工業(yè)廠房加固改造的探討與設(shè)計(jì)

張?jiān)r(nóng)

（煤炭工業(yè)濟(jì)南設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，企業(yè)也要發(fā)展，或?qū)υI(yè)生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造，或進(jìn)行設(shè)備更新以及廠房的改建和擴(kuò)建，或擴(kuò)大再生產(chǎn)，或升級(jí)換代，以適應(yīng)新的生產(chǎn)和工作的需要。新建生產(chǎn)線設(shè)備自重一般要增加，如果增加重量很大就會(huì)造成原廠房混凝土結(jié)構(gòu)承載力不足，不能適應(yīng)新的使用要求，導(dǎo)致廠房開(kāi)裂以及抗震性能不良等，影響了廠房的安全和使用功能，因此需要對(duì)原廠房進(jìn)行改造和加固。

廠房結(jié)構(gòu)改造和加固補(bǔ)強(qiáng)主要是提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度、穩(wěn)定性和耐久性；廠房結(jié)構(gòu)加固補(bǔ)強(qiáng)后將大大延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，保證正常的使用要求，從而更好地為社會(huì)服務(wù)。房屋建筑結(jié)構(gòu)加固方案的選擇十分重要，加固方案的好壞直接影響到房屋結(jié)構(gòu)的加固效果和質(zhì)量，合理的加固方案應(yīng)做到加固后效果明顯，對(duì)原結(jié)構(gòu)使用功能影響小，技術(shù)可靠，施工方便，經(jīng)濟(jì)合理。

1 結(jié)構(gòu)加固思路

對(duì)房屋的加固設(shè)計(jì)要有對(duì)要加固房屋是要做加法還是做減法的設(shè)計(jì)思路。做加法就是對(duì)原要加固房屋只做增加補(bǔ)強(qiáng)建筑構(gòu)件而不局部拆除原建筑構(gòu)件的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)不拆或少拆原房屋，加固的安全性高一點(diǎn)。另一種加固思路就是對(duì)要加固房屋進(jìn)行一種先做減法再做加法的設(shè)計(jì)思路，即根據(jù)設(shè)計(jì)要求先拆除部分建筑構(gòu)件，再在這個(gè)基礎(chǔ)上新增補(bǔ)強(qiáng)部分建筑構(gòu)件達(dá)到加固改造的目的。對(duì)房屋的加固設(shè)計(jì)改造方案要兼顧合理性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的加固方法。

任何對(duì)房屋的加固一開(kāi)始都要對(duì)原房屋結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，這種改造是對(duì)原結(jié)構(gòu)的一種損壞，這種損壞是短暫的、是合理的、是必須的，只有這樣才能建造出一個(gè)新的更安全合理有用的建筑。如果沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，就會(huì)導(dǎo)致一開(kāi)始的加固理念是片面的。

被加固的原房屋結(jié)構(gòu)通常仍然具有一定的承載力，在加固時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)原有房屋的損傷，盡量利用原有結(jié)構(gòu)的承載力，要對(duì)原房屋拆除和改造的最不利結(jié)構(gòu)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算看一看原房屋結(jié)構(gòu)在這一點(diǎn)上損傷的程度，防止房屋在加固改造中倒塌，這種工程實(shí)例是很多的。為保證房屋在施工中的安全，要制定出最優(yōu)加固方案，制定出相關(guān)的安全措施和施工方案，把加固風(fēng)險(xiǎn)降到最低。對(duì)加固過(guò)程中有可能出現(xiàn)傾斜、失穩(wěn)、過(guò)大變形或坍塌的混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)在加固設(shè)計(jì)文件中提出相應(yīng)的臨時(shí)性安全措施。

2 混凝土房屋結(jié)構(gòu)加固特點(diǎn)

混凝土加固結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)。房屋結(jié)構(gòu)加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)承受荷載，稱(chēng)之為第一次受力，房屋結(jié)構(gòu)加固后的再受力則屬于第二次受力。加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，存在一定的壓縮變形、彎曲變形等，同時(shí)原結(jié)構(gòu)混凝土的收縮變形已經(jīng)完成。加固時(shí)新增加的結(jié)構(gòu)部分和原結(jié)構(gòu)在新的荷載作用下共同受力。加固結(jié)構(gòu)屬于新、舊二次結(jié)構(gòu)。加固前和加固后兩部分能否成為一個(gè)整體取決于新、舊結(jié)合面能否充分地傳遞結(jié)構(gòu)受力，因此不同于一次整體澆注結(jié)構(gòu)。

3 混凝土結(jié)構(gòu)加固的設(shè)計(jì)計(jì)算原則

混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)首先采用結(jié)構(gòu)分析方法，應(yīng)遵守《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010)規(guī)定的結(jié)構(gòu)分析基本原則，且在一般情況下，應(yīng)采用線彈性分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)。其次在加固混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算。還包括結(jié)構(gòu)上的作用，應(yīng)經(jīng)過(guò)調(diào)查或檢測(cè)核實(shí)；結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型應(yīng)符合其實(shí)際受力和構(gòu)造狀況；結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的尺寸，對(duì)原有部分應(yīng)采用實(shí)測(cè)值；驗(yàn)算結(jié)構(gòu)、構(gòu)件承載力時(shí)，應(yīng)考慮原結(jié)構(gòu)在加固時(shí)的實(shí)際受力狀況，包括加固部分應(yīng)變滯后的特點(diǎn)，以及加固部分與原結(jié)構(gòu)共同工作程度；加固后應(yīng)對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及建筑物地基基礎(chǔ)進(jìn)行必要的驗(yàn)算；結(jié)構(gòu)加固用的混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件提高一級(jí)，且不小于C25級(jí)；加固用鋼材一般選用具有較高的強(qiáng)度利用率和較好的延性，能較充分地發(fā)揮被加固構(gòu)件新增部分的材料潛力。

混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有增大截面加固法、置換混凝土加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、外包型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材加固法、預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合板加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、預(yù)張緊鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿面層加固法、繞絲加固法等。加固方法的選擇應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件和使用要求，進(jìn)行多方案比較，按技術(shù)可靠、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工原則進(jìn)行選擇。

4 混凝土廠房加固工程實(shí)例

混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)已得到廣泛應(yīng)用。以棗莊煤礦陶莊熱電廠鍋爐改造工程為例，鍋爐改造工程原除氧器的工作能力已不能滿足新建鍋爐及發(fā)電需要，需要加大容量。原除氧器工作重量為6t，根據(jù)新建鍋爐及發(fā)電要求新建除氧器工作重量為40t。經(jīng)過(guò)對(duì)原廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)算，發(fā)現(xiàn)原廠房在拆除舊除氧器換上新建除氧器后，原來(lái)的老梁承載力已不能滿足新建除氧器的承載力要求，需要對(duì)原廠房的梁和柱進(jìn)行加固。

首先對(duì)原電廠主廠房進(jìn)行鑒定，查閱原電廠主廠房圖紙，發(fā)現(xiàn)原廠房為九十年代設(shè)計(jì)建造的廠房，使用了二十多年，還在建筑物的有效使用年限內(nèi)。委托有關(guān)建筑質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)單位和聘請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)主廠房主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面檢測(cè)和安全鑒定，檢測(cè)結(jié)果顯示：地基基礎(chǔ)未見(jiàn)不均勻沉降，上部承重結(jié)構(gòu)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)完好；建筑物梁、板、柱混凝土抗壓強(qiáng)度等級(jí)符合設(shè)計(jì)要求；建筑物框架梁、柱截面尺寸符合設(shè)計(jì)要求；建筑物鋼筋配置滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。其次加固前應(yīng)拆除原除氧器和其他設(shè)備及自身基礎(chǔ)，達(dá)到卸除作用在結(jié)構(gòu)上的恒載或卸除大部分活荷載，達(dá)到減少二次受力的影響，降低加固后結(jié)構(gòu)新加受力鋼材的滯后應(yīng)變，使得加固后的新加受力鋼材能充分發(fā)揮強(qiáng)度作用。

經(jīng)過(guò)綜合分析和多方案比較，確定采用粘貼鋼板加固法比較合理。粘貼鋼板加固法是采用結(jié)構(gòu)膠粘劑將薄鋼板粘貼于原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土表面，使之形成具有整體性的復(fù)合截面，用以補(bǔ)充梁的配筋量不足，以達(dá)到提高其截面承載力的一種直接加固方法。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)便快捷，原構(gòu)件自重增加小，結(jié)構(gòu)外形改變不大，建筑使用空間影響小；缺點(diǎn)是有機(jī)膠的耐久性和耐火性問(wèn)題，加固用的鋼板需要進(jìn)行防腐、防火處理。粘貼鋼板加固法適用于鋼筋混凝土受彎、斜截面受剪、受拉及大偏心受壓構(gòu)件的加固。

加固方案：從圖1中可以看出，新加L-1，L-2，L-3梁在不妨礙工人操作和使用的情況下，可以在拆除原除氧器基礎(chǔ)后在原樓板上新澆砼梁，主要用于放新建除氧器，設(shè)計(jì)可用一般梁的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖1。

主框架梁KL-1在加上新荷載后，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算發(fā)現(xiàn)原鋼筋混凝土梁受彎和受剪均不滿足設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行加固（加固配筋計(jì)算從略）。按粘貼鋼板加固法計(jì)算公式計(jì)算，確定鋼筋混凝土梁上下均需要粘貼鋼板，設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖2。加固后鋼筋混凝土梁上下鋼板之間用M14螺桿連接，上下部加固鋼板和原梁之間應(yīng)用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠粘貼，放入的結(jié)構(gòu)膠應(yīng)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)后方可施工。粘鋼加固基材必須堅(jiān)實(shí)，粘結(jié)面不應(yīng)有疏松、孔洞及風(fēng)化等缺陷，施工前應(yīng)對(duì)基材進(jìn)行處理和打磨等，植筋鉆孔時(shí)應(yīng)盡量減少對(duì)混凝土梁和柱的破壞。上下鋼板之間的M14螺桿按照箍筋計(jì)算，螺栓桿上端與上部鋼板用螺帽連接并擰緊后焊死，螺桿下端與下部鋼板焊接連接。從美觀和防銹角度考慮在梁側(cè)抹1:2水泥砂漿與螺桿找平。框架梁和柱在節(jié)點(diǎn)處，用鋼板在梁端上下面各包柱一周并與梁端上下鋼板焊接，用于傳遞梁端正負(fù)彎矩。

圖1 除氧器位置加固圖

圖2 主框架梁KL-1加固修改圖

加固方案確定后梁和柱的內(nèi)力的計(jì)算方法一般有：（1）精確計(jì)算的方法。把整個(gè)主廠房框架梁、板、柱全部輸入計(jì)算機(jī)，把荷載有變化的和沒(méi)變化的全輸入計(jì)算機(jī)，加上風(fēng)荷載及地震設(shè)防要求用計(jì)算程序整體計(jì)算，對(duì)承載力不夠的梁、板、柱進(jìn)行加固；（2）簡(jiǎn)化計(jì)算的方法。當(dāng)要加荷載不是很大時(shí)，只對(duì)要增加設(shè)備改造的樓層的梁、板、柱進(jìn)行計(jì)算，對(duì)框架柱端及梁支座負(fù)彎矩進(jìn)行適度調(diào)幅求出梁和柱要承受的彎矩和剪力等，對(duì)梁、板、柱進(jìn)行加固計(jì)算和設(shè)計(jì)。本加固方案梁和柱的內(nèi)力的計(jì)算方法按照第一種精確計(jì)算方法計(jì)算，并與按照第二種簡(jiǎn)化計(jì)算方法得出的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后根據(jù)內(nèi)力大小按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》要求進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步和新型施工技術(shù)的不斷出現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)計(jì)算理論、技術(shù)措施和應(yīng)用材料會(huì)更加成熟完善。在加固改造工程中界面處理是很重要的，如果出現(xiàn)空鼓、脫落、“兩層皮”等質(zhì)量問(wèn)題將關(guān)系到結(jié)構(gòu)改造的安全性，因此設(shè)計(jì)的構(gòu)造技術(shù)措施必須引起足夠的重視。對(duì)建筑物進(jìn)行加固時(shí)要從建筑的總體上有一個(gè)全面的把握，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的處理上要符合現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和現(xiàn)行建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。