唐山遷安一教學樓工程加固加層改造設計

       隨著國民經濟快速發展,人們對生產生活條件的要求逐步提高，對現有建筑結構的鑒定和加固也日益增多。文章結合唐山遷安某學?？蚣芙Y構工程的加固改造設計實例，對加層設計后新舊結構之間的連接節點作了設計探討。 

        1 工程概況 

       唐山遷安某教學樓工程位河北唐山遷安,建于2000年,為現澆混凝土框架結構,無地下室,地上3層,層高分別為4.5、3.9、3.9m,總建筑面積2300m2,上人屋面。建筑物基礎采用鋼筋混凝土獨立基礎,埋置深度2m,落至粉質粘土層,承載力特征值為190kn/m2。由于使用功能的改變,要求在原結構上加蓋2層作為學生活動中心與舞蹈教室,2009年對該食堂進行加固改造與加層設計,加層部分層高為3.9m。 

      2 原結構安全驗算及加層方案選取 

       2.1 沉降觀測與地基承載力驗算 

        該建筑物地基比較均勻,經沉降觀測點觀測到的沉降數據和竣工時的數據對比發現變化不大,地基已趨于穩定,未發現不均勻沉降的情況。 

工程竣工至今9年時間,粉質黏土地基趨于密實,其地耐力按有關資料能提高20%～30%,但由于加設兩層后,經驗算,部分基礎的地基承載力仍有不足,需要采取加固措施。 

        2.2 構件承載力驗算 

        對原結構用satwe有限元軟件進行抗震整體計算分析,并結合構造進行綜合評價,對結構基礎、梁、柱、板等構件進行驗算,發現原結構有如下特點: 

       1)梁、板承載力較為富余,加層對其影響相對較小。 

       2)a,b軸線上各柱軸壓比較小,有加荷的潛力,框架柱b2～b4、c2～c5軸壓比較大,若加荷,軸壓比很可能超限。 

       3)a,b軸線上各柱下獨立基礎的設計富余量很大,b2～b4、c2～c5柱下獨立基礎設計富余量相對較小。 

       4)結構不能直接進行加層,必須對舊結構先加固后方能加層。 

       2.3 加層方案選取 

       按照經濟、安全、適用的原則,在加層設計中應有效利用原結構的設計的富余量,充分發揮原有構件的潛力。經過綜合分析采用鋼筋混凝土框架結構作為加層部分的結構形式,其優點為能與原結構相同并很好地進行連接,造價低,更加符合學生食堂的使用要求。 

       3 加固設計方法 

       3.1 框架柱的加固設計 

        框架柱b2～b4、c2～c5,設計富余量比較小,加層后軸壓比超限,在7度多遇地震下抗震能力不足,需要進行加固處理。由于食堂空間比較大,無空間限制,故選擇采用”增大柱截面加固法”來進行加固處理。經計算需對1～3層的框架柱b2～b4、c2～c5進行加固處理?，F以c2柱的設計加固方法作詳細介紹。 

        首先在原鋼筋混凝土柱的外圍增加主筋和箍筋,再澆注混凝土,使原柱尺寸增加至600mm×600mm,經過加固后的c2柱剖面圖如圖1所示。運用satwe軟件對加層前后結構進行模擬,得底層c2柱各內力參數如表1所示。 

       由表1看出,經過加固加層后,框架柱的各項指標均達到規范要求,柱的受壓、受彎、受剪承載力以及剛度得到全面提高。 

        使用該加固方法經濟可靠、簡便易行,達到了預期的要求。施工過程中,采用增大柱截面法對柱進行加固應注意以下要點: 

        1)為保證新舊混凝土充分結合,需在結合面上開鑿出6mm左右的凹凸槽并將表面清洗干凈,再在上面刷一層純水泥。 

        2)新增的縱向鋼筋也需按照規范要求進行錨固,以保證其有效傳力。 

        3)梁柱交接處加入箍筋鉆孔時可能對原結構產生影響,故應按照等體積配箍率的原則將其換算成粗而稀的鋼筋。 

        3.2 柱下獨立基礎加固 

        結構基礎采用現澆混凝土獨立基礎,經驗算,加層后框架柱b2～b4、c2～c5柱下獨立基礎抗彎剪能力略有不足,其余基礎則能滿足規范要求。地基土質較弱,加層后,地基的承載能力不夠,需對框架柱b2～b4、c2～c5柱下獨立基礎進行擴展以減小地基承受的作用力,經研究決定采用植筋加固補強法加大基礎截面進行改造加固。加固c2柱下獨立基礎如圖2所示。 

        可以看出,采用植筋加固擴大基礎截面面積的方法一定程度上減少了基底壓力,且對原結構無損傷,經濟效益與社會效益顯著,達到了預先的加固目的。 

        施工過程中,采用植筋加固補強法應注意以下要點: 

       1)按規范要求對鋼筋進行錨固,錨固前應進行清孔,以保證達到設計的粘結強度。 

       2)鉆孔前要用儀器對原結構中的鋼筋位置進行測定,以免鉆孔造成對原結構的損壞。 

       3)植筋施工完畢后需進行拉拔試驗,檢驗其抗拔力是否達到設計要求。 

       3.3 其他部分改造加固措施 

      1)減輕上部加層結構重量,采取以輕質保溫材料陶粒土空心磚作為填充墻材料的措施。 

      2)減輕下部結構的重量,采取加大原結構門窗開洞面積的方法。 

      3)加強新舊結構交接處連接的可靠度。 

     4)梁、板承載力有富余無需特別加固,只需剔除原結構屋面防水層。 

      3.4 新舊結構連接處做法 

      由于原柱沒有足夠長的鋼筋來進行焊接,經研究決定在原屋面上加做一條500mm×500mm的圈梁,把原結構屋面梁鑿開,將其與圈梁鋼筋進行焊接,再將加層柱鋼筋及圈梁鋼筋與下層柱深入梁內的鋼筋進行焊接。這樣大圈梁就形成一道箍,也形成了一個支座將上下層柱進行有效連接,如圖3所示。這樣很大成程度上提高了結構的整體性,使新舊結構的連接更為緊密。 

       4 結構位移復核 

       由于建筑物高度增加了7.8m,上部荷載也相應增大很多,為了確保其安全性,需對結構在地震作用下的位移進行復核。由于新舊結構之間的連接牢靠,可不考慮連接處對整體結構的影響。用satwe進行模擬,得出加固加層前后結構沿y方向的位移與位移角的值。 

        可以看出,結構雖然加高2層,但經加固后,y方向頂層位移值為17.2mm,更大位移角為1/812,滿足gb50011-2001《建筑抗震設計規范》 (2008版)彈性層間位移角及位移限制要求,加固后的部分樓層比原結構的安全性有所提高,加固方案起到了很好的效果。 

       5 結束語 

       在本工程中, 采用增大柱截面法加固全面提高框架柱的各項性能,施工易行,經濟可靠，該方法起到了很好的效果,通過植筋加固擴大基礎截面的方法有效提高基礎的抗彎剪能力,減少基底壓力,對原結構無損傷,具有良好的經濟效益。