南京市某教育建筑的框架柱加固方法探究

王懌凡 賈慧娟 徐千雅 闞揚(yáng)

摘要：針對(duì)目前社會(huì)上普遍存在的教育建筑老化問(wèn)題，作了有關(guān)柱加固的調(diào)研，選取實(shí)際工程案例進(jìn)行建模與加固前后分析對(duì)比，提出柱的加固改造方法。改造后的建筑承載力變大，軸壓比變小，有效提高了教育建筑結(jié)構(gòu)的可靠性，延長(zhǎng)了其使用壽命。

關(guān)鍵詞：教育建筑； 加固改造； 框架柱

中圖分類號(hào)：TU746.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

日前，隨著國(guó)家對(duì)教育重視程度的加深，校園內(nèi)的基礎(chǔ)教育建筑也得到了高速發(fā)展，但近年來(lái)，許多學(xué)校的教學(xué)建筑隨著建校時(shí)間越來(lái)越久而產(chǎn)生了老化，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，規(guī)范相對(duì)滯后等問(wèn)題。同時(shí)，因教育建筑所特有的地理位置和建筑性質(zhì)，若對(duì)現(xiàn)有構(gòu)造進(jìn)行重新構(gòu)建會(huì)嚴(yán)重影響其正常的使用周期，且對(duì)于輕微損壞構(gòu)建也沒(méi)有必要。所以在允許的范圍內(nèi)，對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和改造，使其強(qiáng)度和剛度滿足規(guī)范要求，既可以保證結(jié)構(gòu)的安全性和正常使用，又可以節(jié)約資源。故教育建筑的加固改造與優(yōu)化就顯得尤為重要。柱作為重要的稱重體系，隨著時(shí)間推移以及周圍環(huán)境的影響，其結(jié)構(gòu)的安全性與耐久性可能會(huì)收到威脅，須要進(jìn)行加固才能繼續(xù)維持結(jié)構(gòu)壽命。國(guó)內(nèi)已有諸多學(xué)者對(duì)此展開了研究，如李京玲［1］等研究鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)柱中的加固，有效提高了結(jié)構(gòu)的承載力；歐陽(yáng)偉波［2］關(guān)于鋼筋混凝土柱加固技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的分析，介紹了一些提高延性的新型加固方法；賀康［3］等對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)柱混凝土置換加固技術(shù)的研究，針對(duì)受壓桿件提出了高效的加固處理。趙昱璐［4］對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中梁柱節(jié)點(diǎn)的加固方法進(jìn)行了總結(jié)。劉延峰［5］針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的不同特性，提出不同的加固改造方案。本文擬通過(guò)實(shí)際的工程案例分析，對(duì)現(xiàn)有的柱加固方式進(jìn)行分析比較，以得出更為經(jīng)濟(jì)有效的加固方式。

1柱的加固方法及施工工藝

目前柱的主要加固方法有增大截面加固法、外粘型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法。

1.1增大截面加固法

增大截面加固法，是以鋼筋混凝土套包裹原結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)增大原構(gòu)件截面面積及配筋面積，來(lái)提升承載能力。其優(yōu)勢(shì)是能夠同時(shí)增大構(gòu)件的剛度、承載能力和變形能力，改變其自振頻率，使其正常使用階段的性能得到提高，對(duì)柱的穩(wěn)定性改善明顯，質(zhì)量好，可靠性強(qiáng)，安全性比較高。其缺陷是濕工作量大、養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)、占用建筑空間較多且施工工藝較為復(fù)雜，需要支模、振搗、澆筑、養(yǎng)護(hù)等一系列混凝土施工相關(guān)程序，增加了施工的可變性（圖1）。

1.2外粘型鋼加固法

外粘型鋼加固法是在鋼筋混凝土柱周圍包以型鋼的一種加固方式，適用于需要大幅度提高承載力、增大延性和剛度的混凝土柱。外粘型鋼加固法施工方便、現(xiàn)場(chǎng)的工作量少、減小了施工工期，一般情況下構(gòu)件被加固后短時(shí)間便可以進(jìn)行使用，特別適用于應(yīng)急的加固工程加固，但后期的維修費(fèi)用較高，對(duì)使用環(huán)境的溫度有限制且所用材料多，經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)不好（圖2）。

1.3粘貼鋼板法

粘貼鋼板加固法，是用膠黏劑把薄鋼板粘貼在被加固混凝土構(gòu)件表面，薄鋼板成為新加部分與原混凝土部分協(xié)同工作，提高混凝土構(gòu)件性能的方法。其優(yōu)點(diǎn)為施工工期短、加固后幾乎不改變構(gòu)件外形和使用空間；缺點(diǎn)是對(duì)使用環(huán)境的溫度有限制，對(duì)弧形構(gòu)件表面的粘貼不易吻合；且鋼板較薄，需做防銹處理。另外，加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平，故對(duì)施工隊(duì)伍素質(zhì)要求比較高（圖3）。

1.4粘貼碳纖維復(fù)合材料加固法

粘貼碳纖維復(fù)合材料加固柱，是利用碳纖維的拉應(yīng)力，對(duì)混凝土柱進(jìn)行約束，從而使混凝土柱三方受壓，提高承載力和壓縮能力。其優(yōu)點(diǎn)有加固施工工藝流程簡(jiǎn)單，工期短、效率高，相對(duì)其他加固材料碳纖維復(fù)合材料本身重量輕，加固施工后幾乎不改變?cè)冉Y(jié)構(gòu)的尺寸也不增加原結(jié)構(gòu)自重。其缺點(diǎn)有碳纖維的抗拉彈性模量相對(duì)其強(qiáng)度過(guò)低，結(jié)構(gòu)的適用荷載內(nèi)無(wú)法充分利用碳纖維的強(qiáng)度，價(jià)格相對(duì)較高，對(duì)于一些特殊情況無(wú)法適用（圖4）。

2結(jié)構(gòu)加固對(duì)比研究

2.1工程案例

本工程是位于南京市某小學(xué)的教學(xué)樓，其建筑層數(shù)四層，主體結(jié)構(gòu)為磚混結(jié)構(gòu)如圖5所示，平面呈長(zhǎng)方形布置，總長(zhǎng)度32.0 m，總寬度為8.48 m，教室區(qū)域主梁跨度為6.2 m，開間為4.0 m，總建筑面積為1 186 m2。該工程始建于20世紀(jì)70年代末，建造時(shí)間較長(zhǎng)，但仍處于正常使用狀態(tài)，經(jīng)相關(guān)人員鑒定，該工程上部承重結(jié)構(gòu)布置基本合理，墻體不空鼓、無(wú)嚴(yán)重酥堿和明顯歪閃現(xiàn)象，支撐大梁的墻體無(wú)豎向裂縫，承重墻、自承重墻及其交接處無(wú)明顯裂縫結(jié)構(gòu)選型及傳力路線正確，符合現(xiàn)行規(guī)范要求。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)部分墻體承載力不足，外墻四角，錯(cuò)層部位橫墻與外縱墻交接處，較大洞口兩側(cè)，大房間內(nèi)外墻交接處，樓梯間四角缺乏構(gòu)造柱，因此對(duì)該工程進(jìn)行框架柱加固是必要的。

2.2選用的加固方式

選用新增柱法與粘貼鋼板加固法進(jìn)行加固。這兩種方法均是較為傳統(tǒng)的加固方法，施工技術(shù)嫻熟，施工過(guò)程簡(jiǎn)潔明了，施工工藝簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。而經(jīng)濟(jì)性方面，這兩種方法所用建材原材料普遍，生產(chǎn)成本低，效益高，適用于教育建筑加固施工，故有很強(qiáng)的實(shí)際操作性。

2.3模擬計(jì)算

本文采用有限元軟件對(duì)該工程進(jìn)行模擬計(jì)算。先按照?qǐng)D紙建立五層框架結(jié)構(gòu)的三維模型（圖6），其次，在每層隨機(jī)選擇五根柱子1到5號(hào)用鋼板加固法進(jìn)行加固，再在如圖7所示位置添加新的框架柱，最后對(duì)比分析加固前后的加固效果。

2.4結(jié)果分析

2.4.1承載力分析

該工程加固框架柱，觀測(cè)單一柱構(gòu)件數(shù)據(jù)變化并不明顯，因此選擇分析整個(gè)樓層加固前后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文以建筑底層數(shù)據(jù)為例，加固前底層X(jué)向樓層抗剪承載力為8.675 8×103 kN，Y向樓層抗剪承載力1.0132×104 kN，X向樓層最大位移為0.77 mm，Y向樓層最大位移0.58 mm；加固改造后底層X(jué)向樓層抗剪承載力為8.7406×103 kN，Y向樓層抗剪承載力為1.0190×104 kN，X向樓層最大位移為0.79 mm，Y向樓層最大位移0.6 mm，滿足規(guī)范不大于3600/550=6.5 mm要求。

從X向樓層抗剪承載力來(lái)看，加固前后變化不大；從Y向樓層抗剪承載力來(lái)看，加固后樓層承載力明顯增大。樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的層間受剪承載力不小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，滿足規(guī)范要求。表1為樓層承載力分析表。

2.4.2軸壓比分析

以第一層為例，隨機(jī)選取五根框架柱，對(duì)其軸壓比進(jìn)行加固前后對(duì)比分析，由表2可知為1-4號(hào)框架柱的軸壓比在加固后均有不同程度的降低，5號(hào)框架柱的軸壓比在加固前后變化較小。軸壓比作為剪力墻抗震設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，反應(yīng)了柱的受壓情況，是衡量加固效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。該建筑在經(jīng)過(guò)改造加固后，抗震能力得到有效提升，根據(jù)GB 50010樓層最大位移0.58 mm0.6 mm-2010（2015年版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)框架結(jié)構(gòu)的柱軸壓比限值要求，該建筑在加固后達(dá)到一級(jí)抗震水平。

3工程經(jīng)濟(jì)分析

表3是對(duì)柱的兩種不同加固方式在材料費(fèi)用上的統(tǒng)計(jì)，新增柱法不僅需要大量混凝土和鋼筋也對(duì)施工人員、施工技術(shù)有一定的考驗(yàn)，新增鋼筋混凝土柱需現(xiàn)場(chǎng)澆筑，大量濕作業(yè)在改造中不方便施工，工期較長(zhǎng)，耗費(fèi)的人力物力較多，粘貼鋼板法不僅在材料上相對(duì)簡(jiǎn)單，且鋼板具有良好的延性幾乎不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的荷載和截面尺寸，在施工技術(shù)上也相對(duì)成熟，現(xiàn)場(chǎng)制作方便簡(jiǎn)單，人工成本較低，工期相對(duì)較短。對(duì)于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中柱的加固處理，本方案具有較高可行性，解決了此類建筑結(jié)構(gòu)老化問(wèn)題，延長(zhǎng)了其使用壽命，提高了教育建筑的安全度，在經(jīng)濟(jì)上也樂(lè)觀可行。

4總結(jié)

針對(duì)既有的教育建筑實(shí)際工程進(jìn)行了兩種加固方式的分析對(duì)比，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）從承載力角度來(lái)看，與加固之前相比較，新增柱法加固效果直接明顯，該建筑承載力的提高以及軸壓比的減小表明新增柱法和鋼板加固法均在一定程度上對(duì)結(jié)構(gòu)起到了有效的加固作用。

（2）從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，對(duì)比粘貼鋼板法，新增柱法消耗的人力物力較多，費(fèi)用較高。

（3）從施工周期來(lái)看，由于該建筑為教育建筑，施工周期內(nèi)無(wú)法滿足教室的正常使用，而粘貼鋼板法既能起到一定加固效果，且工期較短。若預(yù)算充足且施工時(shí)間充裕，則可選擇新增柱法，若預(yù)算或施工時(shí)間有限，則可選擇粘貼鋼板法。

參考文獻(xiàn)

［1］李京玲，宋偉.鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)柱加固中的應(yīng)用研究［J］.山西建筑，2011，37（27）：42-44.

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［3］賀康，鄧志健.大跨度預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)柱混凝土置換加固技術(shù)方案與應(yīng)用［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（S1）：1700-1703.

［4］趙昱璐，劉紅波. 鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)加固方法研究進(jìn)展［C］//.第二十二屆全國(guó)現(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.2022：178-181.

［5］劉延峰.混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)［J］.四川建材，2011，37（1）：57-58+60.

［作者簡(jiǎn)介］王懌凡（2002—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；賈慧娟（1985—），女，博士，講師，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)工程；徐千雅（2002—），女，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ?；闞揚(yáng)（2002—），男，在讀本科，研究方向?yàn)橥聊竟こ獭?/p>