日本地震有感：医院建筑抗震鉴定与加固设计
【建筑加固之家网：www.jiaguhome.com】据悉，日本熊本县南阿苏村在2016年4月16日凌晨的地震中，发生大规模塌方，多条道路坍陷，房屋坍塌，导致多人失踪，上千人受伤。虽说无法在强震和海啸面前做到屹立不倒，但总的看来，日本建筑的抗震水平是首屈一指的。说到日本建筑抗震不得不说医院建筑抗震的设计。
随着国家经济水平的提高，对医疗建筑的功能要求不断提升。基于节约投资,最大程度地利用已有基础设施的目的，大量20世纪70年代以后建造的医院建筑需要进行改造。由于改变用途、使用环境以及抗震设防目标提高等，在改造的同时需要进行抗震鉴定及结构加固。
工程实例概况
某医院病房楼，地下1层，地上8层。首层为消化内科及大厅;2~6层为病房，7层为设备层，8层为电梯机房和设备用房。建筑平面形状为矩形，总高度
26.90m。结构形式为现浇框架-剪力墙结构，基础为箱形基础，楼板为现浇梁板体系，标准层结构如图1所示。
图 1 标准层平面图
原建筑竣工于1984年，按7度(0.15g)抗震设防，结构抗震设防类别为丙类。依据《建筑工程抗震设防分类标准》第4.0.3条规定，改造后的结构抗震设防类别为乙类。鉴于医院实际需求及《建筑抗震鉴定标准》第1.0.6条规定，该病房楼进行改造设计前需对原结构进行抗震鉴定，并确定其后续使用年限为40年。
建筑现状调查
抗震鉴定前应进行建筑现状调查，包括搜集勘察、施工及竣工验收的相关原始资料;当资料不全时，应根据鉴定的需要进行补充实测。调查建筑现状与原始资料相符程度、施工质量和维护状况。
1原始资料调查
该住院楼岩土工程勘察报告、竣工图纸、竣工验收资料等原始资料均较齐全。
2外观质量检查
钢筋混凝土结构主要检查结构构件的裂缝及劣化程度等。经检查个别框架柱及剪力墙表面存在蜂窝、麻面现象;少数框架梁存在梁底钢筋锈蚀现象(见图2);个别屋面板板底存在碱蚀、露筋现象(见图3)。结构构件未发现明显开裂、较大变形等严重结构性损坏现象。
图2梁底钢筋锈蚀
图3板底碱蚀、露筋
3材料性能检测
建筑结构的材料性能是结构安全的基本保证。本工程混凝土强度采用超声-回弹综合法对混凝土抗压强度进行现场取样检测，检测混凝土强度摘录如表1所示。现场采用钢筋探测仪对部分梁、板、柱、剪力墙的钢筋配置、分布及混凝土保护层厚度进行检测，检测结果基本符合原图纸设计要求。
表1构件混凝土强度回弹法检测结果摘录
抗震鉴定 1抗震鉴定原则
本工程属于B类建筑，应进行两级鉴定。(1)第一级鉴定：对现有房屋的宏观控制和构造鉴定为主进行综合评价;(2)第二级鉴定：对现有房屋进行抗震验算为主结合构造影响进行综合评价。
(1)和(2)同时满足的建筑评定为满足抗震要求,可不进行加固处理;(1)满足而主要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的95%、次要抗侧力构件的抗震承载力不低于规定的90%，可不进行加固处理;(1)不满足而抗震承载力较高时，可通过构造影响系数进行综合抗震能力的评定;(1)和(2)均不满足要求时，应采取加固或其他相应措施。
2抗震等级确定
本工程使用功能为病房楼，根据《建筑工程抗震设防分类标准》第4.0.3条，二三级医院的门诊、医技、住院用房，抗震设防类别应划分为重点设防类(乙类)。依据现行《建筑抗震设计规范》第6.1.2条规定，本楼框架抗震等级为二级、剪力墙抗震等级为一级。依据现行《建筑抗震鉴定标准》第6.3.1条规定，框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级。改造工程的抗震设防目标及抗震设防水准，按照安全、经济、合理的要求，结合其后续使用年限40年相协调，确定框架抗震等级为三级、剪力墙抗震等级为二级。
3场地、地基和基础
查阅原地勘报告，本楼建造于对抗震有利的地段，场地类别为II类，其地基主要受力范围内不存在软弱土、饱和砂土和饱和粉土或严重不均匀土层。依据《建筑抗震鉴定标准》第4.1条、4.2条规定，可不进行场地对建筑影响的抗震鉴定，同时也可不进行地基基础的抗震鉴定。
4抗震措施鉴定(第一级鉴定)
1)结构高度
本工程结构总高26.90m,满足《建筑抗震鉴定标准》第6.1.1条，7度框架-抗震墙结构适用的最大高度为120m的要求。
2)房屋的结构体系
本工程为双向多跨框架-抗震墙结构，结构布置及框架梁、柱、剪力墙截面满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.2条房屋结构体系要求。
本工程建筑平面形状为矩形，平面没有局部突出，立面没有局部缩进，均满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条房屋结构体系要求。
楼层刚度大于其相邻上层刚度的70%，且连续3层总的刚度降低小于50%，满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条房屋结构体系要求。
首层个别框架柱轴压比为0.98，不满足《建筑抗震鉴定标准》第6.2.1条框架-抗震墙柱(抗震等级三级)轴压比≤0.95的要求。
3)混凝土强度等级
本工程混凝土强度实测结果，满足《建筑抗震鉴定标准》 第6.3.3 条梁、柱、墙实际达到的混凝土强度等级不应低于C20要求。
4)框架梁的配筋及构造
本工程框架梁纵向受拉钢筋的配筋率不大于2.5%;梁端截面的底面和顶面配筋量的比值不小于0.3;梁端箍筋实际加密区的长度大于梁截面高度的1.5倍，箍筋最小直径为8mm，满足要求。
5)框架柱的配筋及构造
本工程框架柱实际纵向钢筋的总配筋率，框架中柱、边柱和角柱均大于1.0%，满足要求。柱箍筋加密区的箍筋间距为100mm，箍筋直径为φ8mm和φ10mm，满足要求。柱加密区箍筋肢距不大于200mm，且每隔1根纵向钢筋在2个方向均有箍筋约束，满足要求。
6)框架节点核心区构造
本工程框架节点核心区内箍筋最大间距为100mm，最小直径为φ12mm，柱体积配箍率为 1.6%~2.1%，满足《建筑抗震鉴定标准》第 6.3.6
条要求。
7)抗震墙的配筋及构造
本工程抗震墙墙板竖向、横向分布钢筋的配筋率约为0.628%，均大于0.25%，最大间距为150mm，最小直径φ12mm，满足要求。抗震墙边缘构件的配筋，纵向钢筋配筋率为1.2%~2.0%，箍筋直径均为φ10mm，间距均为100mm，满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.7条要求。
8)填充墙
本工程砌体填充墙在平面和竖向布置均匀对称，满足要求。砌体填充墙沿框架柱每隔500mm有2根φ6mm拉筋，拉筋伸入填充墙内长度700mm，满足三四级框架不应小于墙长的1/5且不小于700mm的要求。
墙长度大于5m时，墙顶部与梁设有拉结措施，满足《建筑抗震鉴定标准》第6.3.9条要求。
5抗震承载力验算(第二级鉴定)
第二级鉴定是以抗震验算为主，结合构造影响进行综合评价。第二级鉴定可采用楼层综合抗震能力指数法与《建筑抗震设计规范》规定方法进行抗震计算分析。本工程采用中国建筑科学研究院编制的《PKPM
混凝土结构鉴定加固》软件进行抗震承载力计算。在建立计算模型和选择计算方法时采取了如下处理。
1)在 PKPM 软件计算中，依据原设计施工图、本次改造建筑图，并结合现场调查结果，确定结构布置及荷载分布，建立计算空间计算模型(见图 4)。
图 4 空间计算模型
2)抗震计算的有关参数
抗震设防烈度:7 度; 设计基本地震加速:0.15g;设计地震分组:第一组;设计特征周期值:0.30s;建筑场地类别:II
类;地面粗糙类别:C类;框架抗震等级:三级;剪力墙抗震等级:二级。
3)梁柱节点重合部分,梁端简化为刚域。
4)考虑填充墙对于结构总体刚度的影响，计算时取周期折减系数为 0.75。
5)根据第一级鉴定结果，体系影响系数取 0.95。
经计算首层个别框架柱抗剪不满足要求，首层、2层部分框架梁、板承载力不满足要求，3层、5层改造为设备机房位置楼板承载力不满足要求。
6抗震鉴定结论
1)个别框架柱轴压比不满足要求;
2)个别框架柱抗剪不满足要求
3) 部分框架梁承载力不满足要求;
4) 部分楼板承载力不满足要求。
抗震加固设计 1框架柱加固
轴压比不足的框架柱采用加大截面法进行加固处理。该方法是在框架柱构件表面凿毛和清洁处理后用钢筋混凝土围套，围套内的纵向受力钢筋由计算确定，并与原框架柱内纵向受力钢筋共同工作。采用加大截面法不仅提高框架柱的承载力，并且在一定程度上提高了结构的刚度。
加大截面的尺寸一般在100mm左右，采用混凝土加大截面，浇筑时很难振捣密实，加固质量难以保证。本工程采用高强灌浆料代替混凝土，保证了混凝土的密实度(见图5)。
图5框架柱加大截面详图
抗剪承载力不足的框架柱采用横向粘贴碳纤维的方法进行加固处理。框架柱粘贴环向碳纤维箍，缠绕3圈且搭接长度应超过200mm。碳纤维箍外侧抹厚度不小于25mm的高强度水泥砂浆，以满足防火及防护要求。框架柱顶部及底部设置4mm厚钢板封闭箍进行附加锚固(见图
6)。
图6框架柱碳纤维加固详图
2混凝土梁加固
混凝土梁采用型钢加固法。此方法适用于不允许增大构件截面尺寸，而又需要大幅度地提高承载力的混凝土结构加固。型钢加固法是在混凝土构件四周包以型钢，型钢与被加固梁之间用聚合物砂浆或结构胶等方法黏结。型钢表面抹厚度不小于25mm的高强度水泥砂浆(应加钢丝网防裂)作防护层，具体做法如图7所示。
图7框架梁型钢加固图
3楼板加固
楼板采用粘贴碳纤维加固法。碳纤维复合材加固混凝土结构，主要是利用纤维抗拉的高强度、高弹性模量、高应变性能及利用改性环氧树脂类胶结材料，使碳纤维与混凝土结构产生良好的黏结性，加固补强原结构受拉纵向钢筋和受剪、抗扭箍筋的不足，从而提高结构抗弯、抗剪、抗扭承载力。
该方法用高性能黏结剂将碳纤维布黏贴在楼板表面(纤维粘贴方向应平行于构件的主受力方向)，使两者共同工作，提高楼板的抗弯承载力。为提高碳纤维布黏结加固耐久性，碳纤维表面采用压结钢片加射钉进行附加锚固，压结钢片长度宜为碳纤维布宽+60mm，射钉应不打穿碳纤维布。
小结
1)抗震鉴定应根据结构形式、后续使用年限等因素，结合现场实测数据，采用逐级鉴定的方法，进行抗震性能分析。
2)抗震加固应综合分析建筑整体情况、现场检测结果、抗震鉴定结果，并结合建筑物的现状等，选择经济、合理、施工方便的加固方案。
