框架结构加固设计方案比选

周剑 刘洋 王翊辉

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 西安710065)

引言

随着我国城镇化建设的加速及现代化进程的推进,很多老旧建筑虽然远未达到使用年限,但其性能已不满足现在的要求,或新建建筑在建造过程中使用功能发生改变,导致大量建筑加固改造工程出现。

结构加固方法多种多样,在工程中由于加固方案选择不当而造成严重后果的事例屡见不鲜,根据工程特点恰当选择加固方案是工程加固设计的关键。

本文结合实际工程案例,进行多种加固方案的对比,并深入剖析每种加固方案的优缺点,文章的研究思路及内容可为类似工程提供参考[1,2]。

1 工程概况

本工程位于陕西省西安市,抗震设防烈度8度(0.20g),场地类别II 类,地震分组第二组。建筑高度23.10m,框架结构,地下1 层,地上6层,主要建筑使用功能为办公楼,效果图见图1。建筑平面布置呈“C”字形,并由抗震缝分割成A、B、C 区,如图2 所示。

图1 工程效果图Fig.1 Project renderings

办公楼主体竣工后,由于办公面积不满足使用要求。业主提出将B 区四、五层洞口区域楼板封闭,以增加办公使用面积。四、五层结构布置如图3 所示。

封板区域尺寸16.2m×8.1m,封闭后楼面使用活荷载2.0kN/m2。楼板封闭后,增加的荷载主要传递到⑦轴的KL -A上,该框架梁跨度为16.2m,截面尺寸0.4m×1.5m。经计算,实际配筋不能够满足封楼板后的使用要求,需要进行框架梁加固。

图2 A、B、C 分区示意Fig.2 Schematic diagram of A,B and C

图3 B 区四、五层楼板结构布置示意Fig.3 Structure arrangement of four or five floor in B zone

工程先后考虑了增大截面法、整体桁架加固法和外包型钢加固法进行加固设计,通过方案比选,最终选用了外包型钢加固法进行施工。

为了结合工程特点,对比各加固方法的优缺点,文章选取需要加固的KL -A 的跨中截面进行阐述,同时,假定四、五层KL - A 实配钢筋与所需新增面积相同。

2 增大截面加固法

增大截面加固法简称增大截面法,是指增大原构件的截面面积并增加配筋,以提高其承载力和刚度,适用于钢筋混凝土受弯和受压构件的加固。

2.1 方案设计

封板区域采用钢筋桁架楼承板以减少结构自重,钢次梁布置如图4 所示,钢次梁与原混凝土框架梁采用铰接连接。如何保证⑦轴KL -A 受力合理、安全可靠是研究的重点。

KL-A 原设计条件: 截面尺寸b=400mm,h=1500mm,梁上翻0.6m,混凝土强度等级C30,钢筋级别HRB400,跨中主筋425(顶部)/625(底部),箍筋8@100/200(4)。

封楼板后经计算: KL-A 跨中最大弯矩标准值增至1477kN·m(设计值1885kN·m),在框架梁截面尺寸不改变的前提下,跨中梁底总共需要配置1025 4/6。

图4 四、五层封楼板钢次梁布置示意Fig.4 Four and five layers of floor steel beam layout

封楼板前,框架梁跨中正截面受弯承载力M01计算过程如下:

封楼板后,框架梁跨中正截面受弯承载力M02计算过程如下:

正截面受弯承载力提高幅度为:

式中:h0为框架梁截面有效高度;x为框架梁混凝土受压区高度;As为纵向受拉钢筋面积;fy为纵向钢筋屈服强度;fc为混凝土轴心抗压强度设计值;M0为跨中正截面受弯承载力。

根据规范[3],正截面承载力提高幅度超过40%,不应采用粘贴钢材加固法和粘贴纤维复合材加固法。因此选用可以同时增大截面尺寸及配筋的增大截面加固法进行框架梁加固。

图5 增大截面法加固Fig.5 Enlarged section method for reinforcement

框架梁KL-A 截面由400mm×1500mm 增大至600mm×1500mm,用YJK 计算软件进行整体计算,KL-A 顶、底纵筋需分别增加525,增大截面法KL-A 加固详图如图5 所示(图中d为新增箍筋直径)。

2.2 方案剖析

由于原混凝土收缩已经完成,后浇混凝土凝固收缩时易造成界面开裂,新旧混凝土是否良好结合、协同工作是增大截面法施工控制的要点[2]。

KL - A 截面高度h=1500mm,跨度L=16.2m,高度和跨度分别是常规框架梁的2 倍,现场湿作业量大,这就给施工提出了更高的要求,若现场养护不到位,更容易在新旧混凝土的结合处产生开裂,或在内部的界面产生开裂,造成安全隐患[4]。同时,类似项目加固经验较少,基于此原因,增大截面法不作为该加固工程的首选方案。

3 整体桁架加固法

为减少现场湿作业,加固思路从加固构件转为改变局部结构体系以达到加固目的。

3.1 方案设计

加固方案进行了专家咨询,根据专家提出的建议,四、五层框架梁之间可以通过设置钢腹杆,使两层梁之间形成整体桁架,通过局部改变受力体系的方法解决KL -A 承载力不足的问题。随后,进行了整体桁架加固方案的设计,钢腹杆布置方案如图6 所示。

图6 桁架详图Fig.6 Detail view of truss

采用桁架模型(以下称为模型-2)进行整体计算,经复核,四、五层KL - A 实配钢筋满足计算要求,不必再对KL -A 进行加固,而且其余框架梁、柱的实配钢筋也均能满足模型-2 的计算要求,但桁架模型对整体指标影响较大,采用YJK 计算软件对模型-2 和原始未封楼板的模型-1 进行计算对比,对比结果如表1 所示。

表1 周期及振型对比结果Tab.1 Periodic and vibration comparison results

从表1 中可以看出,由于四、五层之间设置钢斜杆,F ～J 轴之间框架梁形成了整体桁架,改变了原结构桁架面内所在方向(即Y方向)的空间刚度,造成了第2 振型成为扭转振型,但这并未违反规范[5]要求,且第一扭转周期与第一平动周期的比值为0.83 ＜0.90,位移比最大值为1.12＜1.20,其余参数均影响较小。

整体桁架方案虽然改变了结构的局部刚度,但整体计算指标仍可满足规范规定。

3.2 方案剖析

根据计算结果,钢腹杆选用2L160×10 即可满足计算要求,见图6。弦杆KL-A 及腹杆截面特性见表2。

表2 弦杆及腹杆截面特性Tab.2 Chord and web section characteristics

桁架腹杆长细比是弦杆的11.84 倍,构件刚度相差过大,存在严重的尺寸效应问题,且节点处存在剪切滞后现象,无法保证杆件协同工作。若将钢腹杆换成截面尺寸较大的H 型钢或圆钢管,四、五层净高只有2.25m,会造成节点过大且难以实施。

因此,桁架方案也不作为加固的首选方案。同时体外预应力体系由于锚具突出于楼梯间内,影响美观及正常使用,该方案也被业主否定。

4 外包型钢加固法

加固方法最终选择外包型钢加固法,加固材料采用外包角钢加缀板,与混凝土框架梁形成外包角钢-混凝土组合梁。研究结果[6,7]表明,组合梁在受力过程中抗弯承载力高、延性好,角钢与混凝土的协同工作性能良好。

4.1 方案设计

计算内力取自封楼板后YJK 软件整体计算结果,计算方法按格构梁计算。角钢组合格构式截面为4L140×12,缀材尺寸-100mm×5mm,间距为400mm,钢材等级Q345B。设计内力: 跨中弯矩设计值Mx=1885kN·m。单根角钢及格构梁截面特性见表3。

表3 角钢及格构梁截面特性Tab.3 Section characteristics of Angle steel and framed beam

按照规范[8]对格构梁进行受弯构件强度、整体稳定验算,简要计算过程如下:

受弯构件强度验算按照式(5):

式中:Mx为同一截面处对X轴的弯矩设计值(N·mm);Wnx为构件的净截面模量(mm4);γx为截面塑性发展系数,取1.0。

整体稳定性验算按照式(6):

式中:φb为梁的整体稳定性系数;Wx为构件的全截面模量(mm4)。

其中,平面内计算长度16.2m,平面内长细比λx=22.74,分肢对最小刚度轴长细比λ1=10.26 ＜25(不用计算分肢稳定性),平面内换算长细比λox=24.95,整体稳定系数φb=0.95。代入数据得整体稳定验算最大应力为310N/mm2,构件整体稳定验算满足设计要求,框架梁外包型钢加固节点作法见图7。

图7 框架梁外包钢节点Fig.7 Frame girder steel node

4.2 方案剖析

粘钢加固法(又称为湿式外包钢加固法),采用结构胶作为胶粘剂,将型钢粘结在混凝土构件上。但由于目前对粘钢结构胶试验尚不够系统全面,且结构胶存在耐久性及耐火性问题,采用粘钢加固法会影响到构件及结构的使用年限。

而外包型钢加固法(又称为干式外包钢加固法),混凝土构件与型钢之间的缝隙采用水泥砂浆填填塞,外包型钢与混凝土构件彼此单独受力,受力概念清晰、明确。同时,外包型钢加固法可以在不显著增加截面尺寸的条件下大幅度提高其承载能力,增大延性和刚度,且受力可靠、施工简便,现场工作量少[9]。

最终选择外包型钢加固法作为该工程的加固方案,并根据专家意见,在缀板端部设置M8 锚栓(图7),以防止缀板的面外失稳和改善构件的整体性能。

4.3 施工工艺及要点

加固施工工艺如下: 表面清理→表面打磨→放线→钢材表面清理→组装焊接→用修补胶埋设灌浆嘴并封边→配制I 类水泥基灌浆料→压力灌浆→检验→表面防护。

鉴于加固工艺的复杂性,施工队伍必须是专业的加固施工队伍,加固施工前应编制详细的施工组织并进行详细的技术交底,施工过程中各工序应连续进行,严格遵照操作流程,并且质检员应对全过程相关工序进行检查。

施工技术要点: I 类水泥基灌浆料应严格按说明书提供的配比配制,搅拌均匀后方可使用。一次配制量不宜过多,以40min ～50min 用完为宜。

缀板与角钢搭接部位需采用三面围焊,焊脚尺寸4mm,焊缝应均匀,无虚焊、漏焊。为避免局部过热,缀板应分段施焊[10]。

5 结语

结合工程特点,对增大截面加固方案、桁架加固方案及外包型钢加固方案进行了方案比选,最终选择了外包型钢加固方案,该方案既可以很好地满足业主提出的安全性、耐久性要求,又便于现场施工,控制施工质量,达到了设计合理、安全可靠、业主满意的加固效果。结合工程特点,归纳总结如下:

1.增大截面加固法对常规跨度、截面尺寸的构件加固具有明显的优势,但对于跨度、截面尺寸较大的构件,由于现场湿作业量大,质量不宜把控,应慎重选择。

2.桁架加固法对构件局部刚度影响较大,选用该方法时应首先关注桁架对整体结构性能的影响,在相关规范允许的条件下,尚应关注截面尺寸效应、剪切滞后等问题。

3.外包型钢加固法由于不使用结构胶,不会影响结构的使用寿命。对于刚竣工项目的加固,外包型钢加固法相对于粘钢加固法具有明显的优势。且该方法型钢与被加固构件单独受力,受力概念清晰,型钢和被加固构件形成“两道防线”,结构安全度高。同时,现场施工简便,质量易于控制。因此,外包型钢加固法应用于该工程具有明显的优势。

目前,该工程已完工,在使用过程中未发现任何质量问题及其他异常。通过工程检验证明了采用外包型钢加固法加固该工程是可行的。该工程加固方案的比选可为同类工程的设计提供很好的借鉴作用。