防止结构出现扭转。 2 本质上,导致扭转的原因是地震引起的上部 结 构总惯性力与隔震支座提供的总抗力间存在偏心、 形成力偶。 3 通过控制质量中心与隔震支座刚度中心之间 的 偏心,是一种减少结构扭转的简化处理方法。
4)长宽比为3.75<5.0,高宽比为2.19<3.0,基本特征符合 规范关于采用基础隔震结构技术的相关要求。
图1 建筑标准层平面示意图
5 原设计:TJ74抗震设计规范,7度设防。国家于 1989 年、2003年和2010年,三次修订《混凝土结构设计规 范 》和《建筑抗震设计规范》。 6 现行抗震设防标准:8度(0.2g),第三组,Ⅱ类场 地。 7 地处规划控制区域,无法拆除重建,需进行抗震 加固 。
5.具体设计及施工保证措施
1)通过设置隔震装置,使结构前两阶振型均为平动,周期比0.82。 (原结构周期比是不满足要求的)
2)隔震分析所得减震系数为0.325, αmax1=0.065。 设计中偏安全取αmax1=0.08,相应的减震系数为0.4>0.30, 进
行上部结构设计计算时,可不考虑竖向地震的影响。
4)先施工柱荷载约为1200kN的柱列,评估托换体系及施工 工 艺的可行性,必要时进行改进。
5)从控制工程风险的角度出发,待全部结构柱截断设置隔震 支 座后,再将三个结构单元现浇连接为一个整体。
6)进行必要的监测和控制,确保工程风险的可控性。
7.隔震分析
1)与通常的隔震结构分析相同。 2)本工程中的隔震装置的连接与传统的不同,需要专 门 的设计,由厂家按照设计要求进行加工。 3)隔震支座的连接构造,考虑更换一次隔震垫的要求
本工程采用隔震技术后能达到设定的隔震目标。 3)通过柱侧满贴钢板或四角粘贴角钢(角钢间设缀板),将框架柱 改造为钢管混凝土柱或外贴钢缀板柱的钢筋混凝土柱。设计考虑即 使是在强烈地震下,混凝土部分丧失承载力,外贴钢管或缀板柱也 可以支承上部竖向荷载。 4)关键节点区域的柱侧钢的钢板厚度增加1倍,设置必要的加劲肋
3.2 主要问题
1 部分混凝土强度不满足原设计及设计规范要求。 2 柱轴力大,混凝土强度等级低,框架柱的轴压比普遍超限。 3 结构刚度、强度均不能满足现行抗震设防标准的要求,特 别 是配筋量差别极大(部分构件截面的配筋不足计算需求值得 40% )。
需通过加固大幅提高结构的抗震能力。
3. 改善建筑结构抗震性能的可行性方案 1) 传统加固方法(粘钢、粘碳纤维和湿作法相结合),理论可 行,但存在下述实际困难: 1 结构所需加固的范围极为广泛,加固费用及工作量巨大, 工期 长。
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