某辦公樓局部抽柱加固設(shè)計

呂德城

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

當前，一些既有建筑因使用功能的改變而增大空間或改變結(jié)構(gòu)布置，此時往往需要對原有建筑進行改造。改造過程勢必對原有結(jié)構(gòu)體系進行加固。其中“偷梁換柱”在實際工程比較常見。“偷梁換柱”即拆除了原有結(jié)構(gòu)的框架柱，將豎向力轉(zhuǎn)移至轉(zhuǎn)換梁上，再向下傳遞至鄰近的框架柱上。該改造必將引起原梁、柱及基礎(chǔ)的剛度及承載力不足，因而必須對相應的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固。常見的加固方法有加大截面法，外包鋼法，粘貼碳纖維布法等[2]。本文結(jié)合一實際工程，在傳統(tǒng)加固方法上結(jié)合增加斜拉桿等形成局部空間桁架體系對相應構(gòu)件進行加固。

1 工程概況

福州市某辦公綜合樓設(shè)計于2014年，地上30層，裙房為4層框架結(jié)構(gòu)，建筑室外地面至主要屋面檐口高度為13.780m。建筑抗震設(shè)防類別為丙類,建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級,所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度0.10g,設(shè)計地震分組:第三組;場地類別:Ⅲ類;特征周期Tg=0.65sec,建筑類別調(diào)整后用于結(jié)構(gòu)抗震驗算的烈度7度;按建筑類別及場地調(diào)整后用于確定抗震等級的烈度7度;建筑結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05，框架抗震等級為二級，剪力墻抗震等級為二級, 50年一遇的基本風壓:0.80kN/m2,地面粗糙度:B類,風載體型系數(shù):1.3。

裙房主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用沖孔灌注樁。現(xiàn)應業(yè)主要求，增大入口大堂開間，擬將建筑大堂入口處軸交⑦，⑧軸處柱子拆除，拆除后入口處原三跨梁變?yōu)閱慰缌海脑焓疽馊鐖D1～圖2所示。

圖1 抽柱改造平面示意圖

圖2 抽柱改造立面示意圖

原結(jié)構(gòu)⑥，⑨軸結(jié)構(gòu)框架柱尺寸為1000×1000，框架梁尺寸為400×1200。抽柱后原⑥～⑨軸三跨梁變?yōu)閱慰缌海河嬎憧缍茸優(yōu)?5.2m。抽柱后原豎向構(gòu)件不連續(xù)，豎向力傳力途徑發(fā)生變化，原⑥～⑨三跨連續(xù)梁變成單跨轉(zhuǎn)換梁，⑦，⑧軸三層以上柱子豎向力由轉(zhuǎn)換梁承擔，原傳至⑦，⑧軸柱基礎(chǔ)的豎向力轉(zhuǎn)移至⑥，⑨軸上。經(jīng)PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件驗算，抽柱后原結(jié)構(gòu)構(gòu)件及基礎(chǔ)承載力不滿足要求，需對相關(guān)結(jié)構(gòu)梁柱及基礎(chǔ)進行加固。

2 加固方案

2.1 梁柱加固

圖3 梁柱截面加大平面示意圖

梁柱初步加固方案為采用加大截面法進行加固。該方法常用于鋼筋混凝土受彎和受壓構(gòu)件加固，即在原有構(gòu)件四周布置鋼筋后澆筑混凝土，通過增加原有構(gòu)件截面面積來增加構(gòu)件承載力，該方法施工操作簡單、施工成本較低。該工程中抽柱后⑥～⑨軸轉(zhuǎn)換梁跨度為為25.2m，按1/12跨高比初步估算梁高約為2.1m，考慮到底層為入口大堂，業(yè)主希望盡量控制梁高以增加大堂凈高，故按1/14跨高比，即梁高為1.8m進行加固設(shè)計。抽柱后梁端彎矩增大，原柱子受彎承載力不足，故原1000×1000框架柱擬增大為1400×1400。采用PKPM結(jié)構(gòu)分析軟件按增大后的構(gòu)件尺寸進行建模分析，計算平、立面圖如圖3～圖4所示。

抽柱后，⑥，⑨軸柱為框支柱，⑥～⑨軸間梁為框支轉(zhuǎn)換梁，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2010)6.1.2框支框架抗震等級為二級，故將該框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震等級定義為二級，采用SATWE有限元分析軟件進行計算，結(jié)果如圖5～圖6所示。

圖4 梁柱加大截面立面示意圖

圖5 混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件應力比簡圖

圖6 第二層撓度圖

由計算結(jié)果可知，增大截面后梁柱承載力均能滿足要求，增大后的框架梁撓度能滿足正常使用極限狀態(tài)下的要求。但考慮到該框架梁作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，跨度太大，且梁上抬兩根框架柱，為大跨度的轉(zhuǎn)換梁柱構(gòu)件，為了提高轉(zhuǎn)換構(gòu)件的安全系數(shù)，經(jīng)反復比較，擬采用在該框梁上增加斜拉桿，與梁形成桁架體系聯(lián)合受力，結(jié)構(gòu)體系如圖7所示。

圖7 梁柱加大截面立面示意圖(加斜拉桿后)

增加斜拉桿后，計算結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 第二層撓度圖(加斜拉桿后)

圖9 混凝土構(gòu)件配筋及鋼構(gòu)件應力比簡圖(加斜拉桿后)

增設(shè)拉桿前后各構(gòu)件內(nèi)力及撓度、裂縫變化情況如表1所示。

表1 內(nèi)力及撓度、裂縫變化比較表

由上述比較結(jié)果可知，增加斜拉桿后，轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力變小，梁撓度及裂縫滿足正常使用極限狀態(tài)要求。轉(zhuǎn)換柱上層柱較增設(shè)拉桿前有所增大，說明通過增設(shè)斜拉桿后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換梁向豎向結(jié)構(gòu)柱轉(zhuǎn)移，由豎向構(gòu)件進行承擔結(jié)構(gòu)荷載，對結(jié)構(gòu)安全性更為有利。

上層柱柱底力增大后，采用外包型鋼法對其進行加固。對轉(zhuǎn)換梁梁上抬柱處新增附加箍筋及吊筋，以抵抗上層柱底集中力的影響。

2.2 加固節(jié)點做法

梁柱截面加大做法如圖10～圖11所示。

加大截面施工前，先鑿除原構(gòu)件表面的粉刷層至混凝土基層；混凝土存在裂縫時，按要求對裂縫進行修復處理，鋼筋銹蝕應進行除銹和清潔。為保證新舊混凝土粘結(jié)牢固，結(jié)合面的混凝土按要求進行鑿毛。清除混凝土表面的油污、浮漿，并將灰塵清理干凈后涂刷水泥漿界面劑；截面增大部分采用高強自密實混凝土(混凝土強度等級C60)進行澆筑，以保證澆搗密實。

圖10 框架柱加固大樣

斜拉桿采用φ152×10規(guī)格，材質(zhì)為Q235B,斜拉桿應與結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點有效連接，連接節(jié)點做法如圖12～圖13所示。

圖11 框架梁加固大樣

圖12 斜拉桿下端與梁柱連接節(jié)點大樣

圖13 斜拉桿上端與梁柱連接節(jié)點大樣

節(jié)點板安裝過程，將相關(guān)范圍的原有混凝土板開槽，開槽過程注意保留原有板鋼筋；安裝完成后，將樓板鋼筋焊接于節(jié)點板上，并使用聚合物砂漿封閉洞口。

上層柱外包型鋼做法如圖14所示。

圖14 柱外包型鋼做法大樣

2.3 基礎(chǔ)加固

抽柱后，⑥，⑨軸柱底內(nèi)力增大，原基礎(chǔ)設(shè)計承載力不滿足要求，需要對原基礎(chǔ)進行加固。原設(shè)計基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)已完成，現(xiàn)有場地無法提供灌注樁的施工條件和施工面，經(jīng)多方比較，擬采用錨桿靜壓鋼管混凝土樁進行加固[6]。樁身采用φ325鋼管樁，壁厚8mm，管中采用C25細石混凝土填芯，每節(jié)樁長不宜小于2m。根據(jù)地質(zhì)報告，承臺下樁尖持力層選用(6)粉質(zhì)粘土(3)，樁身有效長度約為25.0m～28.0m，樁端進入持力層深度不小于1m，單樁豎向承載力特征值為700kN，單樁豎向靜荷載極限值為1400kN，為豎向抗壓樁。樁基施工采用靜壓沉樁,施工時采用壓樁力和標高雙控。以壓樁長為主,要求靜載及終壓力應≥1400kN,并持荷穩(wěn)定，樁長由現(xiàn)場實際情況確定。樁基承臺平面及剖面如圖15～圖16所示。

圖15 承臺平面圖

圖16 承臺剖面圖

錨桿靜壓樁施工過程，在鋼樁焊接前清除端部的浮銹、油污等雜物，保持干燥；下節(jié)樁經(jīng)靜壓施工后割除變形的部分，保證上下節(jié)樁連接的端面平整；壓樁架保持豎直,并與錨桿錨緊錨牢；在壓樁過程嚴禁在樁孔內(nèi)填塞石,砂等雜物。焊接時，采用多層焊，錯開各層焊縫的接頭。

3 結(jié)論

在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)改造中，抽柱改造能增大建筑開間，滿足建筑大跨度功能要要求，成為改造過程經(jīng)常遇見的情況。增大梁柱截面結(jié)合斜拉桿的加固方案能同時滿足結(jié)構(gòu)承載力要求和建筑凈高對結(jié)構(gòu)梁高的要求。抽柱后，相應的柱底力傳遞至周邊柱上，對周邊柱須進行相關(guān)的基礎(chǔ)加固。

錨桿靜壓樁施工方便，施工速度快，同時能提供較大的壓樁力，以滿足樁基承載力要求，是一種基礎(chǔ)加固方案，在實際工程中能取得良好的效果。