（1,3华东建筑设计研究院有限公司成都分公司，成都610095；2四川时代建筑设计有限公司，成都610095）
[摘 要]：由于项目所在地行政区域划分的变化导致设防烈度提高，由于加层导致总质量变大，需要对某职教城展示中心原结构进行抗震加固。我司采用性能设计的方法，设置合适的设防目标，选用消能型屈曲约束支撑对原结构进行了抗震加固；并通过增加预应力管桩和锚杆静压桩对基础进行了补强；由于加固内容很多，施工步骤环环相扣，我司对施工步骤也做出了严格的要求。
[关键词]：抗震加固；基础加固；消能型屈曲约束支撑（BRB）；锚杆静压桩
工程概况
某职教城展示中心座落于河北省**区域，已完工的主体结构为地上三层钢筋混凝土框架,局部一层地下室，主要屋面高度为15.0m，建筑平面类似于W型，用抗震缝划分为左中右三个结构单体，原建筑的使用功能为会所，建筑面积约为8200平米；原结构按7度（0.15g）进行抗震设防，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，按8度采取抗震构造措施，标准设防类建筑，基础采用PHC管桩。二层典型结构平面布置如图1。
按建设方的要求，需要对原主体结构进行加层改造，拆除原15.0m标高的大屋面，新建15.8m标高的第四层楼面及大屋面，局部大屋面因造型需要采用钢结构金属屋面，改造后的建筑为四层，主要屋面高度为20.8米，使用功能为展示中心及办公，建筑面积约为11000平米。由于当地行政区域的重新划分，当地管委会要求本工程应按8度（0.2g）进行抗震设防，设计地震分组为一组，场地类别为Ⅲ类。改造前后的建筑效果图及剖面图如图2、图3所示。
图1 典型结构平面图
图2 建筑效果图
图3 建筑剖面图
加固改造设计
2.1 加固改造面临的主要问题
建设方向我司提供了原设计的全套图纸及计算书、原结构和新建结构的地勘报告、原结构的安全鉴定报告，原结构未见明显的质量缺陷。
我司依据已收集的资料，对原设计的模型进行了重建，并根据新的建筑方案对模型进行修改，计算后发现：
中间单体第一自振周期为扭转周期，抗扭刚度明显不足。虽然相关规范并未对多层的周期比做出明确的要求，但是从概念设计的角度来看，为防止结构在地震激励作用下出现较大的扭转变形，应适当增加结构的抗扭刚度，让扭转周期出现在第三周期。
由于设防烈度的提高，多遇地震作用下地震力放大了约1.33倍，加层改造导致总质量也变为了原结构质量的1.3倍，总地震作用增大了约1.7倍，重新建模计算后发现，多遇地震下三个结构单体的位移角都只有1/300左右，远大于规范1/550的要求。
由于地震作用的大幅增加，导致计算结果中大量框架柱出现配筋增大、轴压比不够的现象，大量框架梁出现端部纵筋增大、剪压比不够的情况，如果全部加固，构件加固的费用都会超过推倒重建的费用。
由于加层原因，导致中间结构单元局部桩基础承载力不足。
由于使用功能的改变，导致荷载分布和构件受力状态发生改变，部分梁板承载力出现不足。
2.2抗震加固方案
由于设防烈度的提高，结构总质量的变大，原结构的抗震承载力及位移均不满足规范要求，需要对原结构进行抗震加固。原结构形式为钢筋混凝土框架结构，适用于本工程的抗震加固方式主要有增设钢支撑或钢筋混凝土抗震墙以“抗”的方式来进行的传统抗震加固，以及增设阻尼器以“耗”的方式来进行的抗震加固。
增设钢支撑虽然在计算上可以增大结构刚度，但是钢支撑的构件在地震工况下受压时容易出现失稳，导致钢支撑在实际的地震作用下刚度出现大幅的下降，可靠性差，而且普通钢材也缺乏足够耗能的能力，因此不选择此方案。
增设钢筋混凝土抗震墙也可以提高框架的抗侧刚度，但是结构体系发生根本性改变，由框架结构变为框架抗震墙结构，结构指标需要满足抗规中关于框剪结构的相关要求。本工程通过试算后发现，增设抗震墙并控制大部分超筋后，主要水平力由抗震墙承担，位移角需满足框架抗震墙结构1/800的小震变形要求，结构刚度的增大导致地震反应的再次加大，计算陷入恶性循环。另外虽然《建筑抗震设计规范》4.4.1条中规定，本工程可不进行桩基抗震承载力验算，但是在地震工况下底层地震倾覆力矩在新增抗震墙处过度集中，导致墙下桩基承载力远远不足（小震下承载力不到柱脚内力50%），力学上已难以闭合，因此抗规中的此条文已不适用于本工程。
由于项目的特殊性，我们需要使用一种即能合理增加结构的刚度，又能够有效降低地震作用的抗震加固方式。通过计算分析，我们最终选用了增设消能型屈曲约束支撑（简称BRB）的抗震加固方案，并以“三水准”为抗震设防目标，屈曲约束支撑在平面内的布置遵循“均匀、分散、对称、周边” 的原则，其数量及分布通过综合分析后合理确定，形成了均匀合理的受力体系，屈曲约束支撑布置如图4所示。
图4 BRB布置图
2.3罕遇地震结构性能分析
2.3.1罕遇地震下结构性能目标
根据《建筑消能减震技术规程》（JGJ297-2013）第6章的的要求，本工程在添加消能型屈曲约束支撑后，应进行大震性能设计。
根据结构的高度、重要性，根据《建筑消能减震技术规程》表6.5.2及抗规附录M、高规3.11节、《建筑结构抗倒塌设计规范》（CECS 392-2014）第5章规定，确定本楼大震下的性能水准为“不严重破坏”。该性能水准下的主要承载力和层间位移角参考指标如下表所示：
IO和LS性能点的取值根据《建筑结构抗倒塌设计规范》5.4.4条确定（图5）：
图5 变形模型骨架线与破坏程度关系
本工程中，消能子结构（图6）所包含的构件为与BRB相连的梁柱：
图6 消能子结构
为完成对本工程三个结构单体进行大震下性能分析，根据抗规第5.1.2条选择三条地震波，利用有限元软件PERFORM-3D对结构进行大震下弹塑性动力时程分析，并对计算结果取包络值。在进行弹塑性动力时程分析时，先施加1.0DL+0.5LL的静力荷载，然后按1:0.85的比例在X、Y方向上轮换输入地震波，地震波峰值为400cm/s2，持续时间为15s。根据分析结果对上述性能目标进行验证。以中间单体为例，简要介绍中间单体的罕遇地震弹塑性动力时程分析情况。
2.3.2 中间结构单体地震波选择
选择二条天然波L781、L256，和一条人工波wave-2，利用PKPM进行弹性时程分析。分析结果如下：
图7 规范谱与地震波谱对比图
由图7可知，在主要周期点上，此三条波的平均谱与规范谱的误差较小，为8%、3%、9%，均小于规范限值20%，满足规范要求。
由上表可知，三条波的基底剪力均大于CQC法基底剪力的65%，并小于CQC法基底剪力的135%，且平均值不小于CQC法基底剪力的80%。满足抗规5.1.2条关于时程分析法选波的要求。
2.3.3 罕遇地震下结构最大层间位移角分析
在对结构进行动力弹塑性时程分析后，各波计算得到的最大层间位移角如下图所示，下图中规范限值是指混凝土性能目标中的层间位移角限值1/55。
图8 各波计算得到的X、Y向最大层间位移角
由图8可知，在三条地震波下，最大混凝土楼层层间位移角为1/96，远小于性能目标限值1/55，结构变形留有较大的安全富余。
2.3.4 罕遇地震下消能子结构及其他竖向构件承载力性能分析
图9 罕遇地震下，竖向构件IO屈服图
图9中：深红表示超越IO性能点，红色表示达到IO性能点的90%，品红色表示达到IO性能点的80%，蓝色表示达到IO性能点的70%。
由图9可见，与消能型屈曲约束支撑相连的加固后的框架柱均未超越IO屈服，满足性能要求。
图10 罕遇地震下，竖向构件LS屈服图
由图10可见，全楼仅有5柱超越LS性能点，满足性能要求。
图11 罕遇地震下，梁的IO屈服图
由图11可见，消能子结构中加固后的框架梁均未进入抗弯（IO）屈服，仅有部分框架梁进入屈服耗能阶段。
综上所述，加固后的消能子结构均未进入（IO）屈服，满足轻微损坏的性能要求；部分竖向构件超过LS性能点，满足部分柱严重损坏的性能要求。
2.3.5 屈曲约束支撑消能能力分析
图12 时程能量曲线图
图12中，左图为波L781作用下，结构能量分布情况（绿色、黄色、橙色为阻尼耗能，蓝色为结构动能，红色为结构滞回耗能）。其中红色部分的结构滞回耗能约占总地震耗能的60%。右图为BRB屈曲约束支撑在总的结构滞回耗能中所占的比例，约为50%，按能量法附加阻尼比达到3.8%，可见BRB屈曲约束支撑有效的耗散了地震能量，减少了结构构件在地震下的损坏。
2.4选择消能型屈曲约束支撑抗震加固方案的原因
消能型屈曲约束支撑由于其特殊套筒的约束构造，在受压后不易失稳，承载力更高，在实际的地震作用下提供的刚度更稳定真实；在屈服段采用软钢，芯板最大伸长率大于40% ，设计位移30圈，极限位移3圈，性能下降不超过15%，延性和滞回性能好，在大震时能起到很好的耗能作用；加工制造成本低，坚实耐用，维护替换成本低；布置灵活，刚度和屈服力关系可灵活调节，适宜框架结构的加固。
根据《建筑消能减震技术规程》的相关要求，消能型屈曲约束支撑作为阻尼器使用，不承受竖向荷载作用，不改变原主体结构类型，本项目仍按框架结构进行设计，相关的位移指标任按钢筋混凝土框架结构执行。
由于中间结构单体原第一自振周期为扭转周期，抗扭刚度明显不足，采用分散布置的屈曲约束支撑对整体抗扭刚度进行补强，让扭转周期降为第三周期。
采用屈曲约束支撑对整体刚度进行适当补强，使其位移角满足多遇地震1/550的要求。
以左侧单体为例，对单体进行大震下的弹塑性分析，屈曲约束支撑进入屈曲耗能阶段，其中图13左红色部分的结构滞回约占总地震耗能的66%，图13右为屈曲约束支撑在总滞回耗能中所占的比例，约为65%，按能量法附加阻尼比达到6.3%，最大混凝土楼层层间位移角为1/94，远小于规范限值1/50。
图13 时程能量曲线图
（6）从细部构件来看，由于水平地震作用按构件抗侧刚度进行分配，采用屈曲约束支撑后主要的地震力由屈曲约束支撑及所在的柱梁来抵抗，可以减少地震力增大导致其他框架部分大范围的加固 。
当然事物总有两面性。屈曲约束支撑所在的框架梁柱（消能子结构）必须进行加固处理以保证其在大震下的性能，屈曲约束支撑与原结构的连接也比较复杂，需要用化学锚栓植入原结构并用节点板与屈曲约束支撑焊接连接。
值得注意的是，增加屈曲约束支撑后，屈曲约束支撑所在的框架柱轴力会发生变化。经复核，小震及中震工况，屈曲约束支撑所在的框架柱柱下桩基础受压承载力满足要求，对于中震下角柱桩基抗拔承载力不足（桩与承台的连接构造控制，特别是角柱，柱下桩数较少，但是有补桩的施工空间），我们通过增加预应力管桩及新浇筑承台对抗拔承载力进行补强。
2.5 基础加固方案
原结构基础采用PHC管桩，加层改造后大部分桩基承载力满足设计要求，中间结构单体由于上部荷载增加较多，承载力稍显不足。在主体内补桩要考虑的是施工工法的可行性，经计算比对，需采取锚杆静压桩法补300x300的预制桩对原基础进行补强。 锚杆静压桩是一种很成熟的沉桩工艺，多用于较软地基的独立基础补强，工作原理简单，利用原结构自重，以原结构为支撑点，用千斤顶将桩一节一节压入土中，所以锚杆静压桩的关键在于支点。常规工程中，一般在独立基础上后开孔，以独基为支点，但本工程柱下为独立桩承台，由于桩间距的的要求，无法在承台上后开孔设支点，所以我们在柱脚间增设了刚度较大的地基梁，以地梁为支点进行沉桩。沉桩完成后，带预制桩的地梁与原桩基础共同作用，以满足竖向承载力需要。地梁平面如图14所示。
图14 地梁平面图
2.6 局部梁板加固方案
由于荷载和受力状态改变，局部梁板的加固无法完全避免。局部梁板承载力的补强除了粘碳纤维、粘钢以及加大截面以外，有些特殊部位还需要“见招拆招”。以局部地下室的一块顶板为例，顶板厚度120mm，跨度7800x3900，由于使用荷载的变化，需要对此板进行加固，但是由于板下为消防水池，潮湿环境采用粘结加固需要特殊的防护措施，所以未在板底粘贴碳纤维。在水池中增加了一根结构柱，相当于增设了一个支点，顶住楼板中心，并在板顶粘碳纤维补强，立面简图如图15所示。
图15 立面简图
2.7加固改造施工顺序
由于本工程为加固改造工程，涉及的加固及改造内容很多，对施工的顺序有严格的要求。首先应该施工的加固内容是基础加固，在基础加固时，需要拆除影响施工的首层墙体，但是需要保留上部的墙体为压桩提供反力，施工完基础加固后才能开始上部的填充墙以及主体结构的剔打，由于在10.75米以上会新浇筑两层，所以在剔打结束后需要先加固10.75米以下的结构柱，混凝土浇筑及加固完成后才能安装屈曲约束支撑以及屋面的轻钢结构，由于首层原结构未做板，以及为了主体结构更好的嵌固于桩顶标高，在完成室内外回填后还需要用高压旋喷对地坪进行处理。
主
体结构的施工顺序应按以下流程执行：
结语
（1）消能型屈曲约束支撑（BRB）作为阻尼器使用，不改变原结构体系，且布置灵活，适合框架结构的抗震加固，但需注意抗侧力体系变化后对地基基础的影响。
（2）锚杆静压桩适用于软土地基的基础补强，需利用原结构自重进行沉桩，在加固桩基础时需要新增地基梁来完成沉桩。
（3）对于本项目来说，加固改造是一个系统工程，加层改造会影响基础，加固基础又要利用原结构的自重，施工步骤环环相扣，细部位置也要灵活处理。
参考文献
GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.
GB50367-2013 混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
JGJ297-2013 建筑消能减震技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.