某檔案館使用可變荷載增加后梁板柱加固的研究

王 偉 郭獻(xiàn)忠

(1.濮陽城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，河南 濮陽 457000； 2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

某大學(xué)檔案館為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為7 875.43 m2，建筑總高為30.5 m，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為6度，地上6層。檔案館結(jié)構(gòu)封頂后不久，建設(shè)單位要求改變3層，4層的使用用途，原設(shè)計(jì)樓面活荷載為5 kN/m2，用途改變后樓面設(shè)計(jì)活荷載為10 kN/m2。原設(shè)計(jì)單位核算后要求對檔案館進(jìn)行加固后才可使用。同時(shí)建設(shè)單位要求加固工期不超過20 d。

我方基于施工簡單、不影響原內(nèi)部空間分隔、滿足工期、造價(jià)較低、效果美觀的考量，多方法對比后，最終選擇采用鋼圍板加固法、鋼梁加固法、斜撐加固法混合使用的方案。

2 加固鑒定和加固方案的分析

2.1 原設(shè)計(jì)驗(yàn)算

我方運(yùn)用盈建科軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算，當(dāng)樓面活荷載為5 kN/m2，原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求。當(dāng)樓面活荷載由5 kN/m2調(diào)整為10 kN/m2時(shí)，原圖紙?jiān)O(shè)計(jì)不滿足要求，主要問題為：

1)框架梁、柱實(shí)配鋼筋與計(jì)算配筋相差較大；

2)框架柱軸壓比大于規(guī)范要求的0.75，大多數(shù)在0.9；

3)局部樓板承載力不足。

2.2 加固措施

1)首層柱采用外粘粘鋼法加固；

2)在2層，3層部分板塊采用板下增加橫向或縱向型鋼梁(見圖1)；

3)在2層，3層梁柱節(jié)點(diǎn)處采用型鋼短斜撐進(jìn)行加固(見圖2)。

2.3 加固方案分析

經(jīng)盈建科軟件驗(yàn)算,在不改變原有實(shí)配鋼筋情況下，經(jīng)該加固方案加固滿足現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。其中原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力滿足，加固后對抗震的設(shè)計(jì)要求也滿足。

2.3.1 柱加固理論分析

首層柱采用局部結(jié)構(gòu)柱粘鋼加固法。粘鋼技術(shù)是一種比較常見并且利用頻率較高的施工技術(shù)，粘鋼可以起到降低柱軸壓比的功效[1]，原柱與型鋼構(gòu)架共同承擔(dān)荷載進(jìn)行受力。型鋼構(gòu)架與原柱所承受的外力按各自截面剛度比例進(jìn)行分配。柱加固后的總承載力為型鋼構(gòu)架承載力與原柱承載力之和，進(jìn)而提高柱的承載力[2]。該方法在《混凝土加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中有較為詳細(xì)的論述，此處不再贅述。

2.3.2 板加固理論分析

第二、三層部分板塊采用板下增加橫向或縱向鋼梁，鋼梁作為新的支撐點(diǎn)，可以有效的減小板的跨度和板的撓度，改善板荷載的傳遞路徑，進(jìn)而提升板的承載力和穩(wěn)定性。

2.3.3 梁加固理論分析

本次加固方案中，斜撐加固的思路在造價(jià)節(jié)約、提高結(jié)構(gòu)承載力上發(fā)揮了重要的作用。筆者查閱相關(guān)資料時(shí)，也發(fā)現(xiàn)與該加固方法相關(guān)的資料較少。本文現(xiàn)對其著重論述。

1)理論分析。

在2層，3層梁柱節(jié)點(diǎn)處采用型鋼斜撐進(jìn)行加固，理論上可以通過減小梁的計(jì)算跨度，減小柱的有效長度，進(jìn)而達(dá)到提高承載力的目的。同時(shí)，當(dāng)豎向荷載加大時(shí)，采用斜撐加固的方法相比增加梁高加固的方法，更加符合“強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)思路[3]，也可充分發(fā)揮鋼材的材料性能。

2)對局部構(gòu)件受力的分析。

在模型中選取第三層斜撐加固的8軸交E軸的柱及8-9軸交E軸的梁為研究對象，對比斜撐加固前后的力學(xué)指標(biāo)(見表1)。

表1 斜撐加固前后梁、柱的受力分析結(jié)果

3)斜撐穩(wěn)定的分析。

本工程支撐的最長放樣尺寸見圖3。

本工程工字鋼最長邊放樣為1.445 m，而通過壓桿穩(wěn)定中的歐拉公式[4]，查工字鋼表得20a號(hào)工字鋼:Iz=2 370 cm4,Iy=158 cm4[4]。

1 491.4 kN>185.1 kN。

該處型鋼是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足壓桿穩(wěn)定要求的。

3 本方案在實(shí)施過程中的研究

1)在進(jìn)行加固時(shí)應(yīng)盡可能的去除多余荷載，有利于加固效果的實(shí)現(xiàn)。本方案處于建設(shè)期，結(jié)構(gòu)已封頂，不存在較多的附加荷載。

2)在選擇施工用的腳手架時(shí)應(yīng)根據(jù)加固場地和高度合理選擇扣件式鋼管腳架或活動(dòng)架[5]，以達(dá)到安全和節(jié)約成本的目的。

3)粘鋼方法中鋼板與混凝土柱接觸面，應(yīng)打磨平整，結(jié)構(gòu)膠應(yīng)涂刷均勻，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)充分，有益于粘鋼效果的有效發(fā)揮。型鋼構(gòu)架上下端應(yīng)可靠連接、支承牢固。

4)斜撐方法中主要通過斜撐減小梁的計(jì)算跨度并充當(dāng)斜向支撐點(diǎn)達(dá)到分擔(dān)梁的豎向荷載的效果，施工時(shí)應(yīng)注意支撐的節(jié)點(diǎn)板與梁柱應(yīng)緊密結(jié)合。本次工程選擇了化學(xué)螺栓連接和焊接連接的方式，施工中應(yīng)能夠保證焊縫質(zhì)量、準(zhǔn)確定位鉆孔點(diǎn)，化學(xué)螺栓孔內(nèi)應(yīng)清除雜渣和粉塵。

5)混凝土規(guī)范規(guī)定梁的下部縱向鋼筋宜貫穿節(jié)點(diǎn)或支座[6]。斜撐在施工時(shí)可能會(huì)截?cái)嗖糠至褐芰︿摻罨蛘吖拷?。施工時(shí)應(yīng)減少對原有鋼筋的截?cái)唷?/p>

6)本方案主要通過鋼構(gòu)件進(jìn)行加固，施工過程中需均勻涂刷防銹漆，并保證防銹漆的設(shè)計(jì)厚度[7]。

7)本工程中在梁柱節(jié)點(diǎn)處屬于鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)處受力計(jì)算復(fù)雜，對于本方法中適用的結(jié)構(gòu)類型還做進(jìn)一步研究。斜撐的長度和設(shè)置的角度，定性判斷上也勢必會(huì)影響受力效果，筆者認(rèn)為這些可用有限元法做進(jìn)一步分析探索。

4 對比其他加固方法及加固后的效果

在選擇本工程的加固方案時(shí)，也對比了其他加固方案。

相比梁柱外粘型鋼加固法，分析結(jié)果表明外粘型鋼加固法的用鋼量高出短斜撐加固法的25.3%，造價(jià)高出30.6%。

相比粘貼纖維法，施工質(zhì)量和使用年限更宜保證。

相比置換混凝土法，本方案無濕作業(yè)，對原結(jié)構(gòu)受力鋼筋影響較小，施工周期短，不影響內(nèi)部空間美觀和使用要求。

相比增大截面加固法，本方案無濕作業(yè)，無需考慮混凝土養(yǎng)護(hù)周期[8]，且對建筑的有效使用空間占據(jù)較少。

加固完成后，我方選取具有代表性的樓板，采用逐級加載的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)是滿足使用要求的。后期檢查本項(xiàng)目裝修效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)本次的加固方案不影響室內(nèi)外裝修效果。

5 結(jié)語

本文以某檔案館加固為背景，通過對比原設(shè)計(jì)分析出本次加固應(yīng)關(guān)注的設(shè)計(jì)指標(biāo)，然后從力學(xué)角度分析了加固方案的合理性，并對斜撐加固的思路做了重要的論述，之后總結(jié)了施工中應(yīng)注意的要點(diǎn)，也做了其他加固方案在本案例應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)分析。從實(shí)踐結(jié)果來看，本方案在謀劃時(shí)合理搭配了各種加固思路，達(dá)到了節(jié)約造價(jià)、保證質(zhì)量、保證工期的目的。給類似工程在加固方式搭配上提供實(shí)踐案例，在加固分析思路上、斜撐加固應(yīng)用上提供了經(jīng)驗(yàn)參考。