淺談結構加層柱腳的加固設計

摘要：原工程設計為三層混凝土框架結構，只建了一層，層高為4.8米。現要求增加三層鋼結構大空間開敞式辦公用房，一層原混凝土柱與基礎進行加固處理，二層與鋼柱基礎可靠性連接。為保證加層鋼框架結構的抗震性能以及新舊結構的整體性，鋼框架柱腳節點是關鍵。本文分析了鋼筋混凝土框架的鋼加層柱腳節點的一般做法，提出了一種柱腳剛性連接構造，該構造能有效提高柱腳節點的抗震性能。

關鍵詞：增層改造 加固設計 柱腳連接

1 工程概況

武漢市人民會議中心第二餐廳是混凝土框架結構，原設計為三層，只建了一層，高度為4.8米。該建筑建于上世紀八十年代，運行至今已有二十多年，隨著發展的需要，現計劃在已有的一層混凝土框架結構上加建三層大空間辦公用房。整棟建筑物高度為19.8m，共有四層，加層部分采用鋼結構形式。該建筑結構安全等級為二級，丙類建筑，場地類別為Ⅰ類，抗震等級為四級，抗震設防為6度。根據新規范，該建筑的樓面活荷載標準值已有所改變，如：辦公室3.0kN/m2，樓梯3.5kN/m2，機房4.0kN/m2，不上人屋面0.5kN/m2，這些活荷載標準值比原設計的活荷載標準值都有大幅度提高。由于新結構加到四層，一樓框架柱的截面面積和配筋均偏小，所以必須對一樓框架柱進行加固。

2 加固方案

2.1 框架柱的加固方案

對一層框架柱進行加固處理最常用的方法是加大截面法和外包鋼法。

加大截面法的特點：施工周期較長，費用相對較低，施工會對一樓的正常使用造成影響。

外包鋼法的特點：可以提高結構的強度和剛度，施工周期短、影響較小，費用偏高。

經過反復計算核定和成本比較，實際采用了外包鋼加固法。

2.2 加層的方案

在原有結構上進行加層，有兩種方案可供選擇：①鋼筋混凝土框架結構：優點是造價比鋼結構低，結構形式與原結構相同，連接情況好，立面容易處理；缺點是自重大，在相同的承載力要求下，梁柱截面都比鋼結構大，新舊柱鋼筋的連接處理困難，施工周期長。②鋼結構：優點是強度高、重量輕，在相同的剛度和強度要求下，鋼結構可以達到更大的跨度，實現更大的建筑空間和建筑高度；塑性和韌性好，抗震性能優越；制作加工方便，適合于機械化生產，施工周期短。缺點是耐火性差，溫度超過200℃后鋼材的強度、剛度急劇降低，到600℃時就完全失去承載能力；易腐蝕，在使用過程中應保持環境的干燥，并且需要經常維護；造價較高。

如果采用鋼筋混凝土結構，一方面自重較大，柱基礎的承載能力有限，無法滿足規范要求；另一方面，業主要求盡量增加有效使用面積，而混凝土結構由于梁柱截面較大，跨度較小，無法提供更大的空間。同時，混凝土框架結構施工周期較長。經過比較分析，實際采用增加三層輕鋼結構的方案，既縮短工期，又滿足業主要求。

3 柱腳剛性連接設計

對于一般加層工程，采用鋼結構與采用混凝土結構相比，鋼結構傳遞到下部的水平荷載變化不大，而豎向荷載卻明顯減小。在質量和剛度方面，新增加的三層輕鋼結構與原混凝土結構沿豎向有比較大的突變，因此，新增加的三層輕鋼結構在水平荷載（即風荷載、地震荷載）作用下會產生明顯的鞭梢效應。為了保證加層后結構的整體性，以及加層鋼結構的內力有效的傳遞到原混凝土結構，鋼框架柱腳節點是加層工程的關鍵。

3.1 常用柱腳連接方案

在采用鋼結構加層的工程中，有以下3種常用的柱腳剛性連接方案：

鉆孔連接法：即先直接在原有的混凝土柱頭上鉆孔，然后將過渡鋼板與伸入柱內的錨固鋼筋焊接，再將鋼筋用結構膠錨固，最后等結構膠硬化后安裝鋼柱。鉆孔連接法的優點是施工簡單；缺點是連接節點的抗震性能，以及施工質量的可靠性和結構膠的耐久性未能得到明顯提高。

柱內鋼筋連接法：如果原框架柱頂的配筋太密，無法在混凝土柱頭上鉆孔，即不能采用鉆孔連接法，則可以采用柱內鋼筋連接法，即在柱內選擇合適的主筋進行加熱調直，在底板上開孔，將主筋和底板采用賽焊縫連接，然后在柱底鋪上細石混凝土進行找平，最后將底板與鋼板用螺栓連接。柱內鋼筋連接法的缺點是無法提高連接節點的抗震性能，有時也很難找到足夠的鋼筋。

U型箍連接法：即鋼柱下的梁用U型箍連接，在梁頂的鋼板上鉆孔，用塞焊縫或螺栓連接。U型箍連接法的適用范圍是只增加一層或加層后內力增加較小的結構。此方法施工簡便，但不能改進節點的承載能力。

以上3種柱腳剛性連接方法，均不能提高結構的抗震性能，也不能保證加層后結構柱腳在復雜應力狀態下的承載能力。

3.2 抗剪栓釘連接方法

本工程采用的柱腳抗剪栓釘連接構造，如圖1所示。適當減小鋼柱的柱腳底板尺寸，采用外包混凝土補償減小的面積，即在鋼柱柱腳以上l/4高度處設置抗剪栓釘，在柱腳四周澆筑外包混凝土。此構造使鋼柱頂的荷載通過柱腳周邊的抗剪栓釘傳遞到外包混凝土上，再由外包混凝土傳遞到底層的鋼筋混凝土框架柱上?？辜羲ㄡ數木唧w做法是：在鋼柱四周將12根直徑為22的HRB335的鋼筋穿過鋼柱底板植入原混凝土柱450mm，在縱向鋼筋上綁扎箍筋，形成一個整體，然后澆筑外包混凝土，使新柱尺寸與原柱尺寸保持一致，澆筑過后的新柱同樣采用外包鋼加固。該構造措施能夠使上部鋼結構的內力有效的傳遞到下部鋼筋混凝土結構上，且加強結構柱腳在復雜應力狀態下的承載能力，顯著提高結構的抗震性能。

理論上，鋼柱的底板尺寸應該與采用外包鋼加固后的底層鋼筋混凝土柱的截面尺寸保持一致，鋼柱與鋼筋混凝土柱的軸線重合。實際上，原來的一層框架結構的施工質量存在問題，混凝土柱有少量的偏移，導致加層的鋼柱軸線與原混凝土柱軸線不能完全貫通。因此，新增加的三層輕鋼結構與原鋼筋混凝土結構的連接處采用外包混凝土加大了傳力面，加層的鋼柱軸線與原混凝土柱軸線最大偏離在30mm左右，對柱周邊的梁施加了偏心壓力，使梁產生了扭轉變形，所以要對周邊梁進行處理。經過反復核算，決定采用對柱梁結點加腋的方法，該方法可以改變梁的計算跨度，能夠改善周邊梁的受力情況，減小扭轉變形的影響。

4 梁板的加固

根據新規范，該建筑的樓面活荷載標準值比原設計的活荷載標準值有大幅度提高。原有的一層框架結構的梁板不能滿足設計要求，所以對梁采用粘鋼加固處理，而對板則采用粘貼碳纖維布的方法加固處理。

5 結論

通過本工程的結構加層設計，可以得到以下兩點體會：①為了保證加層后結構的整體性，以及加層鋼結構的內力有效的傳遞到原混凝土結構，鋼框架柱腳節點是加層工程的關鍵，必須采取有效措施，保證新舊結構的連接。本工程采用的抗剪栓釘連接方法，能夠使上部鋼結構的內力有效的傳遞到下部鋼筋混凝土結構上，且加強結構柱腳在復雜應力狀態下的承載能力，顯著提高結構的抗震性能，從而保證了加層工程的整體受力性能。②設計時考慮到加層部分對原有結構的影響，需要進行整體驗算，提高結構的抗震性能。結構加層將造成原有結構的強度或剛度不足，必須采取措施進行加固處理，常用的方法有粘鋼和粘貼碳纖維布加固。

參考文獻：

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