商住樓加層續(xù)建工程抗震與加固設(shè)計探討

　　關(guān)鍵詞：商住樓，抗震加固設(shè)計

　　1工程概況

　　某商住樓為8層建筑,其中1、2層為商場,2層以上為住宅。1層高5.5m,2層層高3.8m,3至頂層層高3m,總高度27.45m。建筑結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),人工挖孔樁基礎(chǔ),一柱一樁,樁徑均為1.2m�？偨ㄖ�面積約3100m2。首層柱結(jié)構(gòu)見圖1。

　　該工程于2007年1月完成設(shè)計工作,2007年3月份開工,在三層梁樓板混凝土施工完畢時,發(fā)現(xiàn)首層柱混凝土強度不足。經(jīng)現(xiàn)場無損檢測和抽芯試驗,首層柱(樁頂標高～建筑2層梁底標高范圍)混凝土強度測試值為25.6～27.5MPa(原設(shè)計為C35)。

　　與此同時,建設(shè)單位提出加建一層的要求。增加一層后,房屋總高度變?yōu)?0.45m,屬高層建筑設(shè)計范疇。

　　顯然,直接加層勢必造成建筑結(jié)構(gòu)的安全隱患,后繼施工前,必須對已建部分進行加固處理。處理方法：首先,分析在已建結(jié)構(gòu)上直接加層的結(jié)構(gòu)模型的受力特性,特別需要判別其是否滿足《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3-2002)(以下簡稱《高規(guī)》)及《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)(以下簡稱《抗規(guī)》)的要求,從而確定需加固的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；進而對已建部分結(jié)構(gòu)進行加固設(shè)計,最后,驗算加固后的加層結(jié)構(gòu)模型是否滿足現(xiàn)行規(guī)范的各項要求。

　　2房屋直接加層的結(jié)構(gòu)受力特性分析

　　2.1直接加層的結(jié)構(gòu)計算模型

　　原設(shè)計采用PKPM系列工程軟件SATWAE進行內(nèi)力分析和配筋計算。為模擬基于首層柱混凝土強度不足情況下,直接加層后建筑結(jié)構(gòu)的受力特性,直接加層的結(jié)構(gòu)模型是在原設(shè)計模型的基礎(chǔ)上,在建設(shè)方要求的加層部位相應(yīng)增加一個結(jié)構(gòu)層。根據(jù)柱混凝土強度檢測報告,改首層柱混凝土強度等級為C25,按《高規(guī)》進行設(shè)計,振型數(shù)取24個(原設(shè)計取21個),其余參數(shù)同原設(shè)計。

　　2.2計算結(jié)果

　　(1)地基基礎(chǔ)

　　加層后各柱柱底內(nèi)力較原設(shè)計均有提高,柱底組合軸力最大提高幅值為659kN,最大組合柱底軸力為5600kN。原設(shè)計單樁豎向極限承載力特征值Ra=5800kN。經(jīng)驗算,樁基承載力滿足加層要求。

　　(2)框架梁

　　計算結(jié)果表明,加層后,各層框架梁內(nèi)力均有所增大,梁端彎矩、剪力普遍較原設(shè)計增大15%～25%。其原因主要是加層后,建筑質(zhì)量、建筑高度增加,導(dǎo)致風(fēng)荷載、水平地震作用效應(yīng)增大。但結(jié)構(gòu)1、2層(對應(yīng)建筑2、3層,即現(xiàn)場已施工樓層)僅6根框架梁顯示超限信息,提取這兩層未顯示超限信息的框架梁原配筋量驗算此時的梁內(nèi)力,發(fā)覺仍有部分框架梁承載能力不能滿足要求。

　　(3)框架柱

　　框架柱軸壓比計算結(jié)果見表1。首層所有柱軸壓比、體積配箍率均超限。軸壓比最小值為0.91,最大值為1.29；2層部分框架柱軸壓比超限,最大值為0.99。說明加層后1、2層柱承載力不足,延性不能滿足規(guī)范要求。

　　(4)周期及層間位移

　　加層前后周期計算結(jié)果如表2所示。加層前的結(jié)構(gòu)最大周期為1.4556s,加層后為1.7694s。加層前后的結(jié)構(gòu)前三階振型均表現(xiàn)為x方向的平動,y方向的平動和扭轉(zhuǎn)振動。直接加層后結(jié)構(gòu)的周期比符合《高規(guī)》要求。直接加層前后的層間位移值見表3。由表3可知,結(jié)構(gòu)加層后,在x方向地震作用下,結(jié)構(gòu)層1的層間位移角不符合《高規(guī)》要求。

　　3加固設(shè)計

　　通過以上分析,可確定需加固的結(jié)構(gòu)部位是首層柱、個別2層柱、結(jié)構(gòu)1、2層部分框架梁,且加固施工的時機,應(yīng)選擇在現(xiàn)時樓面活荷載(甚至建筑裝修恒載)尚未形成的有利時期。

　　3.1框架梁的加固設(shè)計

　　采用外粘貼鋼板加固法,既可增加梁的承載力和剛度,又可減少對室內(nèi)使用空間的影響�？紤]到結(jié)構(gòu)1、2層框架梁加固前并未承受樓面荷載,此時應(yīng)力水平指標很低,故不考慮應(yīng)力滯后的影響,按《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》(GB50367-2006)進行加固設(shè)計。同時,通過驗算,應(yīng)防止加固后的梁出現(xiàn)“強彎弱剪”現(xiàn)象。部分框架梁加固圖見圖3所示。

　　3.2框架柱加固設(shè)計

　　框架柱除承載能力不足外,其x向抗側(cè)力剛度也不足。結(jié)合建筑室內(nèi)使用空間要求,采用增大截面法加固。角柱沿x、y兩個方向增大截面尺寸,中柱、邊柱沿x向(柱短邊)增大截面尺寸。加固用混凝土強度等級C30,HRB335級鋼筋,加固所需鋼筋用量,按加層后所需鋼筋總量減去原設(shè)計鋼筋用量確定。在新舊混凝土結(jié)合面,后錨抗剪短筋以增強新舊混凝土的協(xié)同作用。新舊混凝土組合截面的混凝土強度按式(1)折算:

　　fcc=1/2(fc0+0.9fc)[2](1)

　　式中fcc為新舊混凝土組合截面的混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；fc0為舊混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值；fc為新混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值。

　　求得新舊混凝土組合截面的fcc=12.39MPa,電算錄入時按C25強度等級。首層框架柱加固后的截面尺寸見圖5,部分柱加固圖見圖6～圖9所示。

　　4加固后加層的結(jié)構(gòu)驗算

　　加固后加層的結(jié)構(gòu)電算模型,首層、2層柱截面按加固后的尺寸錄入,加固后的框架梁截面尺寸,根據(jù)剛度等效的原則,由式(2)、式(3)推導(dǎo)出等剛度的混凝土梁截面尺寸計算公式(式4)[2,3],按換算截面尺寸錄入。未加固的梁、柱按原尺寸,其余計算參數(shù)同直接加層的結(jié)構(gòu)模型。加固后加層結(jié)構(gòu)的電算結(jié)果見表1～表3。

　　EI=Ec0Ic0+0.5EaAaa2a(2)

　　EI=1/12Ec0•bh3(3)

　　(4)

　　式中,EI為加固后的截面剛度近似值；Ec0和Ea分別為原構(gòu)件混凝土和加固用鋼材的彈性模量；Ic0為原構(gòu)件截面慣性矩；Aa為加固構(gòu)件一側(cè)外粘鋼材截面面積；aa為受拉與受壓兩側(cè)鋼材截面形心之間的距離；b0為加固前梁的截面寬度；h0為加固前梁的截面高度；b為等剛度換算后梁的截面寬度,取b=b0；h為等剛度換算后梁的截面高度。

　　從表1～3中可以看出,加固后加層結(jié)構(gòu)的自振周期有所降低,x方向地震作用下的層間位移角和柱的軸壓比均能滿足規(guī)范要求。另外,加固后的周期比、剪重比、剛重比(未列出)等均符合規(guī)范要求。

　　5結(jié)語

　　按本文的加固處理方法,該工程已于2007年9月完成加固施工,全部工程于2008年8月竣工,目前使用情況良好。

　　通過對本工程的加固處理,可得到如下結(jié)論:對類似的工程進行加固設(shè)計,需合理采取加固前后的結(jié)構(gòu)計算模型,但不應(yīng)輕信軟件的超限信息,需手、電算配合,完成驗算及加固設(shè)計工作,重視加固時機選擇,對加層后的建筑結(jié)構(gòu),需特別注意加固后的結(jié)構(gòu)是否能滿足《高規(guī)》及《抗規(guī)》的要求。

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