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摘要:文章对该大楼的结构加固设计、建筑结构荷载受力、处理措施、结构计算，进行了分析研究，以供类似工程参考。
关键词:建筑结构设计；处理措施；验算
Abstract: in this paper the structure of the building reinforcement design, building structure load stress and treatment measures, structural calculation, analysis and research as reference for other similar projects.
Keywords: building structure design; Processing measures; checking
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、引言
该多层建筑大楼工程地上7层,框架结构,独立柱基,一层为地下室,作停车场用,建筑物总高21.5m,总建筑面积12500m2,工程按7级设防,框架抗震等级为三级。工程主体通过验收不久,建设方接主管部门通知,将原来的底部三层的大开间办公室改为小开间以便安排更多的人员办公。开间变小使分隔墙体增多,许多新增墙体布置在原来板的位置上。最简单的解决方法是用轻质材料作为分隔墙,然后验算板的承载力是否有富余,但建设方考虑到隔音、防水以及其它的原因,坚持要求采用多孔砖,建筑相应结构部分的加固与改造也就在所难免。
二、建筑结构荷载受力分析
由于大部分现浇板无法承受约3m高的空心砖墙,将板的相应位置拆除后在墙下加梁显然不可取,大面积加固板工作量太大。经与建设方反复协商,设计者决定每开间的主要隔墙采用粘土空心砖,而室内的局部墙体改为双层轻质石膏板墙,石膏板墙下部考虑防水砌了5匹粘土实心砖,总的线荷载为取值为1.5kN/m。经验算大多数板块均满足要求,对于粘土空心砖墙采用的是直接在墙下加预制混凝土梁,梁底距楼面30mm,这样墙体荷载可以直接传至主框架梁上,原主要传力体系不受影响,在最大程度地减少了次梁和板的加固处理。经过计算分析,结构的基础、柱、梁、板均有不同程度的不足,需要加固处理。
三、建筑结构加固与处理措施
3.1建筑基础受力分析
原地基承载力设计值为300kPa,基础底面平均设计压力为292kPa,经核算现基础底面平均压力最大值约为316kPa,比地基承载力设计值大5.3%,根据《建筑抗震加固技术规程》规定,基底压力设计值超过地基承载力设计值不足10%时,可采用提高上部结构抵抗不均匀沉降能力的措施。本工程地基为厚度均匀的硬塑状粉质粘土,再下为中风化岩层。设计时作如下考虑:①预计的基础沉降绝对值较小且上部荷载分布较均匀;②原基础设计时留有一定的余量,经上部荷载调整后基础的抗弯、抗剪、抗冲切均满足要求(局部抗弯承载力不足的在柱加固后也可满足要求);虽然还不能考虑地基长期压密对地基承载力的提高,但由于基底压力超出限值不多、地基较好、结构本身刚度较大(地下室侧墙为混凝土墙)、荷载较均匀,因此决定基础部分暂时不予加固处理,观察使用,仅对上部填充墙砌体增设了部分圈梁和构造柱,并在首层和顶层的窗下设通长钢筋混凝土窗台板加强处理。
3.2柱的结构设计与验算
经核算发现有5根柱承载力不足,主要表现为轴压比偏高和配筋不足。从分布来看主要是中柱较多,边柱仅一根,其原因应该是边柱原本轴压比不大,属偏心受压构件,在軸力增加不太多的情况下对承载力是有利的。设计者对于中柱的加固经全面分析比较,决定采用“加大截面法”处理,理由是:①对于柱轴压比的提高用加大截面的方法是最直接的;②加大截面可以提高柱的刚度,符合“强柱弱梁”的结构设计原则;③目前填充墙尚未砌筑,框架承受的荷载仅为最终荷载的40%,有利于新旧混凝土的协同受力;④柱截面加大后基础的板弯矩计算减小,对基础有利;对框架梁而言,由于支座宽度加大使其净跨度减小,这也是有利的;⑤施工单位有过类似的施工经验,质量有保证。取一根中柱计算,设计截面为500×600、配12Φ20,Lo/b=5.2/0.5=10.4,取Φ=8.7,其承载力:
Nu=Φ(fcAc+fyAs)=0.87(14.3×300000+300×3770)/1000=4716kN。在不考虑弯矩的情况下,该柱最终承受的轴力设计值为4572kN,轴压比N=0.97,超出规范规定的0.9的限值。对该柱初步考虑截面加大为630×730,配筋为16Φ20,根据柱的实际受力分析,柱在加固施工时,由于荷载未完全卸除,存在着一定的压缩变形,此外混凝土的收缩和徐变也有一定的发展,新加部分的应力、应变滞后于原柱的应力、应变,新旧混凝土不能协同工作,新混凝土作用被降低,降低的幅度随原柱在加固时的应力有关,应力越高,降低的幅度越大。保障新旧混凝土协同工作是加固的一个重要环节,这主要靠新旧混凝土紧密结合。为此,在施工中要注意以下几点:①施工前应对加固构件设临时支撑卸荷;②将需外包的梁的棱角敲掉,并除去浮渣、尘土及疏松部分;③新旧混凝土结合部位表面应凿毛,表面凹凸不平度不小于6mm,间距不大于箍筋的间距;④新旧混凝土结合部位表面应冲洗干净,去除油污,用钢丝刷刷毛,喷水湿润,浇混凝土前除去浮水并涂混凝土界面处理剂一遍。此外对个别轴力及弯矩均较大的柱子,参照规范的做法沿柱长度方向加植Φ12间距300的短钢筋,这可以提高结合面的抗剪强度,有利于协同工作。
3.3梁的结构设计与验算
经核算梁有11根的承载力不足,其中8根是抗弯承载力不足,2根是抗剪承载力不足,1根是抗弯承载力和抗剪承载力均不足。在确定加固方法时,考虑了多种方案:由于有大量的设备管道,尽管层高达到3.9m,但净高并不大,业主一再要求净高不得减少,此外部分边框梁因立面要求也无法将截面加宽,因此排除了“截面加大法”;在选择“粘贴钢板加固”还是“碳纤维布粘贴加固”时,本着施工快速方便、对原结构影响小的原则,我们推荐了后者,虽然造价略高于粘钢包钢加固法,但由于施工快捷且不增加自重和不减少层高,经与业主协商最终同意此方法。由于在梁柱交接处碳纤维布无法穿过框架柱,因此对于框架梁负弯矩不足的情况,采用了弯矩调幅法,将多出的负弯矩调整到梁底,此外在梁柱交接处,梁上部紧邻板下处按计算差值的一半补贴了碳纤维布以作为负弯矩的安全储备,因为框架梁较高所以补贴的碳纤维布仍位于梁上部1/4范围内。取一根框架梁计算:截面为300×600mm2,跨度为7200m,原设计弯矩为175kN/m,计算配筋值1567mm2,实配梁上筋2Φ20,梁下筋5Φ20。改造后设计弯矩为213kN/m,计算配筋值1941mm2,初选碳纤维截面尺寸0.167×200mm。根据极限状态应力应变关系,由平衡条件可得:
fcbx=fyAs-fy″As″+EcfεcfAcf
x=0.8εcuh/(εcu+εcf+εi)
求得混凝土受压区高度x=89.6mm.εcfbh=104.9mm加固后的抗弯承载力:
Mu=fyAs(h0–0.5εcfbh)+Ecf[εcf]·Acf(1-0.5εcfb)
=303kN/m.213kN/m满足要求。
式中:Ecf为碳纤维布的弹性模量;
εcf为碳纤维布的拉应变;
Acf为碳纤维布的截面积;
εcfb为碳纤维布达到允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度。
碳纤维布的粘贴长度原则上按梁的弯矩包络图定,应延伸至不需要该碳纤维布的部位之外,且不小于粘接延伸长度1d,(1d是一个与碳纤维布的弹性模量、实际拉应变和截面有关的参数),在构造上一般对梁正弯矩区碳纤维延伸至支座,对负弯矩区碳纤维伸出支座的距离不小于1/3梁跨度。另外为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴100mm宽U型箍2道,在主次梁相交处每侧粘贴100mm宽U型箍两道,具体做法如图1所示,关于梁的抗剪计算本文从略。此外板的计算和处理基本同梁。为确保施工质量,在施工中应注意以下几点:
图 1碳纤维加固处理示意图
1)混凝土与碳纤维布之间界面处理很重要。因此在梁的两侧连接处应反复打磨平整,去除混凝土表面缺陷,角部应切圆角。
2)粘贴碳纤维布时应密切配合,一人拉紧碳纤维布,一人用刮板从一侧边刮边贴,保证粘贴紧密不空。
四、结束语
该工程结束后各有关方面组织检测,主要对钢筋进行了拉拔实验,对混凝土进行回弹检测,检测结果均合格,最后通过了竣工验收。本工程对不同的构件采用了不同的处理方法,经过近两年的使用观测,沉降稳定,主体结构未发现任何异常现象,建设方也非常满意,证明大楼的加固与结构设计是合理和成功的。
关键词:建筑结构设计；处理措施；验算
Abstract: in this paper the structure of the building reinforcement design, building structure load stress and treatment measures, structural calculation, analysis and research as reference for other similar projects.
Keywords: building structure design; Processing measures; checking
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
一、引言
该多层建筑大楼工程地上7层,框架结构,独立柱基,一层为地下室,作停车场用,建筑物总高21.5m,总建筑面积12500m2,工程按7级设防,框架抗震等级为三级。工程主体通过验收不久,建设方接主管部门通知,将原来的底部三层的大开间办公室改为小开间以便安排更多的人员办公。开间变小使分隔墙体增多,许多新增墙体布置在原来板的位置上。最简单的解决方法是用轻质材料作为分隔墙,然后验算板的承载力是否有富余,但建设方考虑到隔音、防水以及其它的原因,坚持要求采用多孔砖,建筑相应结构部分的加固与改造也就在所难免。
二、建筑结构荷载受力分析
由于大部分现浇板无法承受约3m高的空心砖墙,将板的相应位置拆除后在墙下加梁显然不可取,大面积加固板工作量太大。经与建设方反复协商,设计者决定每开间的主要隔墙采用粘土空心砖,而室内的局部墙体改为双层轻质石膏板墙,石膏板墙下部考虑防水砌了5匹粘土实心砖,总的线荷载为取值为1.5kN/m。经验算大多数板块均满足要求,对于粘土空心砖墙采用的是直接在墙下加预制混凝土梁,梁底距楼面30mm,这样墙体荷载可以直接传至主框架梁上,原主要传力体系不受影响,在最大程度地减少了次梁和板的加固处理。经过计算分析,结构的基础、柱、梁、板均有不同程度的不足,需要加固处理。
三、建筑结构加固与处理措施
3.1建筑基础受力分析
原地基承载力设计值为300kPa,基础底面平均设计压力为292kPa,经核算现基础底面平均压力最大值约为316kPa,比地基承载力设计值大5.3%,根据《建筑抗震加固技术规程》规定,基底压力设计值超过地基承载力设计值不足10%时,可采用提高上部结构抵抗不均匀沉降能力的措施。本工程地基为厚度均匀的硬塑状粉质粘土,再下为中风化岩层。设计时作如下考虑:①预计的基础沉降绝对值较小且上部荷载分布较均匀;②原基础设计时留有一定的余量,经上部荷载调整后基础的抗弯、抗剪、抗冲切均满足要求(局部抗弯承载力不足的在柱加固后也可满足要求);虽然还不能考虑地基长期压密对地基承载力的提高,但由于基底压力超出限值不多、地基较好、结构本身刚度较大(地下室侧墙为混凝土墙)、荷载较均匀,因此决定基础部分暂时不予加固处理,观察使用,仅对上部填充墙砌体增设了部分圈梁和构造柱,并在首层和顶层的窗下设通长钢筋混凝土窗台板加强处理。
3.2柱的结构设计与验算
经核算发现有5根柱承载力不足,主要表现为轴压比偏高和配筋不足。从分布来看主要是中柱较多,边柱仅一根,其原因应该是边柱原本轴压比不大,属偏心受压构件,在軸力增加不太多的情况下对承载力是有利的。设计者对于中柱的加固经全面分析比较,决定采用“加大截面法”处理,理由是:①对于柱轴压比的提高用加大截面的方法是最直接的;②加大截面可以提高柱的刚度,符合“强柱弱梁”的结构设计原则;③目前填充墙尚未砌筑,框架承受的荷载仅为最终荷载的40%,有利于新旧混凝土的协同受力;④柱截面加大后基础的板弯矩计算减小,对基础有利;对框架梁而言,由于支座宽度加大使其净跨度减小,这也是有利的;⑤施工单位有过类似的施工经验,质量有保证。取一根中柱计算,设计截面为500×600、配12Φ20,Lo/b=5.2/0.5=10.4,取Φ=8.7,其承载力:
Nu=Φ(fcAc+fyAs)=0.87(14.3×300000+300×3770)/1000=4716kN。在不考虑弯矩的情况下,该柱最终承受的轴力设计值为4572kN,轴压比N=0.97,超出规范规定的0.9的限值。对该柱初步考虑截面加大为630×730,配筋为16Φ20,根据柱的实际受力分析,柱在加固施工时,由于荷载未完全卸除,存在着一定的压缩变形,此外混凝土的收缩和徐变也有一定的发展,新加部分的应力、应变滞后于原柱的应力、应变,新旧混凝土不能协同工作,新混凝土作用被降低,降低的幅度随原柱在加固时的应力有关,应力越高,降低的幅度越大。保障新旧混凝土协同工作是加固的一个重要环节,这主要靠新旧混凝土紧密结合。为此,在施工中要注意以下几点:①施工前应对加固构件设临时支撑卸荷;②将需外包的梁的棱角敲掉,并除去浮渣、尘土及疏松部分;③新旧混凝土结合部位表面应凿毛,表面凹凸不平度不小于6mm,间距不大于箍筋的间距;④新旧混凝土结合部位表面应冲洗干净,去除油污,用钢丝刷刷毛,喷水湿润,浇混凝土前除去浮水并涂混凝土界面处理剂一遍。此外对个别轴力及弯矩均较大的柱子,参照规范的做法沿柱长度方向加植Φ12间距300的短钢筋,这可以提高结合面的抗剪强度,有利于协同工作。
3.3梁的结构设计与验算
经核算梁有11根的承载力不足,其中8根是抗弯承载力不足,2根是抗剪承载力不足,1根是抗弯承载力和抗剪承载力均不足。在确定加固方法时,考虑了多种方案:由于有大量的设备管道,尽管层高达到3.9m,但净高并不大,业主一再要求净高不得减少,此外部分边框梁因立面要求也无法将截面加宽,因此排除了“截面加大法”;在选择“粘贴钢板加固”还是“碳纤维布粘贴加固”时,本着施工快速方便、对原结构影响小的原则,我们推荐了后者,虽然造价略高于粘钢包钢加固法,但由于施工快捷且不增加自重和不减少层高,经与业主协商最终同意此方法。由于在梁柱交接处碳纤维布无法穿过框架柱,因此对于框架梁负弯矩不足的情况,采用了弯矩调幅法,将多出的负弯矩调整到梁底,此外在梁柱交接处,梁上部紧邻板下处按计算差值的一半补贴了碳纤维布以作为负弯矩的安全储备,因为框架梁较高所以补贴的碳纤维布仍位于梁上部1/4范围内。取一根框架梁计算:截面为300×600mm2,跨度为7200m,原设计弯矩为175kN/m,计算配筋值1567mm2,实配梁上筋2Φ20,梁下筋5Φ20。改造后设计弯矩为213kN/m,计算配筋值1941mm2,初选碳纤维截面尺寸0.167×200mm。根据极限状态应力应变关系,由平衡条件可得:
fcbx=fyAs-fy″As″+EcfεcfAcf
x=0.8εcuh/(εcu+εcf+εi)
求得混凝土受压区高度x=89.6mm.εcfbh=104.9mm加固后的抗弯承载力:
Mu=fyAs(h0–0.5εcfbh)+Ecf[εcf]·Acf(1-0.5εcfb)
=303kN/m.213kN/m满足要求。
式中:Ecf为碳纤维布的弹性模量;
εcf为碳纤维布的拉应变;
Acf为碳纤维布的截面积;
εcfb为碳纤维布达到允许拉应变与混凝土压坏同时发生时的界限相对受压区高度。
碳纤维布的粘贴长度原则上按梁的弯矩包络图定,应延伸至不需要该碳纤维布的部位之外,且不小于粘接延伸长度1d,(1d是一个与碳纤维布的弹性模量、实际拉应变和截面有关的参数),在构造上一般对梁正弯矩区碳纤维延伸至支座,对负弯矩区碳纤维伸出支座的距离不小于1/3梁跨度。另外为了加强梁底碳纤维布的锚固及增加梁的抗剪能力,在梁端每侧粘贴100mm宽U型箍2道,在主次梁相交处每侧粘贴100mm宽U型箍两道,具体做法如图1所示,关于梁的抗剪计算本文从略。此外板的计算和处理基本同梁。为确保施工质量,在施工中应注意以下几点:
图 1碳纤维加固处理示意图
1)混凝土与碳纤维布之间界面处理很重要。因此在梁的两侧连接处应反复打磨平整,去除混凝土表面缺陷,角部应切圆角。
2)粘贴碳纤维布时应密切配合,一人拉紧碳纤维布,一人用刮板从一侧边刮边贴,保证粘贴紧密不空。
四、结束语
该工程结束后各有关方面组织检测,主要对钢筋进行了拉拔实验,对混凝土进行回弹检测,检测结果均合格,最后通过了竣工验收。本工程对不同的构件采用了不同的处理方法,经过近两年的使用观测,沉降稳定,主体结构未发现任何异常现象,建设方也非常满意,证明大楼的加固与结构设计是合理和成功的。