舊商務大廈的結(jié)構(gòu)加固設計

［摘要］文章通過對某商務大廈的加層改造計算分析，確定了加固設計方案，同時著重介紹增大截面加固法和粘貼纖維復合材加固法在工程實例中的應用。

［關(guān)鍵詞］基礎筏板；框架柱；碳纖維；加固設計

［作者簡介］王瑜軍，廣西城鄉(xiāng)規(guī)劃設計院工程師，廣西南寧，530022

［中圖分類號］ TU973+.2［文獻標識碼］ A［文章編號］ 1007-7723（2008）09-0139-0003

一、前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前使用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式，尤其是在民用中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所占比重大。一些原有建筑物因為要滿足新的使用要求，需要改變用途或進行加層。在這種情況下，鑒于土建投資大及各種原因，往往不會因此而拆除重建，而是對原有建筑物進行加固或改造，以達到安全使用的目的。

混凝土結(jié)構(gòu)的加固分為直接加固與間接加固兩類。直接加固的一般方法有：增大截面加固法、置換混凝土加固法、外粘型鋼加固法、外貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材加固法、繞絲法、錨栓錨固法等。間接加固的一般方法有：外加預應力加固法、增設支點加固法等。本文著重介紹增大截面加固法和粘貼纖維復合材加固法在工程實例中的應用。

二、工程概況

工程涉及到的舊建筑位于廣西東興市的一個商業(yè)區(qū)，已投入使用10余年。原建筑為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，建筑物地上12層，地下1層，建筑高度40.7m，建筑面積10285m2，6度抗震設防，建筑場地類別Ⅱ類，設計使用年限為50年。梁、板、柱混凝土強度等級為C25~C30，框架梁、柱截面主要尺寸分別為250X400~300X700、500X500~700X700。采用大直徑人工挖孔樁基，局部采用樁筏基礎。此建筑物作為賓館使用，現(xiàn)建設單位要求改造成一幢集辦公會議、餐飲、住宿多功能于一體、設施齊全的綜合性賓館大樓，在現(xiàn)有的基礎上增加2層，作為寫字樓用，并改變外立面的裝修。

三、工程的加固設計

在改造加固設計中，為了保證結(jié)構(gòu)安全，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力，同時又盡量縮短工期，節(jié)約投資，在對原結(jié)構(gòu)進行抗震核算的基礎上，進行了加層改造的多方案計算分析比較，對部分不滿足設計要求的基礎、柱、梁進行加固處理。以下分別介紹基礎、柱、梁不同加固設計方法的應用。

（一）基礎筏板的加固

1.加固計算

原基礎筏板筏板厚800mm，混凝土強度為C30，角樁ZH1對筏板的沖切承載力依據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007-2002給出的下列公式驗算：

Nι?芨[β1x（c2+a1y/2）+β1y（c1+a1x/2）] βhpfth0

β1x =0.56/(λ1x+0.2)

β1y =0.56/(λ1y+0.2)

式中，Nι——扣除承臺和其上填土自重后的角樁樁頂相應于荷載效應基本組合時的豎向力設計值；β1x、β1y ——角樁沖切系數(shù)；α1x、α1y——從承臺底角樁內(nèi)邊緣引45°沖切線與承臺頂面或承臺變階處相交點至角樁內(nèi)邊緣的水平距離； h0——承臺外邊緣的有效高度；λ1x、λ1y——角樁沖跨比，λ1x= a1x/h0，λ1y= a1y /h0，其值均應滿足0.20～1.0的要求； C1、C2——從角樁內(nèi)邊緣至承臺外邊緣的距離。對于圓樁，計算時應將截面換算成方樁，即換算樁截面邊寬bp=0.8d。

本例中Nι=2248KN，經(jīng)計算校核，原基礎筏板的沖切承載力不足，需進行加固處理。根據(jù)分析，確定基礎加固的方法為增厚原筏板，使樁對筏板的沖切承載力滿足要求。

2.加固設計

基礎筏板由原來的800mm增加為1200mm厚，新增部分的混凝土強度等級為C35。根據(jù)上述的公式，對加固后的基礎進行抗沖切驗算。計算中考慮到加固部分作用的滯后，以及加固部分與原結(jié)構(gòu)的協(xié)用工作程度，新增加的截面混凝土和鋼筋強度設計值按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB50367-2006）要求折減，即乘以0.9的折減系數(shù)。經(jīng)計算，加固后筏板的抗沖切承載力為2365KN>Nι=2248KN，所以基礎加固滿足要求?；A筏板加固示意圖如圖1所示。

3.構(gòu)造措施

（1）在原基礎筏板面植短筋錨入原筏板內(nèi)150，短筋大樣如圖2所示。梅花形布置，原筏板舊砼面鑿毛并刷界面劑， 使新舊混凝土形成一個整體。

（2） 板縱筋遇原剪力墻處鉆孔必須小心操作，鉆好一個孔并植筋后， 才能在另一區(qū)域鉆孔植筋，不得在同一區(qū)域集中鉆孔，必須分區(qū)域分散鉆孔。

（3）為了加強新舊混凝土表面的結(jié)合，基礎新舊混凝土交接處舊砼面鑿毛。

（二）框架柱的加固

原框架柱采用粘貼碳纖維復合材料的方法加固。增強纖維材料加固混凝土結(jié)構(gòu)是一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法。它是利用樹脂類粘結(jié)材料將高強纖維織物粘結(jié)于混凝土表面，從而達到結(jié)構(gòu)構(gòu)件補強加固的目的。它可以代替鋼筋應用于混凝土的抗彎、抗剪加固，直接有效地提高其承載能力；通過用碳纖維布環(huán)向裹筋（環(huán)箍），約束了核心部位內(nèi)混凝土的橫向變形，從而間接提高了混凝土的強度和延性，而將其應用于框架節(jié)點和受壓柱的承載力加固及提高結(jié)構(gòu)抗震的延性和耗能能力。下面結(jié)合工程實例對碳纖維復合材料加固法進行介紹。

1.柱承載力不滿足設計要求

（1）加固計算公式

依據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50367-2006），當長細比l/b≤14、截面高寬比h/b≤1.5、截面高度h≤600mm，且截面棱角經(jīng)過圓化打磨的正方形或矩形截面軸心受壓柱，采用環(huán)向圍束法加固時，其正截面承載力按下列公式計算：

Nu=0.9[(fc0+4δ1)Acor+f′y0A′s0]

δ1=0.5βckcpfEfεfe

ke=1－[(b－2r)2+(h－2r)2/3A cor(1－ps)]

pf=2nftf（b+h）/Acor

式中， N——軸向壓力設計值；fco——原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強度設計值；δ1——有效約束應力；Acor——環(huán)向圍束內(nèi)混凝土面積:Acor=bh－（4－π）r2 ；b——矩形截面寬度；h——矩形截面高度；r——截面棱角的圓化半徑（倒角半徑）；βc——混凝土強度影響系數(shù)；當混凝土強度等級不大于C50時，取 1.0；其間按線性內(nèi)插法確定。kc——環(huán)向圍束的有效約束系數(shù)；pf——環(huán)向圍束體積比；Ef——纖維復合材的彈性模量；εfe——纖維復合材的有效拉應變設計值；重要構(gòu)件取0.0035；一般構(gòu)件取0.0045。ps——柱中縱向鋼筋的配筋率；nf和tf——纖維復合材的層數(shù)及每層厚度。

（2）加固設計

工程中某一軸心受壓框架中柱，截面尺寸600mm×600mm，柱計算長度l0=4.5，原柱混凝土強度為C30，fc=14.3N/mm2，原截面配筋A′s=3293mm2（4φ20+8φ16），f′y=300N/mm2，原軸力設計值為4582kN， 加層后軸力設計值N為5810kN。

1）原結(jié)構(gòu)柱承載力核算：

l0/b=4500/600=7.5查表穩(wěn)定系數(shù)φ=1，

NU=0.9φ（fcAc+f′yA′s）=0.9×（14.3×6002+300×3293）=5522kN，NU＜N需要進行加固。

2）驗算柱子長細比和截面尺寸：

l0/b=4500/600=7.5＜14且h=b=600mm，h/b=1.0＜1.5，符合采用圍束加固柱的尺寸適用范圍。

3）計算相關(guān)參數(shù)：

施工時設計棱角圓化半徑為30mm，選用高強I級300g/m2型CFRP圍束，Ef =2.3×105 MPa，按構(gòu)造要求，對矩形截面其層數(shù)不應少于3層，設CFRP圍束為3層nf=3.0，tf=0.167mm；Acor=6002－（4－π）X302=359227mm2

pf=2×3×0.167×1200/359227=0.0033

ps= 3293/360000=0.0091

kc=1－[(600－2×30)2+(600－2×30)2/3×359227(1－0.0091)]=0.454

δ1=0.5×1×0.454×0.0033×2.3×105×0.0035=0.605N/mm2

Nu= 0.9[(14.3+4×0.605)]×359227+3293×300=6295kN＞N=5810kN，滿足設計要求，采取粘貼CFRP圍束加固后的柱，比原柱提高承載力δ=（6295－5522）/5522=14%，原柱軸壓比λ=N/fcA=4582×103/14.3×6002=0.89。如果原柱經(jīng)過以上加固處理是為了改善柱子的延性，降低軸壓比，則：λ=N/（fc+4δ1）Acor=4582×103/（14.3+4×0.605）×359227=0.76，軸壓比降低0.13。

以上計算結(jié)果說明采用碳纖維圍束的方法，也可以用來改善柱子的延性，降低軸壓比。

（3）構(gòu)造措施

1）被粘貼混凝土表面應打磨平整，除去表面浮漿、油污等雜物，直至完全露出混凝土結(jié)構(gòu)新面。

2）混凝土表面應清理干凈并保持干燥。

3）轉(zhuǎn)角粘貼處要進行導角處理并打磨成圓弧狀，圓化半徑不得小于25mm。

4）碳纖維圍束上下層之間的搭接長度不應小于50mm，纖維織物環(huán)向截斷點的延伸長度不應小于200mm，且各條帶搭接位置應相互錯開。

2.原框架柱箍筋不滿足要求

此情況下采用封閉式粘貼碳纖維布的加固方法。本例中采用的碳纖維布性能參數(shù)如下：抗拉強度標準值≥3400MPa，受拉彈性模量≥2.3×105 MPa，拉伸斷裂伸長率≥1.7%，碳纖維布厚 0.167mm。粘結(jié)劑性能參數(shù)如下：抗拉強度≥30MPa，抗壓強度≥70MPa，抗剪強度標準值≥10MPa。粘貼碳纖維布加固的柱，其抗剪可按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》（GB 50367-2006）中式（9.5.2-1）～(9.5.2-3)計算，同時必須滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》對柱端箍筋加密區(qū)的體積配箍率的要求。經(jīng)計算，用于加固柱抗剪的碳纖維布的各參數(shù)計算結(jié)果如下：ncf=2，wcf=120mm，scf=50~180mm。其中ncf為碳纖維片材條帶的粘貼層數(shù)，wcf為碳纖維片材條帶的寬度，scf為碳纖維片材條帶的凈間距。

（三）混凝土梁的加固

工程中需要加固的梁原配筋與設計要求相差較大，不適合采用碳纖維加固法，因此根據(jù)實際情況，采用加大截面法加固梁。加固梁大樣如圖3所示。此時設計中應注意：因新加的受拉鋼筋不能完全發(fā)揮其抗拉性能，故其強度應予以折減，折減系數(shù)為0.9。因在梁面上新增加梁端負筋較困難，如果增大梁的截面后出現(xiàn)梁端所配負筋還沒滿足設計要求、但梁跨中所配正筋已滿足設計要求的情況，則運用梁內(nèi)力塑性重分布的原理，適當加大梁跨中新增的縱筋面積。

（四）其他考慮

在對已有建筑進行加固時，在新增鋼筋植入原結(jié)構(gòu)時，常會遇到舊有鋼筋而植不進去，或植入長度不能滿足規(guī)范要求的情況。如果在舊有鋼筋少的地方還可以用改變植入位置的方法來解決。但在舊有鋼筋密集的地方（如梁柱交會點）就很難解決滿足鋼筋的植入長度這一問題。所以在加固設計時，應盡量選用小直徑鋼筋，這樣既對混凝土的澆注有利，又能減小鋼筋的實際植入長度。

四、結(jié)語

在結(jié)構(gòu)改造工程中，具體如何加固，達到什么標準，應在目前的經(jīng)濟及技術(shù)條件下，經(jīng)過認真的計算分析，根據(jù)實際情況采用合理的加固方法，可以在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下節(jié)省投資，提高效益。纖維復合材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)作為一種新型的結(jié)構(gòu)加固方法，具有很大的研究推廣價值和巨大的經(jīng)濟社會效益，隨著研究工作的不斷深入，這種材料必將得到廣泛的應用。

［參考文獻］

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［3］左成平，左明漢.混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)加固設計與算例［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.