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摘要:随着国民经济快速发展,人们对生产生活条件的要求逐步提高，对现有建筑结构的鉴定和加固也日益增多。文章结合某学校框架结构工程的加固改造设计实例，对加层设计后新旧结构之间的连接节点作了设计探讨。
关键词:建筑工程；加固改造；设计
1 工程概况
某教学楼工程位广东东莞,建于2000年,为现浇混凝土框架结构,无地下室,地上3层,层高分别为4.5、3.9、3.9m,总建筑面积2300m2,上人屋面。建筑物基础采用钢筋混凝土独立基础,埋置深度2m,落至粉质粘土层,承载力特征值为190kN/m2。由于使用功能的改变,要求在原结构上加盖2层作为学生活动中心与舞蹈教室,2009年对该食堂进行加固改造与加层设计,加层部分层高为3.9m。
2 原结构安全验算及加层方案选取
2.1 沉降观测与地基承载力验算
该建筑物地基比较均匀,经沉降观测点观测到的沉降数据和竣工时的数据对比发现变化不大,地基已趋于稳定,未发现不均匀沉降的情况。
工程竣工至今9年时间,粉质黏土地基趋于密实,其地耐力按有关资料能提高20%～30%,但由于加设两层后,经验算,部分基础的地基承载力仍有不足,需要采取加固措施。
2.2 构件承载力验算
对原结构用SATWE有限元软件进行抗震整体计算分析,并结合构造进行综合评价,对结构基础、梁、柱、板等构件进行验算,发现原结构有如下特点:
1)梁、板承载力较为富余,加层对其影响相对较小。
2)A,B轴线上各柱轴压比较小,有加荷的潜力,框架柱B2～B4、C2～C5轴压比较大,若加荷,轴压比很可能超限。
3)A,B轴线上各柱下独立基础的设计富余量很大,B2～B4、C2～C5柱下独立基础设计富余量相对较小。
4)结构不能直接进行加层,必须对旧结构先加固后方能加层。
2.3 加层方案选取
按照经济、安全、适用的原则,在加层设计中应有效利用原结构的设计的富余量,充分发挥原有构件的潜力。经过综合分析采用钢筋混凝土框架结构作为加层部分的结构形式,其优点为能与原结构相同并很好地进行连接,造价低,更加符合学生食堂的使用要求。
3 加固设计方法
3.1 框架柱的加固设计
框架柱B2～B4、C2～C5,设计富余量比较小,加层后轴压比超限,在7度多遇地震下抗震能力不足,需要进行加固处理。由于食堂空间比较大,无空间限制,故选择采用“增大柱截面加固法”来进行加固处理。经计算需对1～3层的框架柱B2～B4、C2～C5进行加固处理。现以C2柱的设计加固方法作详细介绍。
首先在原钢筋混凝土柱的外围增加主筋和箍筋,再浇注混凝土,使原柱尺寸增加至600mm×600mm,经过加固后的C2柱剖面图如图1所示。运用SATWE软件对加层前后结构进行模拟,得底层C2柱各内力参数如表1所示。
由表1看出,经过加固加层后,框架柱的各项指标均达到规范要求,柱的受压、受弯、受剪承载力以及刚度得到全面提高。
使用该加固方法经济可靠、简便易行,达到了预期的要求。施工过程中,采用增大柱截面法对柱进行加固应注意以下要点:
1)为保证新旧混凝土充分结合,需在结合面上开凿出6mm左右的凹凸槽并将表面清洗干净,再在上面刷一层纯水泥。
2)新增的纵向钢筋也需按照规范要求进行锚固,以保证其有效传力。
3)梁柱交接处加入箍筋钻孔时可能对原结构产生影响,故应按照等体积配箍率的原则将其换算成粗而稀的钢筋。
3.2 柱下独立基础加固
结构基础采用现浇混凝土独立基础,经验算,加层后框架柱B2～B4、C2～C5柱下独立基础抗弯剪能力略有不足,其余基础则能满足规范要求。地基土质较弱,加层后,地基的承载能力不够,需对框架柱B2～B4、C2～C5柱下独立基础进行扩展以减小地基承受的作用力,经研究决定采用植筋加固补强法加大基础截面进行改造加固。加固C2柱下独立基础如图2所示。
可以看出,采用植筋加固扩大基础截面面积的方法一定程度上减少了基底压力,且对原结构无损伤,经济效益与社会效益显著,达到了预先的加固目的。
施工过程中,采用植筋加固补强法应注意以下要点:
1)按规范要求对钢筋进行锚固,锚固前应进行清孔,以保证达到设计的粘结强度。
2)钻孔前要用仪器对原结构中的钢筋位置进行测定,以免钻孔造成对原结构的损坏。
3)植筋施工完毕后需进行拉拔试验,检验其抗拔力是否达到设计要求。
3.3 其他部分改造加固措施
1)减轻上部加层结构重量,采取以轻质保温材料陶粒土空心砖作为填充墻材料的措施。
2)减轻下部结构的重量,采取加大原结构门窗开洞面积的方法。
3)加强新旧结构交接处连接的可靠度。
4)梁、板承载力有富余无需特别加固,只需剔除原结构屋面防水层。
3.4 新旧结构连接处做法
由于原柱没有足够长的钢筋来进行焊接,经研究决定在原屋面上加做一条500mm×500mm的圈梁,把原结构屋面梁凿开,将其与圈梁钢筋进行焊接,再将加层柱钢筋及圈梁钢筋与下层柱深入梁内的钢筋进行焊接。这样大圈梁就形成一道箍,也形成了一个支座将上下层柱进行有效连接,如图3所示。这样很大成程度上提高了结构的整体性,使新旧结构的连接更为紧密。
4 结构位移复核
由于建筑物高度增加了7.8m,上部荷载也相应增大很多,为了确保其安全性,需对结构在地震作用下的位移进行复核。由于新旧结构之间的连接牢靠,可不考虑连接处对整体结构的影响。用SATWE进行模拟,得出加固加层前后结构沿Y方向的位移与位移角的值。
可以看出,结构虽然加高2层,但经加固后,Y方向顶层位移值为17.2mm,最大位移角为1/812,满足GB50011-2001《建筑抗震设计规范》 (2008版)弹性层间位移角及位移限制要求,加固后的部分楼层比原结构的安全性有所提高,加固方案起到了很好的效果。
5 结束语
在本工程中, 采用增大柱截面法加固全面提高框架柱的各项性能,施工易行,经济可靠，该方法起到了很好的效果,通过植筋加固扩大基础截面的方法有效提高基础的抗弯剪能力,减少基底压力,对原结构无损伤,具有良好的经济效益。
参考文献
[1] 叶增平，某教学楼加层改造前的鉴定与加固设计[J]工程抗震与加固改造，2008.05
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词:建筑工程；加固改造；设计
1 工程概况
某教学楼工程位广东东莞,建于2000年,为现浇混凝土框架结构,无地下室,地上3层,层高分别为4.5、3.9、3.9m,总建筑面积2300m2,上人屋面。建筑物基础采用钢筋混凝土独立基础,埋置深度2m,落至粉质粘土层,承载力特征值为190kN/m2。由于使用功能的改变,要求在原结构上加盖2层作为学生活动中心与舞蹈教室,2009年对该食堂进行加固改造与加层设计,加层部分层高为3.9m。
2 原结构安全验算及加层方案选取
2.1 沉降观测与地基承载力验算
该建筑物地基比较均匀,经沉降观测点观测到的沉降数据和竣工时的数据对比发现变化不大,地基已趋于稳定,未发现不均匀沉降的情况。
工程竣工至今9年时间,粉质黏土地基趋于密实,其地耐力按有关资料能提高20%～30%,但由于加设两层后,经验算,部分基础的地基承载力仍有不足,需要采取加固措施。
2.2 构件承载力验算
对原结构用SATWE有限元软件进行抗震整体计算分析,并结合构造进行综合评价,对结构基础、梁、柱、板等构件进行验算,发现原结构有如下特点:
1)梁、板承载力较为富余,加层对其影响相对较小。
2)A,B轴线上各柱轴压比较小,有加荷的潜力,框架柱B2～B4、C2～C5轴压比较大,若加荷,轴压比很可能超限。
3)A,B轴线上各柱下独立基础的设计富余量很大,B2～B4、C2～C5柱下独立基础设计富余量相对较小。
4)结构不能直接进行加层,必须对旧结构先加固后方能加层。
2.3 加层方案选取
按照经济、安全、适用的原则,在加层设计中应有效利用原结构的设计的富余量,充分发挥原有构件的潜力。经过综合分析采用钢筋混凝土框架结构作为加层部分的结构形式,其优点为能与原结构相同并很好地进行连接,造价低,更加符合学生食堂的使用要求。
3 加固设计方法
3.1 框架柱的加固设计
框架柱B2～B4、C2～C5,设计富余量比较小,加层后轴压比超限,在7度多遇地震下抗震能力不足,需要进行加固处理。由于食堂空间比较大,无空间限制,故选择采用“增大柱截面加固法”来进行加固处理。经计算需对1～3层的框架柱B2～B4、C2～C5进行加固处理。现以C2柱的设计加固方法作详细介绍。
首先在原钢筋混凝土柱的外围增加主筋和箍筋,再浇注混凝土,使原柱尺寸增加至600mm×600mm,经过加固后的C2柱剖面图如图1所示。运用SATWE软件对加层前后结构进行模拟,得底层C2柱各内力参数如表1所示。
由表1看出,经过加固加层后,框架柱的各项指标均达到规范要求,柱的受压、受弯、受剪承载力以及刚度得到全面提高。
使用该加固方法经济可靠、简便易行,达到了预期的要求。施工过程中,采用增大柱截面法对柱进行加固应注意以下要点:
1)为保证新旧混凝土充分结合,需在结合面上开凿出6mm左右的凹凸槽并将表面清洗干净,再在上面刷一层纯水泥。
2)新增的纵向钢筋也需按照规范要求进行锚固,以保证其有效传力。
3)梁柱交接处加入箍筋钻孔时可能对原结构产生影响,故应按照等体积配箍率的原则将其换算成粗而稀的钢筋。
3.2 柱下独立基础加固
结构基础采用现浇混凝土独立基础,经验算,加层后框架柱B2～B4、C2～C5柱下独立基础抗弯剪能力略有不足,其余基础则能满足规范要求。地基土质较弱,加层后,地基的承载能力不够,需对框架柱B2～B4、C2～C5柱下独立基础进行扩展以减小地基承受的作用力,经研究决定采用植筋加固补强法加大基础截面进行改造加固。加固C2柱下独立基础如图2所示。
可以看出,采用植筋加固扩大基础截面面积的方法一定程度上减少了基底压力,且对原结构无损伤,经济效益与社会效益显著,达到了预先的加固目的。
施工过程中,采用植筋加固补强法应注意以下要点:
1)按规范要求对钢筋进行锚固,锚固前应进行清孔,以保证达到设计的粘结强度。
2)钻孔前要用仪器对原结构中的钢筋位置进行测定,以免钻孔造成对原结构的损坏。
3)植筋施工完毕后需进行拉拔试验,检验其抗拔力是否达到设计要求。
3.3 其他部分改造加固措施
1)减轻上部加层结构重量,采取以轻质保温材料陶粒土空心砖作为填充墻材料的措施。
2)减轻下部结构的重量,采取加大原结构门窗开洞面积的方法。
3)加强新旧结构交接处连接的可靠度。
4)梁、板承载力有富余无需特别加固,只需剔除原结构屋面防水层。
3.4 新旧结构连接处做法
由于原柱没有足够长的钢筋来进行焊接,经研究决定在原屋面上加做一条500mm×500mm的圈梁,把原结构屋面梁凿开,将其与圈梁钢筋进行焊接,再将加层柱钢筋及圈梁钢筋与下层柱深入梁内的钢筋进行焊接。这样大圈梁就形成一道箍,也形成了一个支座将上下层柱进行有效连接,如图3所示。这样很大成程度上提高了结构的整体性,使新旧结构的连接更为紧密。
4 结构位移复核
由于建筑物高度增加了7.8m,上部荷载也相应增大很多,为了确保其安全性,需对结构在地震作用下的位移进行复核。由于新旧结构之间的连接牢靠,可不考虑连接处对整体结构的影响。用SATWE进行模拟,得出加固加层前后结构沿Y方向的位移与位移角的值。
可以看出,结构虽然加高2层,但经加固后,Y方向顶层位移值为17.2mm,最大位移角为1/812,满足GB50011-2001《建筑抗震设计规范》 (2008版)弹性层间位移角及位移限制要求,加固后的部分楼层比原结构的安全性有所提高,加固方案起到了很好的效果。
5 结束语
在本工程中, 采用增大柱截面法加固全面提高框架柱的各项性能,施工易行,经济可靠，该方法起到了很好的效果,通过植筋加固扩大基础截面的方法有效提高基础的抗弯剪能力,减少基底压力,对原结构无损伤,具有良好的经济效益。
参考文献
[1] 叶增平，某教学楼加层改造前的鉴定与加固设计[J]工程抗震与加固改造，2008.05
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。