框架結構加固設計方案比選

周劍 劉洋 王翊輝

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 西安710065)

引言

隨著我國城鎮(zhèn)化建設的加速及現(xiàn)代化進程的推進,很多老舊建筑雖然遠未達到使用年限,但其性能已不滿足現(xiàn)在的要求,或新建建筑在建造過程中使用功能發(fā)生改變,導致大量建筑加固改造工程出現(xiàn)。

結構加固方法多種多樣,在工程中由于加固方案選擇不當而造成嚴重后果的事例屢見不鮮,根據(jù)工程特點恰當選擇加固方案是工程加固設計的關鍵。

本文結合實際工程案例,進行多種加固方案的對比,并深入剖析每種加固方案的優(yōu)缺點,文章的研究思路及內容可為類似工程提供參考[1,2]。

1 工程概況

本工程位于陜西省西安市,抗震設防烈度8度(0.20g),場地類別II 類,地震分組第二組。建筑高度23.10m,框架結構,地下1 層,地上6層,主要建筑使用功能為辦公樓,效果圖見圖1。建筑平面布置呈“C”字形,并由抗震縫分割成A、B、C 區(qū),如圖2 所示。

圖1 工程效果圖Fig.1 Project renderings

辦公樓主體竣工后,由于辦公面積不滿足使用要求。業(yè)主提出將B 區(qū)四、五層洞口區(qū)域樓板封閉,以增加辦公使用面積。四、五層結構布置如圖3 所示。

封板區(qū)域尺寸16.2m×8.1m,封閉后樓面使用活荷載2.0kN/m2。樓板封閉后,增加的荷載主要傳遞到⑦軸的KL -A上,該框架梁跨度為16.2m,截面尺寸0.4m×1.5m。經計算,實際配筋不能夠滿足封樓板后的使用要求,需要進行框架梁加固。

圖2 A、B、C 分區(qū)示意Fig.2 Schematic diagram of A,B and C

圖3 B 區(qū)四、五層樓板結構布置示意Fig.3 Structure arrangement of four or five floor in B zone

工程先后考慮了增大截面法、整體桁架加固法和外包型鋼加固法進行加固設計,通過方案比選,最終選用了外包型鋼加固法進行施工。

為了結合工程特點,對比各加固方法的優(yōu)缺點,文章選取需要加固的KL -A 的跨中截面進行闡述,同時,假定四、五層KL - A 實配鋼筋與所需新增面積相同。

2 增大截面加固法

增大截面加固法簡稱增大截面法,是指增大原構件的截面面積并增加配筋,以提高其承載力和剛度,適用于鋼筋混凝土受彎和受壓構件的加固。

2.1 方案設計

封板區(qū)域采用鋼筋桁架樓承板以減少結構自重,鋼次梁布置如圖4 所示,鋼次梁與原混凝土框架梁采用鉸接連接。如何保證⑦軸KL -A 受力合理、安全可靠是研究的重點。

KL-A 原設計條件: 截面尺寸b=400mm,h=1500mm,梁上翻0.6m,混凝土強度等級C30,鋼筋級別HRB400,跨中主筋425(頂部)/625(底部),箍筋8@100/200(4)。

封樓板后經計算: KL-A 跨中最大彎矩標準值增至1477kN·m(設計值1885kN·m),在框架梁截面尺寸不改變的前提下,跨中梁底總共需要配置1025 4/6。

圖4 四、五層封樓板鋼次梁布置示意Fig.4 Four and five layers of floor steel beam layout

封樓板前,框架梁跨中正截面受彎承載力M01計算過程如下:

封樓板后,框架梁跨中正截面受彎承載力M02計算過程如下:

正截面受彎承載力提高幅度為:

式中:h0為框架梁截面有效高度;x為框架梁混凝土受壓區(qū)高度;As為縱向受拉鋼筋面積;fy為縱向鋼筋屈服強度;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值;M0為跨中正截面受彎承載力。

根據(jù)規(guī)范[3],正截面承載力提高幅度超過40%,不應采用粘貼鋼材加固法和粘貼纖維復合材加固法。因此選用可以同時增大截面尺寸及配筋的增大截面加固法進行框架梁加固。

圖5 增大截面法加固Fig.5 Enlarged section method for reinforcement

框架梁KL-A 截面由400mm×1500mm 增大至600mm×1500mm,用YJK 計算軟件進行整體計算,KL-A 頂、底縱筋需分別增加525,增大截面法KL-A 加固詳圖如圖5 所示(圖中d為新增箍筋直徑)。

2.2 方案剖析

由于原混凝土收縮已經完成,后澆混凝土凝固收縮時易造成界面開裂,新舊混凝土是否良好結合、協(xié)同工作是增大截面法施工控制的要點[2]。

KL - A 截面高度h=1500mm,跨度L=16.2m,高度和跨度分別是常規(guī)框架梁的2 倍,現(xiàn)場濕作業(yè)量大,這就給施工提出了更高的要求,若現(xiàn)場養(yǎng)護不到位,更容易在新舊混凝土的結合處產生開裂,或在內部的界面產生開裂,造成安全隱患[4]。同時,類似項目加固經驗較少,基于此原因,增大截面法不作為該加固工程的首選方案。

3 整體桁架加固法

為減少現(xiàn)場濕作業(yè),加固思路從加固構件轉為改變局部結構體系以達到加固目的。

3.1 方案設計

加固方案進行了專家咨詢,根據(jù)專家提出的建議,四、五層框架梁之間可以通過設置鋼腹桿,使兩層梁之間形成整體桁架,通過局部改變受力體系的方法解決KL -A 承載力不足的問題。隨后,進行了整體桁架加固方案的設計,鋼腹桿布置方案如圖6 所示。

圖6 桁架詳圖Fig.6 Detail view of truss

采用桁架模型(以下稱為模型-2)進行整體計算,經復核,四、五層KL - A 實配鋼筋滿足計算要求,不必再對KL -A 進行加固,而且其余框架梁、柱的實配鋼筋也均能滿足模型-2 的計算要求,但桁架模型對整體指標影響較大,采用YJK 計算軟件對模型-2 和原始未封樓板的模型-1 進行計算對比,對比結果如表1 所示。

表1 周期及振型對比結果Tab.1 Periodic and vibration comparison results

從表1 中可以看出,由于四、五層之間設置鋼斜桿,F ～J 軸之間框架梁形成了整體桁架,改變了原結構桁架面內所在方向(即Y方向)的空間剛度,造成了第2 振型成為扭轉振型,但這并未違反規(guī)范[5]要求,且第一扭轉周期與第一平動周期的比值為0.83 ＜0.90,位移比最大值為1.12＜1.20,其余參數(shù)均影響較小。

整體桁架方案雖然改變了結構的局部剛度,但整體計算指標仍可滿足規(guī)范規(guī)定。

3.2 方案剖析

根據(jù)計算結果,鋼腹桿選用2L160×10 即可滿足計算要求,見圖6。弦桿KL-A 及腹桿截面特性見表2。

表2 弦桿及腹桿截面特性Tab.2 Chord and web section characteristics

桁架腹桿長細比是弦桿的11.84 倍,構件剛度相差過大,存在嚴重的尺寸效應問題,且節(jié)點處存在剪切滯后現(xiàn)象,無法保證桿件協(xié)同工作。若將鋼腹桿換成截面尺寸較大的H 型鋼或圓鋼管,四、五層凈高只有2.25m,會造成節(jié)點過大且難以實施。

因此,桁架方案也不作為加固的首選方案。同時體外預應力體系由于錨具突出于樓梯間內,影響美觀及正常使用,該方案也被業(yè)主否定。

4 外包型鋼加固法

加固方法最終選擇外包型鋼加固法,加固材料采用外包角鋼加綴板,與混凝土框架梁形成外包角鋼-混凝土組合梁。研究結果[6,7]表明,組合梁在受力過程中抗彎承載力高、延性好,角鋼與混凝土的協(xié)同工作性能良好。

4.1 方案設計

計算內力取自封樓板后YJK 軟件整體計算結果,計算方法按格構梁計算。角鋼組合格構式截面為4L140×12,綴材尺寸-100mm×5mm,間距為400mm,鋼材等級Q345B。設計內力: 跨中彎矩設計值Mx=1885kN·m。單根角鋼及格構梁截面特性見表3。

表3 角鋼及格構梁截面特性Tab.3 Section characteristics of Angle steel and framed beam

按照規(guī)范[8]對格構梁進行受彎構件強度、整體穩(wěn)定驗算,簡要計算過程如下:

受彎構件強度驗算按照式(5):

式中:Mx為同一截面處對X軸的彎矩設計值(N·mm);Wnx為構件的凈截面模量(mm4);γx為截面塑性發(fā)展系數(shù),取1.0。

整體穩(wěn)定性驗算按照式(6):

式中:φb為梁的整體穩(wěn)定性系數(shù);Wx為構件的全截面模量(mm4)。

其中,平面內計算長度16.2m,平面內長細比λx=22.74,分肢對最小剛度軸長細比λ1=10.26 ＜25(不用計算分肢穩(wěn)定性),平面內換算長細比λox=24.95,整體穩(wěn)定系數(shù)φb=0.95。代入數(shù)據(jù)得整體穩(wěn)定驗算最大應力為310N/mm2,構件整體穩(wěn)定驗算滿足設計要求,框架梁外包型鋼加固節(jié)點作法見圖7。

圖7 框架梁外包鋼節(jié)點Fig.7 Frame girder steel node

4.2 方案剖析

粘鋼加固法(又稱為濕式外包鋼加固法),采用結構膠作為膠粘劑,將型鋼粘結在混凝土構件上。但由于目前對粘鋼結構膠試驗尚不夠系統(tǒng)全面,且結構膠存在耐久性及耐火性問題,采用粘鋼加固法會影響到構件及結構的使用年限。

而外包型鋼加固法(又稱為干式外包鋼加固法),混凝土構件與型鋼之間的縫隙采用水泥砂漿填填塞,外包型鋼與混凝土構件彼此單獨受力,受力概念清晰、明確。同時,外包型鋼加固法可以在不顯著增加截面尺寸的條件下大幅度提高其承載能力,增大延性和剛度,且受力可靠、施工簡便,現(xiàn)場工作量少[9]。

最終選擇外包型鋼加固法作為該工程的加固方案,并根據(jù)專家意見,在綴板端部設置M8 錨栓(圖7),以防止綴板的面外失穩(wěn)和改善構件的整體性能。

4.3 施工工藝及要點

加固施工工藝如下: 表面清理→表面打磨→放線→鋼材表面清理→組裝焊接→用修補膠埋設灌漿嘴并封邊→配制I 類水泥基灌漿料→壓力灌漿→檢驗→表面防護。

鑒于加固工藝的復雜性,施工隊伍必須是專業(yè)的加固施工隊伍,加固施工前應編制詳細的施工組織并進行詳細的技術交底,施工過程中各工序應連續(xù)進行,嚴格遵照操作流程,并且質檢員應對全過程相關工序進行檢查。

施工技術要點: I 類水泥基灌漿料應嚴格按說明書提供的配比配制,攪拌均勻后方可使用。一次配制量不宜過多,以40min ～50min 用完為宜。

綴板與角鋼搭接部位需采用三面圍焊,焊腳尺寸4mm,焊縫應均勻,無虛焊、漏焊。為避免局部過熱,綴板應分段施焊[10]。

5 結語

結合工程特點,對增大截面加固方案、桁架加固方案及外包型鋼加固方案進行了方案比選,最終選擇了外包型鋼加固方案,該方案既可以很好地滿足業(yè)主提出的安全性、耐久性要求,又便于現(xiàn)場施工,控制施工質量,達到了設計合理、安全可靠、業(yè)主滿意的加固效果。結合工程特點,歸納總結如下:

1.增大截面加固法對常規(guī)跨度、截面尺寸的構件加固具有明顯的優(yōu)勢,但對于跨度、截面尺寸較大的構件,由于現(xiàn)場濕作業(yè)量大,質量不宜把控,應慎重選擇。

2.桁架加固法對構件局部剛度影響較大,選用該方法時應首先關注桁架對整體結構性能的影響,在相關規(guī)范允許的條件下,尚應關注截面尺寸效應、剪切滯后等問題。

3.外包型鋼加固法由于不使用結構膠,不會影響結構的使用壽命。對于剛竣工項目的加固,外包型鋼加固法相對于粘鋼加固法具有明顯的優(yōu)勢。且該方法型鋼與被加固構件單獨受力,受力概念清晰,型鋼和被加固構件形成“兩道防線”,結構安全度高。同時,現(xiàn)場施工簡便,質量易于控制。因此,外包型鋼加固法應用于該工程具有明顯的優(yōu)勢。

目前,該工程已完工,在使用過程中未發(fā)現(xiàn)任何質量問題及其他異常。通過工程檢驗證明了采用外包型鋼加固法加固該工程是可行的。該工程加固方案的比選可為同類工程的設計提供很好的借鑒作用。