混凝土結(jié)構(gòu)上鋼結(jié)構(gòu)加層加固設(shè)計案例分析

張茹評

（甘肅省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

本工程位于天水市秦州區(qū)七里墩街道岷山路，因建筑使用功能需求，原設(shè)計的二層框架結(jié)構(gòu)主樓需增加一層層高為5.10m 鋼結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)外增設(shè)一部外掛鋼結(jié)構(gòu)電梯，作為天水市某局交通警察支隊擴(kuò)容新建智慧城市指揮中心，根據(jù)建筑使用性可知該指揮中心抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，故要對原建筑進(jìn)行可靠性鑒定。

根據(jù)設(shè)計院提供的可靠性鑒定報告可知，原建筑于2003 年4 月完成設(shè)計，2005 年10 月30 日竣工投入使用；結(jié)構(gòu)主體為地上兩層，層高均為4.200m，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度（0.30g 第一組），建筑使用功能一層為食堂、餐廳，二層為監(jiān)控大廳，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類。最終的鑒定結(jié)果是安全性評定等級為Bsu級，使用性評定等級為Bss級，可靠性評定等級為Ⅱ級。

2 加固改造方案的選取

2.1 方案一：加層做鋼結(jié)構(gòu)

需對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計，具體內(nèi)容包括以下兩項。

（1）柱采用增大截面和外貼纖維復(fù)合材料法。

（2）標(biāo)高4.200m 和標(biāo)高8.400m 梁采用增大截面、外粘鋼板法和外粘貼纖維布法。

2.2 方案二：加層做混凝土結(jié)構(gòu)

需對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固設(shè)計，具體內(nèi)容包括以下兩項。

（1）柱采用增大截面、外粘鋼板法及增加短墻肢。

（2）標(biāo)高4.200m 和標(biāo)高8.400m 梁采用增大截面、外粘鋼板法和外粘貼纖維布法。

3 主體結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

因建筑功能改變、現(xiàn)行規(guī)范與原設(shè)計規(guī)范的變化，使得本工程抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、地震分組、荷載及分項系數(shù)等參數(shù)都發(fā)生了改變，經(jīng)復(fù)核驗算原混凝土框架柱、框架梁、節(jié)點(diǎn)核心域均不滿足承載力要求，需做加固處理。

3.1 整體結(jié)構(gòu)計算分析

加層做鋼框架，加層鋼結(jié)構(gòu)體系的計算進(jìn)行以下三種情況的計算，即：上、下部結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行計算，以及上下部結(jié)構(gòu)整體協(xié)同工作計算，并取以上三種情況得最不利內(nèi)力工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。本工程采用北京盈建科軟件有限責(zé)任公司的YJK—A4.0.0 計算分析程序。

3.1.1 上部單獨(dú)計算結(jié)果

模型在單獨(dú)鋼結(jié)構(gòu)計算時考慮地震作用下的鞭梢效應(yīng)，放大3 倍進(jìn)行復(fù)核驗算，此時結(jié)構(gòu)的阻尼比取值為0.02，計算指標(biāo)匯總?cè)绫? 所示。

表1 鋼結(jié)構(gòu)指標(biāo)匯總

3.1.2 下部單獨(dú)計算結(jié)果

將上部鋼結(jié)構(gòu)單獨(dú)計算的支座反力加在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上對下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算，此時結(jié)構(gòu)的阻尼比取值為0.05。在模型計算過程中，通過對周期振型數(shù)確定方式的改變，發(fā)現(xiàn)用戶定義振型數(shù)和程序自動確定振型數(shù)下，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋的計算結(jié)果有很大影響。

3.1.3 上下部結(jié)構(gòu)整體協(xié)同工作計算結(jié)果

將組裝樓層3 考慮鞭梢效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)層與原結(jié)構(gòu)組裝一起計算，計算指標(biāo)匯總?cè)绫? 所示。

表2 鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)指標(biāo)匯總（考慮鞭梢效應(yīng)）

通過以上兩中包絡(luò)設(shè)計驗算，最終取最不利組合就是樓層3考慮鞭梢效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)層與原結(jié)構(gòu)組合下的計算結(jié)果。

3.2 上部鋼框架布置

上部加建的鋼結(jié)構(gòu)鋼柱布置在下部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的框架柱上，加層鋼結(jié)構(gòu)柱腳與下部混凝土柱頂采用螺栓加外包鋼筋混凝土柱帽的連接方案，加層鋼結(jié)構(gòu)柱腳采用剛接柱腳。

3.3 下部混凝土加固設(shè)計

下部混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件復(fù)核驗算后框架柱、框架梁、節(jié)點(diǎn)核心域均須加固，在加固中主要采取的加固方法有粘鋼法、增大截面法或框架梁頂部采用粘鋼+底部增大截面法[2]。

選用這些方法的原因是在長期的使用經(jīng)驗中得知增大截面法有施工簡單，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；粘鋼法有施工簡便快捷，原結(jié)構(gòu)自重增加小，不改變外形，不影響建筑使用空間等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 新增電梯設(shè)計

新增電梯與主樓的連接方式為鉸接，采用與主樓連接整體建模計算，并單獨(dú)復(fù)核驗算。結(jié)構(gòu)計算模型如圖1 所示。新增電梯與既有結(jié)構(gòu)之間的連接設(shè)計滿足以下要求：①連接節(jié)點(diǎn)的破壞不應(yīng)先于其連接的構(gòu)件；②埋件的錨固破壞，不應(yīng)先于其連接件；③錨固件、連接件、連接螺栓、連接焊縫均應(yīng)滿足重力荷載、風(fēng)荷載和地震作用下的承載力要求；④承重結(jié)構(gòu)用的機(jī)械錨栓為鎖鍵效應(yīng)的后擴(kuò)底錨栓[3]。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型

4 抗震構(gòu)造措施的加強(qiáng)

下部結(jié)構(gòu)中本工程所有框架柱原設(shè)計箍筋φ10 滿足要求，節(jié)點(diǎn)核心域穿梁處采用 18 等代箍筋及 12 的拉筋，所有邊框架梁原設(shè)計箍筋φ10 滿足要求，內(nèi)部框架梁采用粘U 型箍來滿足抗震構(gòu)造措施的要求。

上部結(jié)構(gòu)中鋼結(jié)構(gòu)柱腳設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換加強(qiáng)層，加層鋼柱與下部混凝土柱頂采用螺栓加外包鋼筋混凝土柱帽的連接方式；加層結(jié)構(gòu)縱橫向鋼筋混凝土外圈梁。

5 結(jié)語

通過以上工程實例的計算分析、現(xiàn)場施工的綜合考慮得知，在工程加固設(shè)計中，合理的選擇加固方案、加固方法至關(guān)重要；鋼結(jié)構(gòu)加建因施工速度快，工期短而被優(yōu)先選擇。但是一個加固改造項目的完美呈現(xiàn)，不僅要考慮設(shè)計，更要考慮現(xiàn)場問題，比如在施工現(xiàn)場中對原結(jié)構(gòu)的破壞損傷，加建部分與臨建建筑距離近，工作面及操作空間小，施工作業(yè)難等一系列現(xiàn)場問題。

為了解決這些現(xiàn)場問題，施工中工人的技術(shù)性、熟練度和選用的建筑加固材料直接影響一個工程的施工質(zhì)量，所以我們在工程管理中應(yīng)該聘請具有專業(yè)性高的工人來操作，這樣既能滿足了結(jié)構(gòu)安全性的要求，又能達(dá)到工程的節(jié)能減材、降低工程的總造價，最后呈現(xiàn)出一個設(shè)計及施工都很合理、完美的杰作。