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办公大楼框架结构的加固设计
来源:    点击次数:644    发布时间: 2011-04-18
一、工程实例
某办公大楼主体为钢筋混凝土框架结构,建筑面积约6000 m2。该建筑分为3个区块,如图1所示。各个区块工程概况见表1。该建筑原为办公楼,现拟对其进行改造,1~3层改造为商场,3层以上改造为宾馆。
为详细了解建筑物现有的工程质量,改造前业主委托相关检测单位对该建筑主体结构进行全面的检测鉴定,内容包括结构变形、结构可视部分裂缝查看、混凝土强度及钢筋锈蚀检测、节点连接检查等。检测结果表明,除Ⅲ区块局部混凝土抗压强度未达到原设计强度等级外,其余均满足原结构设计要求。通过倾斜检测,办公楼的倾斜率较小,在《民用建筑可靠性鉴定标准(GB 50292-1999)》所要求的范围以内。另外,主体结构可视部分的裂缝也主要出现在填充墙上,梁、板、柱等主要受力构件未发现受力裂缝。对基础也进行了相应的质量检测,结果在正常范围以内。由于该建筑分别建于20世纪70年代和90年代,使用功能也有所改变,不能满足现行规范的要求。因此为了确保安全使用,满足使用功能要求,必须对该楼进行全面加固改造。
二、加固改造
(一)结构加固设计原则
加固改造方案除了要考虑建筑物实际情况,还要符合加固设计规范的要求,使加固后的建筑物满足使用要求及抗震构造要求。加固改造后使得建筑物使用年限延长,同时要考虑加固改造的工作量,节约造价。
(二)结构加固改造方案
1.框架梁、柱加固
Ⅰ、Ⅱ区块的建筑物设计建造于20世纪70 年代,为当地首个多层框架结构的办公楼。据了解,当时设计及施工都极为慎重,特别是施工过程中对建筑材料的要求达到了苛刻的地步,这一点可以从结构检测结果中表明。
Ⅰ区块柱网尺寸:开间为3m,进深为6m、5.3 m,中柱截面尺寸为300mm×600 mm,边柱截面尺寸为300 mm×500 mm,框架梁截面尺寸为250 mm ×550 mm。经结构计算复核表明原有框架梁、柱基本满足改造后使用荷载的要求,仅需对原有结构进行抗震及耐久性的处理。设计中考虑了两种方案:(1)碳纤维加固法;(2)粘贴钢板加固法。这两种加固方法均适用于一般情况下的受弯、受拉构件。由于受柱子截面尺寸等条件的限制,最后经比较,Ⅰ区块框架梁、柱加固拟采用碳纤维加固方式。同时,充分利用碳纤维加固法的施工工艺要求,在原有混凝土结构表面涂刷环氧树脂胶,将碳纤维织物紧密粘着于混凝土结构表面,使二者成为一个新的整体,共同受力。已加固的碳纤维布如在阳光的直接照射下粘结剂易老化,影响其结构强度和使用寿命,故需在碳纤维外侧再增设粉刷保护层。粉刷保护层施工需待树脂硬化后进行,此时可先刷一层胶并喷洒细砂,以增加其附着力。这样不仅完成了梁、柱的加固,还能在一定程度上提高结构抗震性能并满足耐久性的要求。
Ⅱ区块为10. 5m的单跨结构,开间为4. 2~6m不等,框架柱截面尺寸为350 mm×500 mm,框架梁截面尺寸为300 mm×870 mm。经结构计算复核表明原有框架柱基本满足改造后使用荷载的要求,框架梁配筋不足。因此,不仅需对原有结构进行抗震及耐久性的处理,还要对框架梁的承载力进行加固。框架柱仍采用碳纤维加固方式处理,加固时,使碳纤维布以环向围束方式缠绕在柱上,这样能较好地提高抗震性能。框架梁的加固方式从施工工艺、施工工期及造价等综合考虑,最后确定采用体外预应力进行加固,采用D15. 24低松弛钢绞线。在完成框架梁、柱的加固后,为保证其具有较好的耐久性,可在表面涂刷一层环氧树脂胶,并喷洒细砂,最后完成粉刷。
Ⅲ区块中框架柱截面尺寸为300mm×350mm、350 mm×350 mm, 框架梁截面尺寸为250 mm ×450 mm、250 mm ×570 mm。经结构计算复核表明原有框架梁、柱均不能满足改造后使用荷载的要求,因此需对原有梁、柱进行全面加固。框架柱加固考虑了加大截面法和粘钢法,由于加大截面法具有造价低、耐久性好等优点,但自重会有所增加,且施工工期较长。而后者的优缺点正好与前者相反。考虑到Ⅲ区块柱子加固范围较大,而且不沿街,具有一定的施工场点等条件,最后确定采用加大截面法加固。框架梁加固则考虑了加大截面法、碳纤维加固法及体外预应力法,由于原有建筑层高仅为3. 3 m,因此加大截面法首先被排除了。另外,Ⅲ区块结构均为单跨框架结构,原设计梁高不足,复核计算后,梁的挠度比较大,这样体外预应力加固成为首选。对于耐久性处理,仍采用了Ⅰ、Ⅱ区块的相同处理方法。
2.楼板加固
由于大楼改造后楼地面装饰均采用抛光砖或石材地面,改造后功能也从办公用房改为商场,因此设计恒载、活载均有所增加。原设计楼板均为预制多孔板,受力及耐久性均不能满足要求,需对楼板进行加固处理。在确定楼板的加固方案时,从造价、耐久性等方面综合考虑,采用以下加固方法:将板两侧的两个圆孔从顶部各开一条槽,在孔底和板面各放置φ12纵向主筋一根,并在板面布设φ6、间距为150 mm 的双向钢筋网。最后用C25细石混凝土将两侧的圆孔浇捣密实,并将板面加厚50 mm,同时要求随捣随抹平,代替装饰面层的找平层,使加固后的多孔板,有效高度不小于120 mm,加固后的多孔板相当于带肋的槽形板。另外,在梁面处附加板面筋,板端处混凝土浇捣要求密实,使单跨板变为连续板,利用板面负筋承受负弯矩的同时,可减小跨中弯矩。加固说明还要求处理好新旧混凝土结构面。
3.地基基础加固
该建筑物Ⅰ、Ⅱ区块使用近30年,Ⅲ区块也使用10年以上,且均为桩基础,地基沉降早已稳定,结合《建筑抗震鉴定标准( GB 50023-95 ) 》和以往经验,桩基础持力层在长期压缩和固结作用下承载力可提高20%左右。在设计过程中充分利用这一潜力,尽可能使荷载增加控制在20%以内,这样基础可不进行加固处理。
(三)加固设计
1.加固计算
建筑整体计算采用中国建科院开发的多高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE。该地区抗震设防烈度为6度,设计基本加速度值为0. 05 g,各区块建筑物高度均小于30 m,根据《建筑抗震设计规范(GB 50011-2001) 》中的要求,框架抗震等级为四级。商场部分均布活荷载取为3.5 kN /m2 ,屋面停车场均布活荷载取为4.0kN/m2,宾馆均布活荷载取为2.0kN/m2。
Ⅰ、Ⅱ区块混凝土实测抗压强度等级为C30~C40,计算时按C30 取值。Ⅲ区块混凝土实测抗压强度等级为C20,加大截面处混凝土等级采用C30,计算时按C25取值。
2.加固构造措施
为满足抗震规范要求,框架的加固构造处理是工程的难点之一。原柱箍筋肢距偏大,且直径偏小,外围增加封闭箍筋。由于框架梁采用体外预应力加固,因此梁柱节点处理成为关键。
多孔板加固施工时,应先在板底将板支撑好,然后开槽、布筋和浇捣混凝土。新布设的纵筋要垫起5~10 mm。混凝土浇捣后,必须加强养护,在达到规定强度后,方可拆除支撑,板底如有裂缝可用环氧树脂进行封闭。

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