鋼梁增層加固設計在工程中的應用

呂志爐

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

鋼梁增層加固設計在工程中的應用

呂志爐

（中國瑞林工程技術有限公司，江西南昌 330031）

對某具體工程中混凝土—鋼組合樓蓋進行了驗證計算,并在下一步的加固工作中對不滿足使用要求的構(gòu)件進行了加固方案的比選,最終選用在梁下翼緣貼焊鋼板的加固方式。加固后建筑凈空和使用功能均能滿足使用舒適的要求。

鋼結(jié)構(gòu)；增層加固；混凝土—鋼組合樓蓋；預應力；鋼結(jié)構(gòu)加固

隨著國家城鎮(zhèn)化建設的加快,城市用地日趨緊張,節(jié)約使用土地成為城市建設迫在眉睫的問題。在現(xiàn)實生活中，很多建筑在設計和建設時由于資金和時間的限制，建成后的使用功能和建筑面積無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的物質(zhì)文化需要,因此這些建筑急需擴大使用面積,增加使用功能。針對這種情況,若將原有建筑推倒重建會造成國家資源的大量浪費[1],而在原有建筑物上增加面積,只能通過擴建或者加層實現(xiàn)[2]。加層可節(jié)省土地資源,而且程序簡單快捷,設計施工周期短，是一種既滿足改造需要,又能減少不必要的資源浪費的改造方式。

海南某辦公大樓,根據(jù)業(yè)主要求需增加辦公使用面積。原設計單位考慮到該建筑第5層層高較高,故采用了增加夾層的方式[3]。但由于設計、施工和材料等原因,增層后出現(xiàn)了一些隱患,專家評審后認為,急需對原建筑重新進行綜合分析,以確定下一步工作。筆者結(jié)合原設計圖紙和現(xiàn)場實際施工情況進行了計算分析，針對增層后出現(xiàn)的情況和存在的問題,提出了更合理的加固改造方案。

1 對原方案的驗算分析

該辦公大樓主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。該工程2009年完成設計,2013年竣工。主體結(jié)構(gòu)為5層,局部6層,底層層高為5.7 m,第5層層高為6.6 m,頂層層高為5.8 m，其余各層層高為3.6 m。后增加的夾層在第5層,作為辦公用房。夾層所有鋼材均采用Q235B,樓面板采用壓型鋼板組合樓面(混凝土C30)。

該工程基本條件如下。1)恒荷載：樓面板自重2.35 kN/m2(含壓型鋼板),面層重2.0 kN/m2,墻重2.2 kN/m2(加氣混凝土砌塊);2)活荷載：樓面2.0 kN/m2；3)風荷載：0.75 kN/m2(50年一遇),地面粗糙度為B類；4)雪荷載：不考慮。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,抗震設防類別為丙類,抗震設防烈度為8度,設計地震分組為第一組,設計基本地震加速度值為0.2 g，場地土類別為Ⅱ類，特征周期為0.35 s,阻尼比為0.05。

考慮混凝土板的影響,現(xiàn)按組合鋼梁驗算。為安全起見,混凝土板有效寬度計算按be=b0+b1+b2=200+ 6×59×2=908 mm,取900 mm。鋼梁局部穩(wěn)定驗算,翼緣b1/t=6.8＜9,腹板h0/tw=46.9＜72-100N/Af≈72,滿足要求,可按塑性設計。通過PKPM軟件整體計算,梁柱剛接時,梁最大負彎矩設計值M’=-376 kN·m;梁柱鉸接時,梁最大正彎矩設計值M=557 kN·m,最大剪力設計值Q=226 kN。通過對連接件焊釘計算,組合樓蓋滿足完全抗剪連接要求。經(jīng)驗算可知,組合鋼梁正應力和剪應力均能滿足規(guī)范要求。按梁柱節(jié)點鉸接考慮,鋼梁發(fā)生的最大撓度為荷載標準組合,ξ= η[0.4-3/(jl)2]=0.176,B=EIeq/(1+ξ),feq=33.6 mm；荷載準永久組合ξι=ηι[0.4-3/(jl)2]=0.118，Bι=EIιeq/(1+ξι)，fιeq= 32.7 mm；取大值mm,不滿足規(guī)范要求。夾層平面見圖1，梁板連接件見圖2。

圖1 夾層平面

圖2 梁板連接

由PKPM軟件整體計算可知,增加夾層后,對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體以及地基基礎均沒有影響。但為安全起見,本次加固對節(jié)點處做構(gòu)造加強處理,節(jié)點處柱四面粘貼鋼板,粘貼鋼板范圍沿柱高節(jié)點處上下各500 mm,鋼板厚16 mm。

經(jīng)過復核驗算發(fā)現(xiàn),鋼梁強度能滿足要求,原設計方案較合理。但現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)夾層梁柱連接節(jié)點未按設計圖紙施工，有些節(jié)點很難滿足梁柱剛接節(jié)點要求，而梁柱節(jié)點鉸接時發(fā)生的撓度為最大，故不能滿足使用要求。故由此可知該項目主要問題是需對鋼梁進行加固處理,以便于建筑物的正常使用。

2 加固改造方案

由于建筑使用功能等原因的限制，梁跨中無法加設支撐等措施以改變計算簡圖,故采用截面補強法或?qū)︿摿菏┘宇A應力以滿足撓度使用要求。筆者提出了2個加固方案進行比較。

2.1 加固方法一

為避免仰焊,便于施工,在保證加固有效性的前提下,本著節(jié)省鋼材的原則,采用卸載方法加固[4],在原鋼梁下翼緣貼焊20 mm厚鋼板(圖3)。

圖3 鋼梁加固截面

鋼梁：AS=14 198 mm,IS=4.98×108mm4。荷載標準組合換算截面(圖4)：Aeq=21 927 mm2,xeq=279 mm，Ieq= 1.242×109mm4,ξ=η[0.4-3/(jl)2]=0.25，B=EIeq/(1+ξ)?？紤]焊接殘余撓度：滿足要求。荷載準永久組合撓度計算略。加固后鋼梁鋼材強度應折減0.9,強度計算也能滿足要求,本文略。

2.2 加固方法二

在梁下翼緣施加預應力[5](圖5)。預應力索采用Φ5高強鋼絲，f3=770 MPa，μ=f×E3/(f3×E)=0.28。由γT2= 1，γT2=1及集中力作用下,用直線插入法，求出A0= 2.04,C=0.36。A=9 398 mm2，Z=225 mm,e=225+150-3=372 mm,hw=422 mm,k=hw/tw=46.9,m=Aw/A=0.4,h2=選用拉索64Φ5,A3=12.56 cm2，l3=εl=5 040 mm，取5 240 mm。預應力最大力度：X=f×A×W2/(W2+h2×A)= 515 kN。下弦與拉索每隔0.9 m設連扳相連,根據(jù)下翼緣穩(wěn)定性,可承受最大預應力為：X=φ×f×A×W2/ (W2+A×e)=408 kN,采用拉力K=400 kN,計入錨頭壓實及徐變損失后,實際張拉力為：Xk=K/0.95+Δa×

圖4 鋼梁加固截面

圖5 預應力加固截面

2.3 兩種方案的比較

單根梁兩種加固方案的比較,見表1。

表1 單根梁兩種加固方案的比較

本工程由于是增加夾層且有大空間使用要求,故凈空受到一定限制。為能滿足使用舒適的要求,故采用方法一進行加固,即在梁下翼緣貼焊鋼板。由于需加固的大梁數(shù)量只有5根,總用鋼量不大,因此費用相差不多,且能多節(jié)省空間。加固后,建筑凈空更能滿足使用舒適要求。

3 結(jié)論

對既有建筑進行增層加固改造不僅充分利用了原有建筑的建筑空間,有效地節(jié)約了土地資源,還節(jié)省了城市配套設施費，免去了拆遷帶來的不便利,以及由此產(chǎn)生的建筑垃圾,簡化了程序,對居民的正常生活影響也小。通過實際工程的分析比較可知,在滿足一定前提條件的情況下,可以在負荷狀態(tài)下加固。因而在鋼結(jié)構(gòu)加固時,應考慮鋼梁的受力存在的問題,結(jié)合施工及使用要求,本著連接可靠、節(jié)省材料和費用的原則,選取有效和適合的加固方法。本工程加固后建筑凈空和使用功能均能滿足使用舒適的要求,經(jīng)濟效益和社會效益良好，是增層改造加固較為成功的案例。

[1]陳智忠.某醫(yī)院住院樓加固設計及相關研究[D].太原:太原理工大學,2011.

[2]張鑫.多層內(nèi)框架房屋室內(nèi)增層設計[J].建筑結(jié)構(gòu),1996(9):36-37.

[3]宋峰.鋼結(jié)構(gòu)躍層加層技術及其工程應用研究[D].北京:清華大學,2004.

[4]丁紹祥.鋼結(jié)構(gòu)加固工程技術手冊[M].武漢:華中科技大學出版社,2008.

[5]陸賜麟,尹思明.劉錫良.現(xiàn)代預應力鋼結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社,2007.

Application of Steel Beam Reinforcing Design for Storey-addition in the Project

LV Zhilu
(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

This paper make verification on combined storey of concrete and steel in a project,and have a comparison and selection on the members that do not meet the requirement at the next reinforcement section,and finally adopt steel plate welded under the beam flange for reinforcement.After reinforcement,both building headroom and function satisfy the requirement of comfortable.

steel structure;reinforcement for storey-addition;combined storey of concrete and steel;prestressing force;steel structure reinforcement

TU746.3

B

1004-4345(2014)03-0040-03

2014-05-13

呂志爐(1966—),男,高級工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設計工作。