既有框剪結(jié)構(gòu)加固方案探討及實(shí)例分析

曾 華

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410000）

目前，我國越來越多的存量建筑面臨著功能提升和維修改造，隨著《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068—2018）全面實(shí)施，C類建筑（即在2001年以后建造的現(xiàn)有建筑）的結(jié)構(gòu)改造工程面臨著更大的挑戰(zhàn)[1-2]。文章以某工程的加固設(shè)計(jì)方案比選為例，簡單介紹大跨度樓板改造過程中的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與關(guān)鍵點(diǎn)。

1 工程概況

該工程位于廣州市琶洲村，6#樓為7層公共建筑，1～2層為商鋪，3～7層為辦公區(qū)，首層高5m，其余層高4.5m，建筑總高度為32.0m；地下共2層，為機(jī)動車庫及設(shè)備用房。

6#樓為框架核心筒結(jié)構(gòu)，建筑設(shè)計(jì)使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度7度（0.10g），地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，地面粗糙度為C類，特征周期為0.35s，基本風(fēng)壓為0.50kN/m2?？蚣芸拐鸬燃壢?，剪力墻抗震等級二級。

該工程要求對原二樓商鋪部分區(qū)域進(jìn)行改造，改造前功能為商場，改造后的功能為密集書柜、機(jī)房、電池室、健身房、廚房區(qū)域等，廚房區(qū)域有地溝，需進(jìn)行降板回填處理。原商場設(shè)計(jì)時為獲得大空間利用率與凈高，采用大跨度梁板設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)板采用雙向板，改造為密集書柜所在板跨為12.05m×10.7m、板厚為250mm，改造為電池室所在板跨為13.55m×8m、板厚150mm。該工程依據(jù)《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50023—2009），加固類別為C類，適用后續(xù)使用年限50年建筑，按2010系列規(guī)范采用設(shè)計(jì)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算與方案比選

該工程采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司提供的盈建科建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件YJK-A進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析，整體指標(biāo)計(jì)算采用強(qiáng)制剛性樓板假定，其余計(jì)算不采用強(qiáng)制剛性樓板假定。將加固房屋的梁板柱、剪力墻等全樓模型按竣工尺寸建模，根據(jù)改造后的功能進(jìn)行荷載輸入，各層構(gòu)件的強(qiáng)度等級和鋼筋強(qiáng)度等級均按鑒定報(bào)告測定值輸入，梁柱內(nèi)的鋼筋按實(shí)配輸入。依據(jù)盈建科建模后，改造后二層建筑平面圖以及建筑物三維結(jié)構(gòu)視圖如圖1、圖2所示。

依照現(xiàn)行規(guī)范以及受建筑功能變化的影響，結(jié)構(gòu)荷載變化如表1所示。

根據(jù)《通信建筑工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（YD 5003—2014），電池室的活載組合系數(shù)為0.9，通過計(jì)算，新增荷載后構(gòu)件的彎矩與剪力增大，約為原設(shè)計(jì)值的2～3倍。依據(jù)計(jì)算結(jié)果分析與對比各類加固方案。

圖1 改造后二層建筑平面圖

圖2 三維視圖

2.1 增大截面法

增大截面法是在構(gòu)件外部外包混凝土，以達(dá)到增大構(gòu)件截面面積和配筋量的加固方法，該方法可顯著提高構(gòu)件承載能力。增大截面法是一種傳統(tǒng)的加固方法，工藝簡單，適用面廣，可廣泛用于梁、板、柱、墻等混凝土結(jié)構(gòu)的加固。

該工程電池室所在區(qū)域跨度為13.55m的結(jié)構(gòu)梁不滿足承載力要求，需加固。當(dāng)采用增大截面法加固該梁時，受建筑凈高影響，梁底擬增加150mm，梁頂增加60mm，梁兩側(cè)各增寬50mm，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁底筋需新增16根直徑為25mm的三級鋼。一方面該梁跨度較大，需兩端分別植入直徑為25mm的三級鋼，大直徑鋼筋不易彎折，植入鋼筋的對接有難度；另一方面，植筋數(shù)量過多，原柱鋼筋較密，植筋需避免損傷原柱主筋，施工難度過大，方案不可行。

對于結(jié)構(gòu)板而言，采用增大截面法時，在提高結(jié)構(gòu)板受彎承載力的同時，也因樓板加厚加大了樓面恒載，對整個結(jié)構(gòu)而言，梁柱荷載均提高，綜合考慮加固的性價(jià)比不高。

2.2 粘貼鋼板與粘貼碳纖維布法

粘貼鋼板加固法是在混凝土構(gòu)件表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，使其共同工作、整體受力，以提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。粘貼纖維復(fù)合材料加固法是采用高性能粘結(jié)劑將纖維復(fù)合材料粘貼在構(gòu)件表面，使得兩者協(xié)同工作，提高結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪承載力[3]。規(guī)范中要求加固后正截面受彎承載能力提高幅度不大于40%，該工程加固幅度大于40%，不滿足規(guī)范要求。

表1 加固前后荷載對比表

2.3 外包型鋼加固法

外包型鋼加固法是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件四周包以型鋼進(jìn)行加固的方案，外包的鋼構(gòu)架可以完全代替或部分代替原構(gòu)件工作。該方法可在不增大構(gòu)件截面尺寸的情況下提高構(gòu)件承載力，增大結(jié)構(gòu)延性和剛度，大幅度提高結(jié)構(gòu)抗震能力，但該方案造價(jià)較昂貴，施工要求高。該工程該方案計(jì)算結(jié)果顯示：部分主梁不滿足節(jié)點(diǎn)核心區(qū)受剪條件，且支座處負(fù)筋超限。對于結(jié)構(gòu)板而言，需設(shè)置鋼梁減小板跨度，使結(jié)構(gòu)板正截面受彎承載能力滿足改造后的功能。

2.4 新增支點(diǎn)法與粘貼鋼板綜合加固法

新增支點(diǎn)法是通過新增型鋼鋼柱和鋼梁，減小原梁板跨度，從而提高結(jié)構(gòu)承載力的一種加固方法。該工程根據(jù)地下室現(xiàn)有布局，在不影響地下室使用功能和基本滿足基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求的前提下，新增約12根鋼柱。目前計(jì)算結(jié)果顯示該方法可行，然而梁板部分雖因新增的鋼梁減小了跨度，但部分區(qū)域仍不滿足要求，需進(jìn)行粘貼鋼板或碳纖維板局部加固。該方案缺點(diǎn)：影響一樓大廳的凈高以及地下室布局，需要重新進(jìn)行建筑及裝飾設(shè)計(jì)。另外，采用該方案時，對于大跨度梁，新增鋼梁尺寸擬定為HN650×300×11×17，總重約1.2t，施工有一定難度，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接處抗剪計(jì)算尤為重要。

2.5 體外預(yù)應(yīng)力綜合加固法

體外預(yù)應(yīng)力加固是通過拉拔鋼絞線或高強(qiáng)鋼絲等鋼材，對構(gòu)件施加體外預(yù)應(yīng)力，從而使預(yù)加力產(chǎn)生的反彎矩抵消部分外荷載引起的內(nèi)力，能較大幅度地提高構(gòu)件極限承載力的一種加固方法?，F(xiàn)階段，該方法在我國多應(yīng)用于混凝土橋梁的加固，房屋結(jié)構(gòu)的加固應(yīng)用實(shí)例較少[4]。對于跨度較大的連續(xù)梁，在承載力需大幅度提高時，可采用體外預(yù)應(yīng)力綜合加固方法，通過在梁底新增體外預(yù)應(yīng)力鋼索、梁頂采用粘貼鋼板或碳纖維布等方式進(jìn)行加固，從而提高主梁剛度，并大幅減小梁撓度，改善混凝土梁的抗裂性能，提高結(jié)構(gòu)的耐久性[5]。依據(jù)該工程項(xiàng)目特點(diǎn)，可采用體外預(yù)應(yīng)力綜合加固，在連續(xù)梁中采用高強(qiáng)粗鋼筋作為斜拉桿，滑塊設(shè)置在梁的兩個三分點(diǎn)處，水平筋采用鋼絲束，用錨頭將鋼絲束兩端錨固在梁頂端部。該方案施工工期短，不影響原有布局，對原結(jié)構(gòu)損傷較小。缺點(diǎn)在于對建筑物層高有一定影響，施工技術(shù)要求高，后期維護(hù)成本高。

3 結(jié)束語

從上述分析對比各類加固方法的優(yōu)缺點(diǎn)，具體如表2所示。

根據(jù)上述討論，增加支點(diǎn)法與體外預(yù)應(yīng)力綜合加固法更適用于大跨度樓板的加固。增加支點(diǎn)法需根據(jù)既有建筑的結(jié)構(gòu)分布，在不影響地下室和地上建筑使用功能的前提下布置新增的支點(diǎn)，對于大跨度連續(xù)梁，該方法能有效地降低梁跨中彎矩。體外預(yù)應(yīng)力綜合加固法的關(guān)鍵在于兩端體外鋼索的錨固，需計(jì)算錨固位置的受剪性能，避開鋼筋密集部位，同時體外預(yù)應(yīng)力的施工技術(shù)要求高，需定期維護(hù)。

表2 各類加固方案對比表