¹湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司，湖北 武汉

²中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉

收稿日期：2021年5月21日；录用日期：2021年6月14日；发布日期：2021年6月21日

摘要

介绍了某框架结构进行抗震性能检测分析。针对该框架结构的抗震性能分析，主要进行三方面工作。通过进行房屋现状调查来了解结构的使用及破损情况，通过抗震构造调查来了解结构的抗震体系及构造措施，通过PKPM系列软件对该建筑进行抗震承载能力验算。结果表明：1) 设计不合理，结构体系不利于抗震，构件设计承载力不满足抗震要求，是导致结构不满足抗震要求的主要原因；2) 施工质量不达标，导致预制板拼接处出现裂缝，构件尺寸与设计不符，箍筋间距不满足要求，是结构不满足抗震要求的次要原因；3) 建议优化结构体系，改变结构受力方式，同时对主要受力构件进行加固，修补结构裂缝。

关键词

框架结构，抗震性能，检测分析，处理措施

Seismic Performance Test and Analysis of a Frame Structure

Ruiping Luo^1,2, Jiexing He^2*, Shengchao Xu¹, Chengpeng Wang²

¹Hubei Provincial Academy of Building Research and Design Co., Ltd., Wuhan Hubei

²Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan Hubei

Received: May 21^st, 2021; accepted: Jun. 14^th, 2021; published: Jun. 21^st, 2021

ABSTRACT

The seismic performance of a frame structure is analyzed. According to the analysis of the seismic capacity of the frame structure, three aspects are mainly carried out. Through the investigation of the current situation of the building, the use and damage of the structure are understood. The seismic system and structural measures of the structure are understood through the seismic structure investigation. The seismic bearing capacity of the building is checked and calculated by PKPM series software. The results show that: 1) due to unreasonable design, the structural system is not conducive to earthquake resistance, and the design bearing capacity of components does not meet the seismic requirements, which are the main reasons for the structure not meeting the seismic requirements; 2) the construction quality is not up to the standard, which leads to cracks at the joints of precast slabs, the size of components does not conform to the design, and the stirrup spacing does not meet the requirements, which are the secondary reasons for the structure not meeting the seismic requirements; 3) it is suggested that the structural system should be optimized, the stress mode of the structure should be changed, and the main stress components should be strengthened to repair the structural cracks.

Keywords:Frame Structure, Seismic Performance, Detection and Analysis, Treatment Measures

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1. 引言

汶川大地震的发生，暴露出我国建筑设计在结构抗震方面存在漏洞 [1] [2] [3]。对已有抗震设计及鉴定规范的修改 [4] [5] [6]，有效解决和弥补了我国建筑在抗震方面的不足。但对于已有建筑的抗震性能，仍存在认识不足，需对其进行抗震性能检测。

诸多学者致力于建筑结构的抗震性能分析，并取得了宝贵经验。文献 [7] 通过研究相同场地条件下的震害案例，结合国外关于结构抗地震倒塌计算方法及其相关研究，分析了影响结构抗倒塌能力的主要影响因素和评价指标。文献 [8] 基于某超限高层建筑，通过采用YJK和MIDAS程序分别进行静力弹性分析，采用SAUSAGE程序进行动力弹塑性分析，对结构薄弱部分进行重点分析并提出了对应的加强措施。文献 [9] 论述了不同单跨框架结构的抗震加固方法的优缺点，提出了加固技术要点。文献 [10] 研究了预制装配式框架结构的抗震性能，提出了提高预制装配式框架结构抗震性能的合理措施。文献 [11] 研究了地震作用下剪力墙与基础之间的应力集中现象，并进行了大规模的参数化有限元分析，提出了合理的剪力墙–基础形式。文献 [12] 对软弱柱型多层钢框架在双向地震动作用下进行了一系列的响应分析，评价了柱劣化对钢框架倒塌性能和极限抗震性能的影响。

本文以荆门市某框架结构抗震性能检测分析为背景，根据《建筑抗震鉴定标准》(以下简称《标准》)，对框架结构进行房屋现状调查及抗震构造调查，并使用PKPM系列软件对该建筑的抗震承载能力进行验算，为此类结构抗震性能鉴定提供经验。

2. 工程概况

本工程位于湖北省荆门市，于1986年建成，后续使用年限40年。该建筑为八层钢筋混凝土框架结构，梁柱承重体系。梁柱构件为现浇构件，楼面板、屋面板为混凝土预制空心板，基础类型为条形基础。屋顶设廊亭，无地下室。建筑为东西朝向，房屋平面为“矩形”布置，现状长度为37.6 m，宽度为18.3 m，占地面积为706.47 m²，一~八层层高均为为4.5 m。建筑框架抗震构造措施的设防烈度为7度，抗震等级为二级。建筑平面布置图见图1。

图1. 建筑平面布置图

3. 房屋现状调查

3.1. 房屋外观现状调查

现场对建筑主体结构进行部分外观质量检查。所检测梁柱构件外形较为完整，表面均未见明显裂缝、未见破损及露筋现象。检测的预制楼板中8层4-7/C-G轴预制板对接部位有明显裂缝，缝长约10米，缝宽约2 mm，见图2，其余部位未见裂缝。检测的墙体为红砖砌体结构，其中8层4/C-G轴墙体装饰层存在裂缝，长度约2.5米，缝宽约1 mm，4-7/G轴墙体装饰层裂缝长度约1.4米，缝宽约1 mm，见图3。8层13/G-H轴墙体渗水严重，8层4-10/H-G轴走廊顶板渗水严重，每层走廊顶部可见预制板拼缝通长开裂，见图4。所检建筑屋面4-10/H轴护栏立柱多处开裂，护栏钢筋外露锈蚀，见图5。

结构裂缝均是出现在预制板拼接处，拼接处施工处理不到位，导致该处混凝土强度低，在结构使用荷载作用下开裂，出现渗水状况，影响结构使用；同时由于是装配式楼板，其整体性相比现浇式楼板较弱，在地震作用下更容易出现垮塌，对抗震不利。

图2. 8层4-7/C-G轴预制板对接裂缝

图3. 8层4-5/G轴墙体装饰层裂缝

图4. 8层走廊顶板渗水

图5. 顶层栏杆立柱破损、露筋

3.2. 梁柱构件截面尺寸复核

根据设计图纸，对建筑主要梁、柱构件进行截面尺寸测量，并对柱构件相对位置尺寸进行测量，检测结果见表1和表2。由表1可知，所抽检19根梁、柱构件除1层8-9/G轴、7-8/G轴、7/F-G轴梁构件尺寸与设计不一致，6层6/C-G轴梁构件高度未测全，其余梁、柱构件尺寸实测结果与设计值基本一致。由表2可知现场抽检10根柱构件实测间距均符合设计要求。

梁、柱构件的尺寸对其构件承载力有较大影响，同时若构件位置不合理，将会影响结构局部范围内应力的变化，导致结构在使用荷载下出现应力集中现象，而这种应力集中现象在地震作用下将会放大，影响结构安全。

表1. 梁、柱构件实测尺寸

注：“？”表示现场条件限制未实测，802 (部分)表示花篮梁顶部受限制未测。

表2. 混凝土柱构件间距实测尺寸

3.3. 梁、柱构件配筋情况检测

框架结构梁、柱构件为主要受力构件，梁、柱构件的安全直接影响到结构的安全。梁、柱构件的承载能力主要与其配筋情况有关，因此，对梁、柱构件配筋情况进行检测能够有效预估结构承载能力。

采用一体式钢筋扫描仪测量梁、柱构件内箍筋间距及保护层。检测结果表明，梁构件箍筋保护层厚度为27~92 mm，箍筋间距为94~246 mm，柱构件箍筋保护层厚度为27~50 mm，箍筋间距为68~240 mm，梁、柱构件未发现明显的箍筋加密区。

所抽检5根梁构件中，1层7/F-G轴和8/F-G轴两根梁底面主筋2根，主筋保护层29~52 mm，钢筋间距92~186 mm；5层3/B-C轴梁底面主筋3根，主筋保护层为24 mm、26 mm和37 mm，钢筋间距为54 mm和74 mm；8层5/C-G轴梁底面主筋3根，主筋保护层为29 mm、26 mm和28 mm，钢筋间距为69 mm和78 mm；6层6/C-G轴梁底面主筋4根，主筋保护层为30~39 mm，钢筋间距为62~97 mm。

所抽检4根柱构件中，每根混凝土柱中有6根主筋，其中长侧面有2根主(纵)筋，主筋保护层厚度18~35 mm，钢筋间距279~304 mm。宽侧面有4根主(纵)筋，主筋保护层厚度29~45 mm，钢筋间距62~108 mm。

4. 抗震构造调查

4.1. 结构体系

结构框架：该建筑框架结构为单向框架，且有单跨框架，导致建筑抗侧刚度小，在承受荷载时耗能弱，在遭遇地震作用时易出现连续倒塌。《标准》规定，框架结构不宜为单跨框架，该建筑不满足要求。

梁构件：根据抽检结果梁最小截面宽度为200 mm，高宽比不大于4，限制高宽比能够保证框架梁对框架节点的约束作用，以及减小框架梁塑性铰区段在反复受力下侧屈的风险；梁净跨与截面高度之比不小于4，限制跨高比则能够使梁构件主免出现承受剪力大于弯矩的情况，适应较大塑性变形的能力较强。

柱构件：所抽检柱轴压比限值范围为0.81~1.43，大于《标准》规定值0.8，限制轴压比主要是为了控制结构的延性。轴压比越高，柱的延性就越差，在地震作用下柱的毁坏呈脆性。检测部分结果见表3。

表3. 柱轴压比限值统计表

4.2. 材料强度

建筑实测梁、柱混凝土强度等级为C24.5，由于建筑从建成到使用已接近40年，其混凝土碳化深度已达到6 mm，满足《标准》规定值C20要求。

4.3. 框架梁、柱的配筋与构造

所检测梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率2.9%，大于《标准》规定值2.5%；框架梁加密区箍筋最小直径为6 mm，实测梁加密区箍筋最大间距为212 mm。

所检测框架角柱纵向钢筋总配筋率最小为1.7%，框架边柱、中柱纵向钢筋总配筋率最小为1.7%；框架柱箍筋最小直径为8 mm，实测柱加密区箍筋最大间距为240 mm。

对梁、柱构件有最大配筋率要求，能够有效防止结构在地震作用下出现脆性破坏，在地震作用下结构能够表现出明显变形特征，对地震时人员求生有重大作用。

4.4. 框架填充墙构造

根据现场实测，绝大部分砌体填充墙与框架柱之间未设置拉结筋，导致受到地震作用时砌体填充墙易倒塌，造成人员伤亡。

现场查勘发现，绝大部分楼层预制板拼缝处存在通长裂缝，屋顶廊檐损坏严重，部分填充墙存在开裂现象。

5. 抗震承载力验算

根据抽样检测的结果，结合相应的国家规范，采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件对该建筑的抗震承载能力进行验算，对其抗震承载能力进行评估。

5.1. 结构计算参数取值

根据原建筑、结构设计施工图、相关规范规定及现场检测结果，该建筑抗震鉴定时抗震承载力验算参数取值见表4。

表4. 结构计算参数取值表

5.2. 框架柱抗震承载力验算

根据计算分析并对框架柱的配筋进行复核，部分框架柱承载力的验算结果见表5。结果表明，对于各层柱的b边方向配筋，层数越低，所受荷载越大，该方向配筋需求则越大。而结构设计中不同楼层同一轴位柱配筋均相同，导致出现低层柱出现配筋不足高层柱配筋过多的情况，不仅造成材料浪费且结构安全得不到保障。

对于各层柱的h边方向配筋，计算结果表明h边方向配筋普遍不足。其主要是由于该结构框架为单向框架，配筋主要集中在b边，而在地震作用下两个方向都可能出现较大作用力，结果表现为h边方向配筋不足。建筑框架柱的抗震承载力绝大部分不满足要求。

表5. 部分框架柱配筋复核表

5.3. 框架梁抗震承载力验算

根据计算分析并对框架梁的配筋进行复核，部分框架梁实际配筋的验算结果见表6。结果表明：二层梁约67%的梁配筋不满足要求，三、四层梁约63%的梁配筋不满足要求，五~八层梁约60%的梁配筋不满足要求，九层梁约43%的梁配筋不满足要求。可以看到梁的配筋计算结果和柱的b方向配筋结果相同，出现了低层梁配筋不足高层梁配筋过多的情况。建筑框架梁的抗震承载力大部分不满足要求。

表6. 部分框架梁配筋复核表

6. 检测结果与原因分析

根据检测数据，得出以下几点检测结果：1) 预制板构件拼接处出现结构裂缝；2) 部分梁、柱构件尺寸不符合设计要求；3) 梁、柱构件主筋符合设计要求，部分构件箍筋间距不满足要求；4) 建筑结构体系不满足《标准》要求；5) 梁构件高宽比、净跨比满足要求，柱构件轴压比不满足规范要求；6) 构件混凝土强度满足《标准》要求；7) 梁端纵向受拉钢筋的最大配筋率为2.9%，大于规定值2.5%，柱配筋率满足要求；8) 砌体填充墙与框架柱之间未设拉结筋，不满足要求；9) 大部分梁、柱构件抗震承载力不满足要求。

根据检测结果，该建筑抗震性能不满足要求的主要原因有以下几点。

1) 施工原因。施工不规范导致预制板拼接处混凝土强度低，部分框架梁、柱构件尺寸与设计不符，箍筋间距不满足要求，导致结构抗震性能不满足要求。

2) 设计原因。该建筑的结构体系为单向框架结构，其抗震能力较弱；框架梁、柱构件设计不合理，其配筋率不足导致构件的承载力不足；砌体填充墙与框架柱未设拉结筋，结构整体性不强，导致结构抗震性能不满足要求。

7. 结论与建议

1) 在现行《建筑抗震鉴定标准》下，该建筑抗震构造措施不满足要求，主要受力构件的抗震承载能力不满足要求。

2) 建筑结构体系设计不合理，受力构件承载力不足，导致结构设计承载力不足以抵抗地震作用，是建筑抗震性能不满足要求的主要原因。

3) 建筑施工不规范，预制板拼接处混凝土强度低，构件尺寸与配筋与设计不符，导致结构实际承载力小于设计承载力，是建筑抗震性能不满足要求的次要原因。

4) 建议采取的处理措施有：a) 增加抗震墙，改变结构体系，优化地震荷载下的结构受力机理；b) 对承载力不足的梁柱构件进行加固处理，达到强柱弱梁；c) 在砌体填充墙与框架柱之间增设拉结筋；d) 修补结构裂缝。

基金项目

国家自然科学基金(41602319)。

文章引用

骆瑞萍,贺洁星,徐胜超,王程鹏. 某框架结构的抗震性能检测分析
Seismic Performance Test and Analysis of a Frame Structure[J]. 土木工程, 2021, 10(06): 524-534. https://doi.org/10.12677/HJCE.2021.106059

参考文献