多種加固方法在工業建筑改造中的綜合應用

王 強

0 引言

隨著國家大力推進鋼鐵行業結構調整和產業轉型，鋼鐵企業淘汰落后產能、節能減排的技改工程逐步增多，工業建筑結構的改造工程也越來越多。如何選擇合適的加固方法對舊有工業建筑結構進行改造，節約工程投資，縮短建設周期，減少施工對正常生產的影響，為用戶帶來最大的經濟效益是結構設計人員面臨的新問題。本文以工程實例對工業建筑改造的加固方法綜合應用進行探討。

1 工程概況

本工程為某鋼鐵廠原料場工程轉運站的改造，轉運站設計完成于2003年。建筑平面較為規則，長為26.3 m，寬為9.0 m，地上6 層，高25.95 m，總建筑面積約 727.7 m2。

轉運站為鋼筋混凝土框架結構，結構安全等級為二級，基礎采用樁基，基礎埋深為2.100 m，梁柱混凝土強度等級為C30(局部樓層為C35)，樁采用直徑800的鉆孔灌注樁，樁長45 m，樁基持力層為③8層粉細砂層。

2 改造的主要內容

1)轉運站內新增一臺振動篩，由于舊有轉運站的空間有限，無法滿足新設備的布置，故在舊有框架⑥軸線外側擴建一個柱距，柱距為4.500 m;2)拆除轉運站內現有F104膠帶機的重錘拉緊裝置平臺，增設振動篩平臺(見圖1);3)對原轉運站內篩上漏斗進行改造，改造后的篩上漏斗與原有的框架梁干涉，需拆除此處的框架梁;4)增設振動篩的檢修單軌吊和屋面圍護結構。

3 改造中存在的問題

通過與生產廠相關人員的交流和施工現場結合，本工程改造存在以下問題:

1)在舊有框架⑥軸線外側擴建一個4.500 m的柱距，建設場地上方為現有的F104膠帶機，樁基施工有一定困難;2)拆除F104膠帶機的重錘拉緊裝置平臺，改造篩上漏斗，此兩處涉及原有框架梁的拆除，框架柱的計算長度增加;3)增設振動篩平臺和振動篩的檢修單軌吊，增加了原有框架柱的荷載，須對原有結構仔細核算;4)業主要求設備的停機、與新系統的切換只能利用工廠定修時間進行，故施工周期比較短。

圖1 轉運站改造平面布置圖

4 加固方法的選擇及運用

目前鋼筋混凝土結構常用的加固方法有增大截面加固、外包型鋼加固、粘貼纖維復合材料加固、粘貼鋼板加固、置換混凝土加固、改變結構傳力途徑等方法。針對轉運站改造中存在的上述問題，經過仔細的研究和分析，認為:唯有多種加固方法綜合應用，使結構改造分步實施才能有效的解決改造中最為突出的施工時間短的問題。

采用增大截面加固法、置換混凝土法進行加固，施工工藝雖比較簡單成熟，但現場的濕作業工作量大，養護時間較長，對生產有一定影響，故不適合本工程。采用粘貼纖維復合材料加固法進行加固，該法雖然施工周期較短，但須由專業的施工人員施工，并且纖維復合材料不能直接暴露于陽光中，其表面應進行專門的防護，也不適合本工程。經比較采用外包型鋼加固法和改變結構傳力途徑法的聯合運用是最好的選擇。原因如下:1)外包型鋼加固法是通過在鋼筋混凝土梁、柱四周包以型鋼來提高構件的承載能力，具有施工簡便，施工工期短的特點;2)采用改變結構傳力途徑法，盡量用新增的結構構件承擔主要的荷載，減少加固構件的數量;3)在拆除舊有框架梁之處的附近新增框架梁，通過改變結構傳力途徑，給原有框架柱提供側向支撐，解決因為框架梁的拆除造成框架柱計算長度增大，內力增加的問題。

故本工程采用了以下結構措施:1)樁型選用φ800的鉆孔灌注樁，擴建的場地上方有12.0 m高的空間，能夠滿足施工機具施工的空間;2)拆除標高17.470 m平臺，在標高15.470 m處新增振動篩平臺;拆除標高21.970 m處與篩上漏斗干涉的框架梁，在其上方標高22.870 m處增設新的框架梁，在上述兩處給原有框架柱提供側向支撐;3)屋面的檢修單軌吊和振動篩均由新增的框架梁、柱承擔主要的荷載，部分直接由新增框架梁傳遞給原有框架柱;4)構件加固采用外包型鋼加固法，給結構改造分步實施提供可能。

5 結構分析

5.1 計算參數

根據本工程的實際要求并結合現場實際情況，采用中國建筑科學研究院PKPM系列軟件(2008年版)進行內力計算分析。抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，設計基本地震加速度為0.10g，建筑場地類別為Ⅲ類場地，框架抗震等級:三級。基本風壓:0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類;基本雪壓:0.65 kN/m2，其余荷載取值按工藝資料。

5.2 計算結果

1)結構自振周期及振型。采用satwe整體分析，結構自振周期 T1=1.2767 s，T2=1.0158 s，T3=0.8226 s。第一、二振型為平動，第三振型為扭轉。最大扭轉周期與最大平動周期之比為0.64，滿足現行規范要求。

2)結構位移。在X方向地震力作用下的樓層最大位移角為1/1091，在Y方向地震力作用下的樓層最大位移角為1/1097，滿足現行規范要求。

3)結構構件的配筋驗算。計算結果表明，原有框架柱的軸壓比及配筋均能滿足要求，僅部分框架梁和樓面梁的抗彎承載力不足。由此可說明，另新增的框架梁能給原有框架柱提供足夠的側向支撐，減少由于部分框架梁拆除對框架柱的影響。用新增的結構構件承擔主要的荷載后，需要加固的梁數量不多。通過采用改變結構傳力途徑的方法進行加固發揮了較大的作用，可分步實施，對生產影響最小。

6 加固節點構造

6.1 框架梁、樓面梁的加固

根據SATWE計算結果對抗彎承載力不足的框架梁、樓面梁采用外包型鋼法進行加固，外包型鋼加固后，用改性環氧樹脂膠粘劑進行灌注。為了保證力的可靠傳遞，加固鋼筋混凝土梁的型鋼通長設置，并設置鋼板箍或螺桿箍(見圖2，圖3)，既提高了鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪承載力，又對加固型鋼起到了附加錨固的作用。為了保證加固效果，本工程灌漿膠采用A類膠。加固完成后，在外包型鋼的表面抹25 mm厚水泥砂漿作為防護層。

圖2 框架梁的加固詳圖一

圖3 框架梁的加固詳圖二

6.2 框架梁、柱節點連接

加固結構新舊兩部分整體工作的關鍵，主要在于結合面能否有效地傳遞和承擔剪力和拉力。在框架節點核心區外包封閉的鋼板箍，并設置化學螺栓，利用化學螺栓所產生的被動剪切—摩擦力來抵抗結合面處出現的剪力和拉力(見圖4)。框架柱外包鋼板箍加固后，用改性環氧樹脂膠粘劑進行灌注，對框架梁兩端型鋼與框架柱上的鋼板箍焊接。為更好的傳遞框架梁端的負彎矩，在梁端上表面焊有負彎矩加固鋼板帶與框架柱上的鋼板箍連接。

圖4 框架梁、柱的連接示意圖

6.3 植筋技術的應用

根據《混凝土結構加固設計規范》第12.2.3條，植筋的基本錨固深度ls可按下式確定:

式中考慮混凝土劈裂影響的計算系數αspt主要與植筋直徑、混凝土保護層厚度及箍筋設置情況有關，粘結強度設計值fbd主要與基層混凝土的等級、植筋間距和邊距有關。由《混凝土結構加固設計規范》表12.2.3及12.2.4 可以看出，植筋的直徑越小，考慮混凝土劈裂影響的計算系數就越小，從而基本錨固深度越小;植筋的間距和邊距越大，膠粘劑粘結強度設計值就越大，從而基本錨固深度越小。為了保證植筋的施工質量，本工程采用A級植筋膠，植筋選用直徑小于20 mm的帶肋鋼筋，配筋設計上選用植筋數量少，間距大的方案。

7 結語

工業建筑的設計涉及專業比較多，設備比較多，空間關系比較復雜，結構加固改造設計較之普通結構設計更復雜也更有難度。通過本工程的設計可得到如下結論:

1)工業建筑的結構加固改造須密切與工廠生產、施工現場相結合，根據實際情況選用合適的加固方法;

2)通過改變結構傳力途徑，可以有效的減少加固過程中局部構件拆除和新增載荷對原有結構的影響;

3)唯有多種加固方法相結合，才能找到對工廠生產的影響最小、給用戶帶來經濟效益的最佳結合點。

[1]GB 50367-2006，混凝土結構加固設計規范[S].

[2]GB 50011-2001，建筑抗震設計規范(2008年版)[S].

[3]06SG311-1，混凝土結構加固構造[S].

[4]卜良桃，周 靖，葉 蓁.混凝土結構加固設計規范算例[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[5]卜良桃.建筑結構加固工程設計與施工質量驗收手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.