多层建筑结构设计及加固分析

多层建筑结构设计及加固分析

严靖威 于兆广 魏拴 赵路

机械工业第六设计研究院有限公司 河南郑州 450007

摘要：伴随着城市化发展进程的不断加快，房屋结构形式也呈现出多样化发展的趋势，房屋结构不再是单一的砖混结构，而是逐渐向高层化和多层化的方向迈进。多层建筑既是现代建筑的主流方向，又是城市历史和文化的载体与具象反映。本文主要立足于当下现状，对多层新建建筑结构设计进行浅要分析，对旧有多层建筑结构维护加固进行讨论，旨在为相关工作者提供帮助，从而促进我国多层建筑结构设计的不断发展。

关键词：常见问题；结构设计思路；结构加固设计

1多层框架房屋建筑结构设计的常见问题

1.1忽略纵向框架设计

在设计多层框架房屋建筑结构时科学设计主轴，能够显著提升其抗震性，主轴方向的侧拉力能够高效抑制地震危害。在实际设计施工过程中，有些设计人员非常关注设计进度和成本投入，只是在纵向设计中添加了连续梁结构，导致横线的抗震性和刚度无法满足设计的要求。该设计方法中的梁柱节点设计与多层框架房屋建筑结构的抗震性标准存在巨大的差距，一旦发生中强度地震，就会给整个建筑结构的稳定性造成致命的伤害。

1.2框架结构薄弱层设计的重视程度不够

多层框架房屋建筑结构设计非常复杂，影响因素比较多，在设计的过程中对受力状态认识不足的情况时有发生，对薄弱层的考虑也不够全面，导致整个结构的刚度和稳定性比较差，这就给建筑结构的抗震性造成了严重的影响。导致框架结构薄弱层不足的影响比较多，其中最具代表性的是竖向上存在不连续的抗侧力。

1.3横梁设计不合格

在设计多层框架房屋建筑结构时，横梁埋设不达标的情况普遍存在，使得后续施工中的基础梁设置与调整工作无法及时开展，不仅影响了整个工程的施工速度，同时导致严重的资源浪费问题。假如横梁设计不合格，锥形斜坡、填充墙和基础梁间会出现缝隙，从而使建筑工程整体结构的稳定性受到影响。

2多层框架房屋建筑结构设计思路

2.1重视基础设计

独立基础和条形基础是多层框架房屋建筑结构的主要基础形式，在基础设计的过程中要高度重视基础的承载能力和变形情况，使其满足整个工程承载力、稳定性和基础强度的要求。在设计基础深度的过程中，不仅要达到变形和承载力的标准，而且要遵循经济实用性的原则，将建设成本投入控制在最小范围之内。在确定持力层时充分考虑基础土层的结构形式，全面分析每一项标准，综合施工现场的地质水文信息，确保地基处理满足设计的标准。

2.2增强配筋结构设计

在设计多层框架房屋建筑结构时，配筋设计要放在首位，使整个结构的安全性、承载力、稳定性全部满足设计需求。在设计配筋结构时可以从以下两点着手。

1)重点关注框架结构外挑梁的配筋设计情况，挑梁的设计质量制约着多层框架房屋建筑结构的使用功能和占地面积，主要是因为多层框架梁的外挑梁断面和梁断面差别非常明显，导致有些设计人员会将多层框架梁的主筋延伸到外挑梁的上面，给整体结构的稳定性造成了严重的影响。因此，在开展设计工作时要仔细研究外挑梁的承载能力，以最终的分析结果为依据科学设置配筋率，高效提升整体结构的质量和承载力。

2)在设计框架柱时，通常情况下框架柱的配筋率非常低，如果发生地震等灾害，框架柱的剪切力和扭矩就要承担巨大的承载力，加之受双向偏心力的作用，受力比较大的角柱易出现变形的情况。因此，在设计框架柱配筋时要深刻分析地震受力所带来的影响。假如工程施工地区的地质条件不够理想，适当加大框架柱的配筋率和箍筋对混凝土起到的限制作用，因此，可以将框架柱箍筋设计成“井”字形或者

菱形。

2.3加强抗震设计

多层框架房屋建筑结构设计的核心内容为抗震设计，抗震设计对建筑工程设计水平的影响非常明显。多层框架房屋建筑结构非常复杂，抗震设计难度系数比较大，给抗震效果带来的影响也比较明显。在设计抗震系数时要准确测量梁体的高度，并仔细分析其适用性。假如计算结果与设计结果之间存在偏差，选择设计标准时要以最大值为准，防止出现梁体刚度不达标的情况，以免最终引发严重的安全事故。在设计梁端负筋时，假如计算结果与设计结果之间存在较大的偏差，设计标准要以最小值为准，使梁端的抗震性能达到最佳效果。设计人员在开展设计工作时，梁体端部负筋要满足需求值的要求，适当提高设计的宽度值，使最终的设计质量满足设计标准。

3多层砌体结构和钢筋混凝土结构加固设计

在20世纪，由于社会经济发展水平有限，国家建筑科学研究仍未取得长足进步，多层砌体结构及多层混凝土框架、砌体结构是城市建筑的主流选择，其发挥成本低、施工工艺简单、工期短等优势，为城市建设做出了巨大贡献。

建筑材料强度为结构设计的基本参数。对于既有建筑，由于材料碳化、风化、酸雨腐蚀、施工缺陷等原因，建筑材料强度往往低于原设计强度。因此，结构检测成为结构加固设计的前置条件。根据原始建筑图纸及现有材料强度，检测单位采用有限元软件模拟原结构设计条件并进行结构抗震分析，以明确结构是否需要进行局部非抗震加固或楼栋整体的抗震加固。结构检测报告为结构加固设计的必要资料之一。

本文以某产业园的升级改造项目为例进行分析。该产业园共计两栋单体，一栋为5层钢筋混凝土框架结构，另一栋为砖混结构。钢筋混凝土框架结构建设于1993年，而砌体结构完工于20世纪70年代。结构检测报告显示，钢筋混凝土框架结构的混凝土强度较原设计强度降低了一个标号，实际配筋与原设计图纸一致。地震工况下的结构位移比及位移角均偏大，不满足设计要求。该单体建设于1993年，原始设计图纸显示，其设计参考规范标准为90系列规范。根据《建筑抗震鉴定标准》，本栋单体可按照B类建筑考虑，即后续使用年限设计值为40年。本单体的抗震加固并未采用传统的混凝土梁柱的增大截面法进行设计施工，而是考虑从减震效能的角度减小地震作用对结构的影响。本单体为简单三跨×四跨框架结构，双向每跨跨度均为8.4m，共计5层，层高3.6m。在结构抗震加固设计中，本单体采用BRB（Buckling Resistance Brace，屈曲约束支撑）增加侧向刚度的设计理念进行加固。本单体为简单矩形且内部空间均需得到最大限度的利用，故而在1～3层左上和右下对角边跨处，双向均设置BRB构件。BRB在小震下不屈服，为建筑物提供侧向刚度。在中震和大震下，BRB构件会产生较大的位移形变，在屈服的过程中为结构提供额外的阻尼，从而起到消能减震的作用。建筑结构配筋可按照小震下有阻尼器模型进行计算复核，对于本单体，原始配筋均满足结构加固的设计要求。对于与BRB构件相连接的子结构构件，须进行大震Midas有限元分析软件验算，此部分构件配筋需满足大震计算要求。本园区内另一栋建筑为2层的砖混结构，其完工于20世纪70年代。按照规范要求，其后续使用年限不得少于30年，故本栋单体按照A类建筑考虑。本单体为标准的砖混结构，根据结构检测报告，可采用综合抗震能力指数法进行验算。验算后可知，本单体结构设计满足抗震要求，故不进行抗震加固设计。然而，本单体采用预制楼板，且存在局部开裂破碎、露筋锈蚀等质量问题，以致形成安全隐患。经过与业主协商，此处楼板均采用叠合楼板法进行加固设计，既满足正常使用要求，又可在地震工况下有效传递水平力，协调横墙的形变，提高结构抗震性能。因单体自重增大较少，重新进行上部结构和基础复核，既有墙体及基础承载力仍满足设计要求。

结语

在我国经济快速增长的大背景下，城市综合开发及房地产行业得到了迅猛发展。为响应国家节能减排及满足各地消防安全的需求，多层建筑新建和维护加固必将在城市建筑设计中扮演着越发重要的作用。多层建筑有其自身局限性，但也有造价低、日常维护成本低、结构形式一般较为简单、受力途径较为清晰等优点。这就要求结构设计工作者从概念设计的角度出发，对设计和加固方案的合理性与可实施性做出正确判断，扬长避短，使多层建筑更加安全、经济、舒适宜居。

参考文献:

［1］张旭．房屋建筑结构设计中优化技术应用探讨［J］．建筑技术开发，2020，47(3):47－48．

［2］石静，张小云．某多层工业厂房结构设计［J］．工程建设与设计，2019，67(23):28－29，32．