某商場板柱結(jié)構(gòu)建筑改造的結(jié)構(gòu)設(shè)計

熊仁階

摘 要：從板柱結(jié)構(gòu)房屋改造抗震加固實際工程遇到的問題出發(fā)，對板柱結(jié)構(gòu)房屋改造的抗震加固進行探討，提出解決方法，為今后設(shè)計人員解決類似問題提供參考素材。

關(guān)鍵詞：板柱結(jié)構(gòu) 板柱-剪力墻結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)改造 抗震加固

中圖分類號：TU753.8 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）007-006-02

1 工程概況

湖北省荊州市某大型商場為三層板柱結(jié)構(gòu)房屋，建于1982年。該建筑柱網(wǎng)8m？m，層高6m，基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁型為預(yù)制方樁，樁承臺之間無基礎(chǔ)連梁。2010年底，因發(fā)展需要，業(yè)主擬將該建筑加至五層，并進行相應(yīng)的加固處理。檢測單位提供的檢測鑒定結(jié)果顯示，該建筑主體結(jié)構(gòu)混凝土強度基本達到C20以上，有條件進行加層改造。受業(yè)主委托，我們對其進行加層改造加固設(shè)計。

2 抗震結(jié)構(gòu)類型

該建筑加層以后，房屋高度超過24m，適用于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定。經(jīng)對規(guī)范仔細研究，鋼筋混凝土房屋的結(jié)構(gòu)類型，均不包括板柱結(jié)構(gòu)，說明板柱結(jié)構(gòu)由于自身抗震缺陷，已被現(xiàn)行規(guī)范排除在適用的抗震結(jié)構(gòu)之外。板柱結(jié)構(gòu)不適合作為建筑抗震結(jié)構(gòu)類型，抗震結(jié)構(gòu)類型成為我們遇到的第一個需要解決的問題。

由于該房屋作為商場使用，需要比較規(guī)則且較大的空間，限制了豎向構(gòu)件的位置和數(shù)量?；谝?guī)范規(guī)定和建筑功能限制，我們挑選出了兩個可行的抗震結(jié)構(gòu)類型方案：框架結(jié)構(gòu)和板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)對兩個方案進行比較：（1）將板柱結(jié)構(gòu)改造為這兩種結(jié)構(gòu)都是可以實施的；（2）框架結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)簡單，板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)類型的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；（3）框架結(jié)構(gòu)需要增加大量框架梁。如果梁設(shè)置在樓層，則施工時柱帽會受到較大的破壞，如果要保護柱帽，則梁只能設(shè)置在層間。板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)只需要增加部分剪力墻，施工時僅對少數(shù)柱帽節(jié)點造成破壞；（4）板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)需要增加剪力墻間連梁；連梁部分端部縱筋需要采用植筋錨固?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的框架梁縱筋全部需要采用植筋錨固；（5）板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)新增的剪力墻豎向鋼筋在樓層處能夠貫通。

經(jīng)過綜合比較和專家論證，我們最終選擇了板柱-剪力墻結(jié)構(gòu)類型方案。

3 基礎(chǔ)加固方案

3.1 樁型選擇

該建筑原樁基礎(chǔ)的樁型為預(yù)制方樁，根據(jù)新老樁型宜相同的選擇原則，加固樁型仍然選擇預(yù)制樁為宜。由于建筑室內(nèi)一層層高和柱網(wǎng)的限制，無法采用大型設(shè)備進行沉樁施工。經(jīng)對地勘報告進行詳細分析，場地持力土層層頂埋深約為15m，持力層以上各層土的壓縮模量均在10MPa以下，多在5～6MPa，小型壓樁設(shè)備可以使樁穿透這些土層；同時我們按250？50方樁估算樁側(cè)阻力，單樁側(cè)阻力特征值約240kN。據(jù)此，我們選擇了錨桿靜壓樁作為基礎(chǔ)加固樁型，樁尖持力層與原預(yù)制樁持力層相同，單樁承載力特征值取300kN，最大壓樁力要求大于600kN，采用樁長和壓樁力雙控進行壓樁施工。考慮到樁長較長，設(shè)計要求采用焊接接樁確保接樁質(zhì)量。

3.2 基礎(chǔ)傳力

確定樁型后，需要確保上部結(jié)構(gòu)增加的荷載能夠有效的傳遞到新的靜壓樁上去，以保證基礎(chǔ)加固的成功。通常有兩種做法來處理基礎(chǔ)傳力：（1）將增加的樁布置在原樁承臺周圍，原樁承臺加大加厚，這樣上部荷載通過柱傳遞到承臺，再傳遞到新老樁上；（2）將增加的樁布置在承臺周圍，采用包柱式承臺將柱荷載傳遞到新樁上。本工程中，原基礎(chǔ)采用樁承臺，但沒有基礎(chǔ)連梁。我們考慮到：如果把樁承臺加大加厚，不外乎向上加厚和向下加厚，則要么向上加厚時承臺底部鋼筋不能通長，只能采用植筋或焊接接長底部鋼筋，所有接頭均在同一截面；要么向下加厚保證承臺底部鋼筋通長，但把承臺底部挖空施工難度極大，且難以保證施工質(zhì)量和安全。結(jié)合原基礎(chǔ)樁承臺之間無基礎(chǔ)連梁、基礎(chǔ)整體性較差、加固設(shè)計考慮增加基礎(chǔ)連梁的情況，我們決定將樁布置于新增基礎(chǔ)梁下，基礎(chǔ)梁縱橫全部拉通，形成類似于無板的樁筏基礎(chǔ)?；A(chǔ)梁受彎剪較大，采用了800mm？00mm的大截面尺寸，設(shè)計的基礎(chǔ)梁底標高與原承臺面相同，如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)梁與柱及承臺連接

這樣處理有如下好處：（1）新增樁位置易于布置，可以保證與原樁之間的樁間距；（2）新基礎(chǔ)梁寬度比加大截面后的柱大，梁縱筋大部分可以通過柱側(cè)，中間少量縱筋可植入柱中，新增柱縱筋可以錨固在基礎(chǔ)梁內(nèi)；（3）新基礎(chǔ)梁可以完全包裹柱根，傳力合理有保證；（4）基礎(chǔ)梁底與原承臺連接面鑿毛植筋連接，新老基礎(chǔ)共同作用效果好；（5）新增剪力墻下無需另設(shè)基礎(chǔ)；（6）基礎(chǔ)整體性大大增強。

4 節(jié)點處理

板柱結(jié)構(gòu)房屋改造的另一個難點在于柱帽結(jié)點的處理。柱帽節(jié)點一般面積大，厚度大，剖面邊緣線處于非水平或豎直位置，給改造增加梁或墻的連接增加了難度，之前有關(guān)的加固項目中采用加大截面對柱帽進行加固處理，取得了較好的效果。在本工程中，柱帽的處理主要涉及柱帽與新增墻的連接、柱帽與新增梁的連接、柱帽與上部加層接長柱的連接、以及柱帽本身的加固處理等。下面對本工程處理以上連接或加固的方式進行逐一介紹。

4.1 柱帽與剪力墻連接節(jié)點

根據(jù)結(jié)構(gòu)的平面布置和建模試算，本工程確定新增12處“L”形布置的剪力墻，其轉(zhuǎn)角處為原結(jié)構(gòu)柱。為保證盡可能多的剪力墻縱向鋼筋的上下貫通，設(shè)計采取了如下措施：（1）將剪力墻截面范圍內(nèi)原樓板的混凝土鑿除，鋼筋保留，方便樓板范圍內(nèi)剪力墻鋼筋貫通施工；（2）由于柱帽分為兩節(jié)，上節(jié)厚度較小，平面尺寸大，下節(jié)厚度較大，而平面尺寸小。設(shè)計中綜合考慮結(jié)構(gòu)安全和施工方便，要求對柱帽上節(jié)部分按板處理，鑿除剪力墻截面范圍內(nèi)混凝土，保留鋼筋，下節(jié)則視為柱的一部分，不得破壞。這樣做，保證了絕大部分剪力墻縱向鋼筋的一下貫通，柱帽下節(jié)范圍內(nèi)剪力墻縱向鋼筋不能貫通，但數(shù)量較少。同時，對于鑿除了兩個方向部分上節(jié)混凝土的柱帽，又可以通過合理的支撐，確保結(jié)構(gòu)安全。柱帽與剪力墻連接處理如圖2所示。

圖2 剪力墻、連梁與柱帽連接節(jié)點

剪力墻水平鋼筋均采用植筋錨入柱內(nèi)，柱則采用加大截面進行加固，便于處理轉(zhuǎn)角處邊緣構(gòu)件鋼筋。

4.2 柱帽與梁連接節(jié)點

本工程新增梁主要為將剪力墻縱橫拉通的連梁，該連梁平時除自重外基本不承擔(dān)任何荷載，在地震時則主要承受剪力。根據(jù)其受力特點，經(jīng)專家論證，為方便施工和保證新老連接的加固效果，連梁設(shè)置在樓面以下，高度位于柱帽下節(jié)范圍內(nèi)。這樣做的目的，是為了既方便施工，不致因連梁設(shè)置在樓面，將樓板和柱帽大面積鑿除混凝土而損壞，又使連梁與柱帽連接面的傾斜不大，可靠傳遞剪力。

為了保證梁在柱帽處的錨固，設(shè)計將梁的縱筋植入柱帽，同時在梁截面中間無縱筋的空白處，增加了6根直徑18mm的抗剪短鋼筋，也采用植筋錨入柱帽內(nèi)，如圖2所示。特別的，所有有梁相連的柱帽，其下節(jié)還采用加大截面進行加固處理，進一步加強連接錨固效果。柱帽下節(jié)加大截面的鋼筋，環(huán)向箍筋要求封閉，傾斜的縱向鋼筋錨入柱加大截面混凝土內(nèi)，另設(shè)置梅花形布置的植筋拉筋，保證新老混凝土的結(jié)合。

4.3 柱帽與上柱連接節(jié)點

加層結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)除剪力墻可保證縱向鋼筋貫通外，柱縱筋基本上都無法貫通，只能依靠植筋等后錨固技術(shù)將加層柱縱向鋼筋錨入原柱帽內(nèi)。為增強連接效果，設(shè)計上采取了三個措施：（1）研究表明，鋼筋植筋的極限拉拔力隨鋼筋直徑的增大呈線性增長趨勢，說明多根小直徑鋼筋比同樣截面積的大直徑鋼筋植筋的極限拉拔力要大。因此設(shè)計要求在嚴格控制柱縱向鋼筋植筋深度、質(zhì)量和保證植筋間距的前提下，多采用直徑16～18mm的鋼筋而不采用直徑20～25mm的鋼筋，保證植筋效果；（2）要求對新老混凝土接觸面進行鑿毛處理，在澆筑混凝土前按要求涂刷界面劑，增強混凝土結(jié)合，同時在柱截面中間空白處，增加6根直徑18mm的抗剪鋼筋；（3）在柱下部加密箍高度范圍內(nèi)，設(shè)置鋼板方筒（兼作模板），方筒鋼板上按拉筋位置鉆孔，拉筋穿孔塞焊，筒底外圍設(shè)置鋼板底座，采用錨栓錨固在柱帽上，如圖3所示。

圖3 加層柱與柱帽連接節(jié)點

4.4 柱帽加固

由于該建筑使用已30年，為保證安全，設(shè)計決定對柱帽進行加固。所有柱帽上節(jié)，均采用6mm鋼板包裹，設(shè)置梅花形布置的錨栓，鋼板與混凝土接觸面采用包鋼工藝處理，用專用包鋼灌漿料灌實。柱帽下節(jié)則根據(jù)柱的加固情況分為兩種情況，當柱采用加大截面加固或是剪力墻轉(zhuǎn)角時，柱帽下節(jié)也采用加大截面進行加固；如果柱采用包鋼加固時，則柱帽下節(jié)也采用和上節(jié)相同的方式進行加固處理。

5 結(jié)語

該工程于2011年底建成投入使用，目前使用狀況良好，沉降基本穩(wěn)定，無明顯沉降不均引起開裂等現(xiàn)象，得到了業(yè)主的好評，說明該工程的改造加固是合理、有效的。

通過本工程的實踐，展示了板柱結(jié)構(gòu)房屋改造的潛力，為類似工程的改造加固提供了參考實例。

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