关宇 杨靖 李宝欣

承德市建筑设计研究院有限公司 河北 承德 067000

随着我国抗震设计技术的发展，一些过去常见的结构形式逐渐被历史淘汰，新建项目已不再允许应用，如上世纪七、八十年代常见的内框架结构建筑。这种内部为框架承重，外部为砖墙承重的房屋，从抗震概念设计原则可以看出，这种内外不同的两种材料组成的复合结构，对于抗震性能是十分不利的。事实证明，在历次地震中内框架结构的震害都是相对比较严重的。《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009[1]中规定的内框架建筑不适用于重点设防类建筑。但在实际项目中，由于业主对建筑的使用功能的需求，及建筑自身存在的缺陷，往往已经超过了规范要求的最低标准，所以处理这种项目应采用比规范要求更严格的技术措施。应通过符合抗震概念的结构布置、可靠的结构计算及合理的构造措施，制定合理的房屋加固方案。

1 结构改造方案的计算与分析

1.1 结构改造方案

在既有建筑加固改造项目中，当内框架结构的高度和层数超过《建筑抗震鉴定标准》GB50023-2009中的规定的最大高度和层数时，或建筑的抗震设防分类不低于重点设防类时，为满足业主需求，改变原有建筑结构体系就成为首选的结构改造方案。

内框架结构可根据预期的使用功能和原始的结构布置条件，改为抗震性能更好的框架结构或框架-抗震墙结构。如在外框砖墙中对应框架的位置设置框架柱，与原有内框架形成标准的框架体系，然后拆除原有砖墙；或采用钢筋混凝土面层法加固原有砖墙，并根据情况在适当的位置增设钢筋混凝土抗震墙，形成外叶钢筋混凝土墙内夹砖墙的抗震墙与新增抗震墙及原有内框架形成框架—抗震墙体系。

1.2 结构计算与分析

目前常见的鉴定加固类软件，均不能直接设计砌体结构类改变结构体系的项目，砌体结构与钢筋混凝土结构通常采用不同类型的计算模式。如砌体结构的抗震计算通常采用底部剪力法求解，而钢筋混凝土结构的抗震计算通常采用振型分解反应谱法求解。所以，由于材料特性的原因，振型分解反应谱法无法直接分析内框架中砖墙采用钢筋混凝土面层法加固的抗震墙。

改变结构体系的设计应从概念设计出发，先研究结构的规则性，再研究构件的可靠性，是从整体到局部，再回归整体的设计思想。所谓概念设计[2]，就是运用清晰的结构概念，不经过数值计算，依据整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害、实验现象和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，对结构及计算结果进行正确的分析，并考虑结构实际受力状况与计算假定间的差异，对结构进行设计，使结构变形协调、受力安全合理。

内框架结构改为框架—抗震墙结构，应先从抗震墙布置入手，根据建筑功能，原有砖墙视情况采用钢筋混凝土面层法加固或拆除，根据计算结果，如有需要，建筑内部也可适当增加钢筋混凝土抗震墙或框架柱，框架可根据计算结果按需加固处理。结构计算可以采用与目标模型近似的结构模型，通过调整抗震墙厚度和框架构件截面，控制结构的规则程度，以快速的确定合理的结构布置方案。

2 算例

本节通过某砖混内框架既有建筑加固改造的实际案例，说明概念设计在设计前期快速制定结构加固改造方案的应用。

本项目原有建筑为内框架结构，地上7层，局部8层设备间，建筑高度23.8m，由240mm厚砖墙砌筑，建筑所在地区抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类场地。

根据业主对本建筑未来的使用需求，加固设计方案拟采用改变结构体系的方法[3]，将原内框架的砖墙采用钢筋混凝土面层法加固，局部新增钢筋混凝土抗震墙，内框架采用增大截面法和增加框架柱的方法加固，将结构体系改为框架—抗震墙体系。

结构计算首先将模型简化为图1所示的纯框架结构（模型一）做整体分析，主要分析结构平面和竖向的规则性有无明显的缺陷。原建筑各层层高接近，平面方正，无凹凸、大开洞，计算结果见表1。

表1 模型一主要计算结果

图1 模型一标准层平面

根据表1结果可以判断，结构的位移角很小，位移比略大于1.2，周期比稍大，可见平面抗扭能力稍不足，此时可初步判断，在结构周边增加抗震墙后，可显著提高结构的抗扭转能力，但要注意建筑内部增加的抗震墙对结构规则性是否会产生不利的影响。如模型增加抗震墙后结构的规则性没有问题，那么即可证明原结构通过预期的方法改为框架—抗震墙结构是合理可行的。

结构计算第二个模型将结构原有砌体墙按抗剪强度等强的原则等效为较薄厚度的钢筋混凝土抗震墙建入模型（模型二），并按框架—抗震墙结构的抗震墙布置要求在部分区域新增抗震墙，使X、Y方向的抗剪承载力及动力性能相近，同时根据建筑要求将需要墙开洞的位置留好结构洞，如图2。

图2 模型二标准层平面

根据结果可以判断，结构周期比已满足规范要求，位移比依然略大于1.2，位移角很小，远小于规范限值，说明抗震墙布置合理，结构刚度很大，模型增加的钢筋混凝土抗震墙没有产生对结构不利的影响。再看结构位移的变化，如图3、图4。

图3 模型一结构位移

图3为模型一的位移结果，图4为模型二的位移结果，位移曲线形状的变化和位移绝对值的变化均符合预期，均是由框架结构的位移曲线特征向剪力墙结构的位移曲线特征变化，由于Y方向增加了较多且长度较长抗震墙，所以Y方向的位移值也变化的更快。经核查，图2模型二的规定水平力下框架柱地震倾覆力矩百分比小于10%，属于剪力墙较多的框架—抗震墙结构[2]。综上说明，原结构通过预期的方法改为框架—抗震墙结构方案合理可行。结构方案确定后，后续设计以构件的加固处理为主。

这里应注意，采用钢筋混凝土面层加固的砖墙，仍属于混合材料的构件，加固后墙体的竖向承载力可以通过计算得到保证，但其抗震性能和普通钢筋混凝土抗震墙有一定区别，这种不容易计算的情况就需要应用概念设计的思想，首先计算结果应留有足够的冗余量，二是关键墙体尽量采用双面加固的方法，内部墙距较近的墙体，可考虑采用单面加固的方法，例如本算例的电梯井部分，三是应精细化设计新增结构与原有结构的连接节点，使构件实际受力情况更接近计算假定。

3 结论

近年来，随着我国城市化的高速发展，人们生活质量得到迅速提升，合理的利用城市资源是国家可持续发展战略的重要措施。现阶段的城市正在由传统模式向着生态模式转变，据统计，截至2021年底，我国既有建筑面积已超800亿平方米，住房和城乡建设部日前印发的《“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划》提出，到2025年，完成既有建筑节能改造面积3.5亿m2以上。既有建筑面积大，改造任务重，是近年来既有建筑改造的大背景。

根据《既有建筑鉴定与加固通用规范》GB 55021-2021[3]规定：既有建筑的鉴定与加固，应遵循先检测、鉴定，后加固设计、施工与验收的原则。必要时，业主应组织相关专家对加固方案进行论证。既有建筑改造项目情况复杂多变，能够快速准确的找到合理的加固方案，是结构工程师的重要工作内容，这时概念设计的思想尤为关键，它可以更好的激发设计灵感，不断的做到设计创新，能够满足建筑专业更高的要求。