论文部分内容阅读
摘要:本文通过实例分析新病房大楼成功实施加层加固,对结构加层的可行性、加固设计施工的实施做出了详细的分析和介绍。
关键词:建筑加层；结构；方案选择；碳纤维;加固施工
1工程概述
某医院新建的病房大楼,平面呈三角形,地上15层,地下1层,框架-剪力墙结构,人工挖孔桩基础,建筑面积2.7万m2,建筑总高度59m;地震设防烈度为六度,属于乙类抗震建筑,按七度进行抗震设防设计。当该工程施工到10层时,医院根据自身发展的需要,提出加层的要求,希望大楼至少能加2层,以满足今后若干年内医院病区增加、功能完善的需要。在医院院内用地紧张的条件下,在正在建设中的新病房大楼上加层是可行的最经济方案。
2建筑加层的结构可行性
该建筑加层从结构上来看,首先是加层后引起结构使用荷载的增加,水平风荷载和地震荷载的增大,该建筑的框剪结构构件是否能够承受;在桩基础业已完成的条件下,桩基础是否还有承担更大荷载的能力等方面的因素是要重点考虑的。
根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)》中第5.1.2条的规定,抗震设防裂度为7度时,框架-剪力墙结构建筑高度≤60m时,框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为二级;建筑物高度>60m时,框架抗震等级为二级,剪力墙抗震等级仍为二级。框架抗震等级改变后,框架柱轴压比μn的限值由三级的0.9提高到二级的0.8,框架角柱的内力设计值及框架底层柱下端截面的弯矩设计值、框架柱的剪力设计值均要乘以增大系数,这给结构构件的抗震能力带来很大的影响。
该工程桩基础为人工挖孔扩头桩,桩底进入中风化基岩1.0m以上。桩基静载试验时,在6200kN设计极限荷载作用下,桩的沉降量很小,只有15mm,沉降曲线比较平缓,没有明显的拐点;桩尖的扩孔质量很好,桩身混凝土使用商品混凝土,浇筑质量良好,混凝土强度均超过了设计强度,这些都说明桩的承载力很高,桩基础承载能力有潜力可利用,再增加一定的使用荷载,基础也是可以承受的。该工程的主体结构为框架-剪力墙体系,承受水平荷载尤其是地震荷载的能力很强,设计方经过计算分析,认为该结构可以满足因加层而导致水平荷载增大的要求。但是由于框架抗震等级的提高、荷载的增大,部分框架柱还不能满足轴压比的限值,部分梁由于剪力增大致使配筋量不足,这就需要对这一部分梁、柱进行必要的加固,使其满足规范要求,保证结构的安全正常使用。
3结构构件加固方案的选择
目前,工程上常用的钢筋混凝土结构补强方法主要有:加大截面加固、外包钢加固、预应力加固、粘钢加固、玻璃钢加固等,这些加固方法,国内外很多科研机构都已进行了大量的研究工作,并且都已大量应用于实际工程。然而,这些加固方法都有一定的缺陷,比如它们都会增加构件自重、结点不易处理、施工难度大,而且还会增大构件截面面积、影响建筑的使用空间。因此需要选择新的不会增大结构截面且施工容易的加固技术。
近年来,纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点,碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟、也是用量最大的一种高科技结构补强加固材料。碳纤维材料具有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点,其强度一般为建筑用钢材的十几倍,弹性模量也高于建筑钢材,碳纤维布重量轻厚度薄,经加固后的构件,可以不增加原结构的自重及尺寸。碳纤维材料的加固施工,占用场地少,不需要大型施工机械,没有湿作业,施工很方便。
从经济方面上看,达到相同加固目的的碳纤维材料的费用高于建筑用钢的费用,但其机械、人工成本远低于常规的加固方法,综合比较后,碳纤维的加固费用与常规的加固方法的费用基本持平。
经过加固方案的综合比选,该工程的建设各方决定选择碳纤维加固方法。
4碳纤维布补强机理
4.1碳纤维布提高抗压弯承载力机理
试验表明包裹碳纤维布可以提高混凝土的抗压强度20%以上,并能有效地改善混凝土的变形性能,其效果随碳纤维布用量的增加而更加显著。在碳纤维布用量相同的情况下,布分成窄条包裹构件的效果要优于布整块包裹构件的效果,其原因是分条后有利于碳纤维布中的各纤维束更好地共同工作,因而碳纤维布分条后的使用率要优于整块碳纤维布。
4.2碳纤维布提高抗弯承载力机理
碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,截面的平均应变仍然符合平截面假定。粘贴碳纤维布后,梁的受弯承载力明显提高,其极限受弯承载力的提高更为显著。试验研究发现,同样的碳纤维布用量,分条粘贴的加固效果略好于整块粘贴;粘贴碳纤维布,可以增加构件的抗弯刚度、减少梁的挠度、延缓梁的裂缝出现时间、降低裂缝的发展速度,从而大大提高了梁的抗弯极限承载力,其值可以提高30%以上。
4.3碳纤维布提高抗剪承载力机理
使用碳纤维布来提高混凝土构件的抗剪承载力是有效的。粘贴纤维布条的梁在混凝土出现斜裂缝后,碳纤维布条可以做为桁架模型的腹拉杆来改善钢筋混凝土梁内的受力状态,提高构件的抗剪承载力,其值可以提高15%以上;另一方面,碳纤维布条还可以限制斜裂缝的开展从而起到抗剪加固的作用。因此,碳纤维布对提高构件抗剪承载力的作用机理与箍筋类似。碳纤维布条的宽度越大,间距越小,粘贴层数越多,其作用也就越明显,抗剪承载力提高的也就越多。
结构构件经包裹碳纤维布后所能增加的抗压、抗弯、抗剪承载力数值可以按有关规范中的公式计算。
5碳纤维布加固设计及施工
根据计算结果,选定了框架柱KZ5(5~7层)、KZ26(5~7层、11~12层)、KZ27(地下室、5~7层),框架梁BLL-N-D(4~14层)、ALL-N-14.39(5~7层、8~14层)、ALL-N-18.37(8~14层)须做碳纤维布加固,碳纤维布的型号分别为CFRP-S-300、CFRP-S-200、彈性模量均≥220GPa、抗拉强度标准值≥3000MPa,重量分别为300g/m2、200g/m2。
加固工程的施工工序为:施工场地清理→加固构件表面砂浆清除→构件表面清理、打磨、表面修补→基面底涂→碳纤维布准备→中涂→碳纤维布粘贴→面涂→场地清理。若是设计要求贴两层或两层以上碳纤维布,只须重复“中涂→粘贴→面涂”的步骤即可。若加固后的构件表面需要粉刷抹面的则在面涂工序后,在尚未干硬的树脂面上喷一些干净的石英砂即可,待树脂干硬后再用水泥砂浆进行抹面。若在柱上设有电气插座孔洞,还应该用碳纤维布条在孔洞四周予以加强。
加固施工时应严格按要求进行各工序隐蔽工程检验与验收,碳纤维布和配套的树脂类粘结材料还应进行现场取样检验。
6结语
医院新病房大楼结构经过使用碳纤维布加固部分梁、柱构件后,顺利地由15层加层到17层,增加了3000m2使用面积,满足了医院今后发展的需要。加固的工程费用为40万元,大楼上面一些层数的内隔墙由原设计的砌块改为轻质墙板,虽略微增加了费用,但减轻了结构自重。
关键词:建筑加层；结构；方案选择；碳纤维;加固施工
1工程概述
某医院新建的病房大楼,平面呈三角形,地上15层,地下1层,框架-剪力墙结构,人工挖孔桩基础,建筑面积2.7万m2,建筑总高度59m;地震设防烈度为六度,属于乙类抗震建筑,按七度进行抗震设防设计。当该工程施工到10层时,医院根据自身发展的需要,提出加层的要求,希望大楼至少能加2层,以满足今后若干年内医院病区增加、功能完善的需要。在医院院内用地紧张的条件下,在正在建设中的新病房大楼上加层是可行的最经济方案。
2建筑加层的结构可行性
该建筑加层从结构上来看,首先是加层后引起结构使用荷载的增加,水平风荷载和地震荷载的增大,该建筑的框剪结构构件是否能够承受;在桩基础业已完成的条件下,桩基础是否还有承担更大荷载的能力等方面的因素是要重点考虑的。
根据《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程(JGJ3-91)》中第5.1.2条的规定,抗震设防裂度为7度时,框架-剪力墙结构建筑高度≤60m时,框架抗震等级为三级,剪力墙抗震等级为二级;建筑物高度>60m时,框架抗震等级为二级,剪力墙抗震等级仍为二级。框架抗震等级改变后,框架柱轴压比μn的限值由三级的0.9提高到二级的0.8,框架角柱的内力设计值及框架底层柱下端截面的弯矩设计值、框架柱的剪力设计值均要乘以增大系数,这给结构构件的抗震能力带来很大的影响。
该工程桩基础为人工挖孔扩头桩,桩底进入中风化基岩1.0m以上。桩基静载试验时,在6200kN设计极限荷载作用下,桩的沉降量很小,只有15mm,沉降曲线比较平缓,没有明显的拐点;桩尖的扩孔质量很好,桩身混凝土使用商品混凝土,浇筑质量良好,混凝土强度均超过了设计强度,这些都说明桩的承载力很高,桩基础承载能力有潜力可利用,再增加一定的使用荷载,基础也是可以承受的。该工程的主体结构为框架-剪力墙体系,承受水平荷载尤其是地震荷载的能力很强,设计方经过计算分析,认为该结构可以满足因加层而导致水平荷载增大的要求。但是由于框架抗震等级的提高、荷载的增大,部分框架柱还不能满足轴压比的限值,部分梁由于剪力增大致使配筋量不足,这就需要对这一部分梁、柱进行必要的加固,使其满足规范要求,保证结构的安全正常使用。
3结构构件加固方案的选择
目前,工程上常用的钢筋混凝土结构补强方法主要有:加大截面加固、外包钢加固、预应力加固、粘钢加固、玻璃钢加固等,这些加固方法,国内外很多科研机构都已进行了大量的研究工作,并且都已大量应用于实际工程。然而,这些加固方法都有一定的缺陷,比如它们都会增加构件自重、结点不易处理、施工难度大,而且还会增大构件截面面积、影响建筑的使用空间。因此需要选择新的不会增大结构截面且施工容易的加固技术。
近年来,纤维类材料在土木工程中的应用一直是国内外研究的热点,碳纤维材料是迄今为止应用于土木工程领域最早、技术最成熟、也是用量最大的一种高科技结构补强加固材料。碳纤维材料具有良好的粘合性、耐热性及抗腐蚀性等特点,其强度一般为建筑用钢材的十几倍,弹性模量也高于建筑钢材,碳纤维布重量轻厚度薄,经加固后的构件,可以不增加原结构的自重及尺寸。碳纤维材料的加固施工,占用场地少,不需要大型施工机械,没有湿作业,施工很方便。
从经济方面上看,达到相同加固目的的碳纤维材料的费用高于建筑用钢的费用,但其机械、人工成本远低于常规的加固方法,综合比较后,碳纤维的加固费用与常规的加固方法的费用基本持平。
经过加固方案的综合比选,该工程的建设各方决定选择碳纤维加固方法。
4碳纤维布补强机理
4.1碳纤维布提高抗压弯承载力机理
试验表明包裹碳纤维布可以提高混凝土的抗压强度20%以上,并能有效地改善混凝土的变形性能,其效果随碳纤维布用量的增加而更加显著。在碳纤维布用量相同的情况下,布分成窄条包裹构件的效果要优于布整块包裹构件的效果,其原因是分条后有利于碳纤维布中的各纤维束更好地共同工作,因而碳纤维布分条后的使用率要优于整块碳纤维布。
4.2碳纤维布提高抗弯承载力机理
碳纤维布加固钢筋混凝土梁时,截面的平均应变仍然符合平截面假定。粘贴碳纤维布后,梁的受弯承载力明显提高,其极限受弯承载力的提高更为显著。试验研究发现,同样的碳纤维布用量,分条粘贴的加固效果略好于整块粘贴;粘贴碳纤维布,可以增加构件的抗弯刚度、减少梁的挠度、延缓梁的裂缝出现时间、降低裂缝的发展速度,从而大大提高了梁的抗弯极限承载力,其值可以提高30%以上。
4.3碳纤维布提高抗剪承载力机理
使用碳纤维布来提高混凝土构件的抗剪承载力是有效的。粘贴纤维布条的梁在混凝土出现斜裂缝后,碳纤维布条可以做为桁架模型的腹拉杆来改善钢筋混凝土梁内的受力状态,提高构件的抗剪承载力,其值可以提高15%以上;另一方面,碳纤维布条还可以限制斜裂缝的开展从而起到抗剪加固的作用。因此,碳纤维布对提高构件抗剪承载力的作用机理与箍筋类似。碳纤维布条的宽度越大,间距越小,粘贴层数越多,其作用也就越明显,抗剪承载力提高的也就越多。
结构构件经包裹碳纤维布后所能增加的抗压、抗弯、抗剪承载力数值可以按有关规范中的公式计算。
5碳纤维布加固设计及施工
根据计算结果,选定了框架柱KZ5(5~7层)、KZ26(5~7层、11~12层)、KZ27(地下室、5~7层),框架梁BLL-N-D(4~14层)、ALL-N-14.39(5~7层、8~14层)、ALL-N-18.37(8~14层)须做碳纤维布加固,碳纤维布的型号分别为CFRP-S-300、CFRP-S-200、彈性模量均≥220GPa、抗拉强度标准值≥3000MPa,重量分别为300g/m2、200g/m2。
加固工程的施工工序为:施工场地清理→加固构件表面砂浆清除→构件表面清理、打磨、表面修补→基面底涂→碳纤维布准备→中涂→碳纤维布粘贴→面涂→场地清理。若是设计要求贴两层或两层以上碳纤维布,只须重复“中涂→粘贴→面涂”的步骤即可。若加固后的构件表面需要粉刷抹面的则在面涂工序后,在尚未干硬的树脂面上喷一些干净的石英砂即可,待树脂干硬后再用水泥砂浆进行抹面。若在柱上设有电气插座孔洞,还应该用碳纤维布条在孔洞四周予以加强。
加固施工时应严格按要求进行各工序隐蔽工程检验与验收,碳纤维布和配套的树脂类粘结材料还应进行现场取样检验。
6结语
医院新病房大楼结构经过使用碳纤维布加固部分梁、柱构件后,顺利地由15层加层到17层,增加了3000m2使用面积,满足了医院今后发展的需要。加固的工程费用为40万元,大楼上面一些层数的内隔墙由原设计的砌块改为轻质墙板,虽略微增加了费用,但减轻了结构自重。