長沙某高層商業(yè)大廈主體加固方案研究

王中強　王宇贊

摘要：高層建筑本身作為一種建筑形式，其具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式與受力。對高層建筑進行的加固改造必須考慮到其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這增大了加固改造與加固設(shè)計的難度。現(xiàn)代主要加固方法已經(jīng)有很多，大部分加固方法已經(jīng)有了比較完善的研究，但仍有很多地方需要繼續(xù)研究，比如新舊混凝土的共同工作與破壞機理、型鋼與綴板形成的框架對混凝土產(chǎn)生的套箍作用等。本文結(jié)合長沙某高層商業(yè)大廈框架一核心筒結(jié)構(gòu)的加固改造設(shè)計實例，在利用PKPM鑒定加固模塊與SATWE進行結(jié)構(gòu)計算的基礎(chǔ)之上，提出了對結(jié)構(gòu)的各種加固方案，并對各方案進行分析計算。本文還對各方案進行了詳細分析，確定合理有效的加固方案。本文研究方法，可為同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞：加層改造；混凝土結(jié)構(gòu)加固；加固方案分析

中圖分類號：TU746.3

文獻標識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）05-0121-03

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引言

隨著社會發(fā)展，越來越多既有房屋需要進行加固改造，對于不同的建筑，不同的結(jié)構(gòu)形式，需要進行不同的加固方案研究。同一個建筑，可以設(shè)計不同的加固方案，但是選取最合理有效的方案是一個難點。許多建筑加固都是設(shè)計人員根據(jù)以往工程經(jīng)驗設(shè)計的，沒有經(jīng)過優(yōu)化分析，因此設(shè)計出的并不一定是最優(yōu)化的。本文實際工程長沙某商業(yè)大廈為滿足使用要求進行加層改造，經(jīng)過詳細的檢測鑒定與結(jié)構(gòu)計算，需要對其主體結(jié)構(gòu)進行加固，本文對其進行了加固設(shè)計與方案優(yōu)化分析。

2 工程概況

本工程為框架一核心筒結(jié)構(gòu)，主塔樓31層，裙房5層，地下2層，各層均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為300#（88年設(shè)計采用的混凝土強度，等于現(xiàn)在混凝土強度等級C28），采用樁基礎(chǔ)。現(xiàn)因需要擴建進行加層改造，增加建筑面積作為商場使用。經(jīng)過檢測鑒定，發(fā)現(xiàn)2層柱子強度不符合原設(shè)計要求，混凝土強度推定值僅為23，原結(jié)構(gòu)部分地方使用功能發(fā)生改變，局部荷載增加，承載力不足。

3 加固方案分析

本工程柱屬于小偏心受壓柱，主要是軸力過大，彎矩很小，屬于承載力不足。對于這種情況下的鋼筋混凝土柱，經(jīng)常用的加固方法有：增大截面法、外包型鋼法。而2層柱子因為混凝土強度不滿足設(shè)計要求，則可以采用置換混凝土法來進行加固。下面未分析各種方案的優(yōu)點與不足。由于本工程手扶電梯的位置發(fā)生變化，導(dǎo)致5軸交J-K軸與7軸交J～K軸梁承載力不足，需要進行加固。手扶電梯的荷載由出廠廠家給出，本工程為80KN/m，經(jīng)過PKPM軟件計算之后得到計算配筋為支座負筋最大4400mm²，底筋最大4100mm²。而原設(shè)計梁支座負筋與底筋均為5（325（2454mm²），遠遠達不到要求，因此該梁需要進行加固。本文給出的混凝土梁加固方案為三種：增大截面法、粘鋼加固法、粘帖FRP加固法。

方案一：增大截面法。增大截面法就是采用同一種材料增加原構(gòu)件的截面面積，從而提高原構(gòu)件承載能力和剛度，其施工簡單實用性強，已經(jīng)有了很豐富的經(jīng)驗積累和實踐證明。適用于原構(gòu)件軸壓比明顯偏高與原構(gòu)件截面尺寸過小的情況。加大截面法施工簡單，應(yīng)用廣泛，但是工期往往由于要澆筑混凝土并養(yǎng)護而過長，另外加固后構(gòu)建截面面積增大，對于墻柱來說就是減少了使用面積，對于梁板來說就是降低了室內(nèi)凈高，而且增加自重，對下部結(jié)構(gòu)增加荷載。增大截面法施工工藝分為：1.施工放線；2.清理、修正原結(jié)構(gòu)柱，原有樓板開洞；3.安裝新增鋼筋并與原鋼筋、箍筋連接；4.模板的設(shè)置；5.混凝土的澆筑；6.混凝土的養(yǎng)護。

本工程增大截面法加固鋼筋混凝土柱具體尺寸均為b、h邊每邊增大100mm，混凝土（330，新增鋼筋16（325，新增箍筋φ10@100（2），錨固長度100mm。本工程增大截面法加固梁設(shè)計為：h方向梁底增大300mm，梁側(cè)每邊增大100mm，底部新增鋼筋4C25，側(cè)面板底每邊新增2C25，梁側(cè)腰筋配置8C14，腰筋設(shè)置拉筋φ8@400，新增箍筋與拉筋在混凝土中錨固長度為100mm。計算結(jié)果見表2。

方案二：外包型鋼加固法。外包型鋼加固法作為一種經(jīng)典的加固方法，可以大幅度提高構(gòu)建界面承載力和抗震能力，同時還具有施工工藝和安裝簡單的優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于工程實踐中。外包型鋼加固法就是用型鋼外包于構(gòu)件表面并通過綴板鏈接形成框架，型鋼與混凝土的粘結(jié)通過結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑形成兩者共同工作的加固方法。外包型鋼加固法可分為兩種：濕式與干式。干式就是加固用型鋼與原混凝土構(gòu)建之間沒有粘結(jié)于一起，兩者并不能傳遞建立與彎矩，沒有共同工作而是原構(gòu)件與型鋼框架單獨受力；濕式就是型鋼與原混凝土構(gòu)件之間有有效的粘結(jié)，可傳遞剪力與彎矩，從而兩者共同工作達到承載力提高的目的。濕式與干式相比較而言，干式雖然施工更加簡單，但是對于承載力提高的不如濕式，目前濕式外包型鋼法加固更為常用。外包型鋼加固法施工工藝為：1.基坑開挖；2.粘帖面處理；3.角鋼、綴板制作安裝；4.地腳錨固；5.封邊、埋設(shè)灌漿嘴；6.注膠；7.防腐處理。

本工程外包型鋼法加固鋼筋混凝土柱具體尺寸見表1。

方案三：置換混凝土加固法。置換混凝土加固法是將原有構(gòu)件的混凝土材料進行替換，只利用新混凝土承受荷載或利用新的混凝土與原有混凝土共同承受荷載的加固方法。這種加固方法通常用在受壓區(qū)混凝土強度偏低或者有嚴重缺陷的局部區(qū)域。置換混凝土加固法對于混凝土強度過度偏小的構(gòu)件加固效果明顯，不過使用范圍比較窄，加固效果受到施工質(zhì)量影響較大，加固過程中具有一定危險性，必須嚴謹設(shè)計，嚴格施工。置換混凝土加固施工工藝為：1.卸除待加固構(gòu)件荷載；2.鑿除混凝土并設(shè)置型鋼支撐；3.重新設(shè)置箍筋與澆筑混凝土；4.多根柱加固必須按順序；5.施工監(jiān)控；6.混凝土養(yǎng)護。

本工程置換混凝土加固2層鋼筋混凝土柱具體尺寸分為250×50mm與350×350mm兩種。

方案四：粘帖鋼板加固。粘鋼加固類似于外包型鋼加固，二者區(qū)別在于外包型鋼是使用型鋼抵抗豎向荷載與彎矩，減少原構(gòu)件混凝土的壓力；而粘鋼加固是用薄鋼板粘帖在原構(gòu)件受力面主要提高構(gòu)建的受彎與受壓承載力。由粘鋼加固的特點來看主要適用于混凝土梁、板與大偏心受壓柱的加固。粘帖鋼板加固施工工藝：1.粘帖面處理；2.加壓固定及卸荷系統(tǒng)準備；3.結(jié)構(gòu)膠配置；4.涂膠和粘帖；5.維護。

本工程粘帖鋼板法加固梁設(shè)計為：梁底粘帖400mm寬2mm厚鋼板，梁頂在現(xiàn)澆樓板一側(cè)粘帖300mm寬5mm厚鋼板，在支座處梁側(cè)與梁底設(shè)置-u形端箍，寬300，厚1mm，伸至板底，每邊用兩根化學錨栓錨固。梁底鋼板通長布置，梁頂鋼板延伸柱手扶電梯一邊1000mm，另外一邊500mm。計算結(jié)果見表2。

方案五：粘帖FRP加固。近年來，纖維增強復(fù)合材料（Fibre Reinforced Polymer/Plastic，簡稱FRP）被廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)及其他結(jié)構(gòu)的加固中，在混凝土結(jié)構(gòu)加固中FRP加固適用于受彎、軸心受壓、大偏心受壓及受拉構(gòu)件的加固。在加固構(gòu)件受力中，F(xiàn)RP材料僅受拉應(yīng)力。粘帖FRP加固法施工工藝為：1.混凝土表面處理；2.粘帖FRP階段；3.施工質(zhì)量管理及檢驗；4.養(yǎng)護。

本工程粘帖FRP加固法加固梁設(shè)計為：材料均為單向織物2級，梁頂粘帖4層每層厚2mm，梁底粘帖3層每層厚2mm，梁側(cè)粘帖2層每層厚2mm寬度100mm間距200mm。計算結(jié)果見表2。

結(jié)果總結(jié)分析，（1）混凝土柱加固方案分析：三種對混凝土柱的加固方法中，除了置換混凝土加固法具有一般只對強度達不到設(shè)計要求或有嚴重破損缺陷的構(gòu)件采用這種局限性外，其他兩種都具有實用性廣泛、加固效果明顯的特點。其中增大截面法具有可極大提高承載能力的優(yōu)點，但是實際加固中有上層如果增大截面，則下層必須增大截面的要求，在本工程中，-2層有6根柱子因為連著剪力墻，可不需要進行加固，但上層這幾根柱子軸壓比不夠必須進行加固，那么如果上層要進行增大截面法加固，則下層柱必須增大同樣截面。外包型鋼加固則必須采用良好的防腐處理，使用過程中如果型鋼銹蝕腐朽達到一定程度，則加固失效。（2）混凝土梁加固方案：經(jīng)過計算提取混凝土梁撓度最大值與最大配筋進行對比，分別詳見表2。由表可見，三種加固方法都是有效的，在減小梁撓度方面增大截面法有顯著效果，減小了33%，而粘帖鋼板法與粘帖FRP法效果不明顯，減小了1.5%左右。粘帖鋼板法與粘帖FRP法能有效減少計算配筋量，而增大截面法必須附加鋼筋才能滿足計算配筋。增大截面法占用空間較大，而粘帖FRP法與粘帖鋼板法占用空間較小。

4 結(jié)語

加固方案優(yōu)化分析就是根據(jù)實際工程對所選取的各方案進行分析，得到最合理有效的方案。根據(jù)本文工程實例，采用增大截面法是不好的，因為本工程柱子上下層需要加固的數(shù)量不同，會導(dǎo)致下層不需要加固的柱子因為上層柱增大截面而增大同樣的截面進而造成浪費，而本工程梁增大截面法加固工期過長，對于商場來說工期越長虧損越大。采用置換混凝土法也是不好的，因為置換混凝土法工期更加長，同樣不適合本工程。采用FRP加固法也不適合本工程，因為現(xiàn)今纖維片材還屬于新興建筑材料，比較昂貴，經(jīng)報價計算得FRP加固法相比于粘鋼加固法材料費貴接近3倍。最終選取的加固方案是粘鋼加固法與外包型鋼法，本工程采用這種方案的優(yōu)點有：1.工期相對較短；2.造價相對便宜；3.不會造成浪費。

每個工程都有不同的工況，合理選用加固方案是很重要的，本文提供了范例可供類似工程進行加固方案的優(yōu)化分析。