某檔案館使用可變荷載增加后梁板柱加固的研究

王 偉 郭獻忠

(1.濮陽城市發(fā)展投資集團有限公司，河南 濮陽 457000； 2.貴州大學土木工程學院,貴州 貴陽 550000)

1 工程概況

某大學檔案館為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為7 875.43 m2，建筑總高為30.5 m，結(jié)構(gòu)抗震設防烈度為6度，地上6層。檔案館結(jié)構(gòu)封頂后不久，建設單位要求改變3層，4層的使用用途，原設計樓面活荷載為5 kN/m2，用途改變后樓面設計活荷載為10 kN/m2。原設計單位核算后要求對檔案館進行加固后才可使用。同時建設單位要求加固工期不超過20 d。

我方基于施工簡單、不影響原內(nèi)部空間分隔、滿足工期、造價較低、效果美觀的考量，多方法對比后，最終選擇采用鋼圍板加固法、鋼梁加固法、斜撐加固法混合使用的方案。

2 加固鑒定和加固方案的分析

2.1 原設計驗算

我方運用盈建科軟件進行設計驗算，當樓面活荷載為5 kN/m2，原圖紙設計滿足規(guī)范要求。當樓面活荷載由5 kN/m2調(diào)整為10 kN/m2時，原圖紙設計不滿足要求，主要問題為：

1)框架梁、柱實配鋼筋與計算配筋相差較大；

2)框架柱軸壓比大于規(guī)范要求的0.75，大多數(shù)在0.9；

3)局部樓板承載力不足。

2.2 加固措施

1)首層柱采用外粘粘鋼法加固；

2)在2層，3層部分板塊采用板下增加橫向或縱向型鋼梁(見圖1)；

3)在2層，3層梁柱節(jié)點處采用型鋼短斜撐進行加固(見圖2)。

2.3 加固方案分析

經(jīng)盈建科軟件驗算,在不改變原有實配鋼筋情況下，經(jīng)該加固方案加固滿足現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)的設計要求。其中原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力滿足，加固后對抗震的設計要求也滿足。

2.3.1 柱加固理論分析

首層柱采用局部結(jié)構(gòu)柱粘鋼加固法。粘鋼技術(shù)是一種比較常見并且利用頻率較高的施工技術(shù)，粘鋼可以起到降低柱軸壓比的功效[1]，原柱與型鋼構(gòu)架共同承擔荷載進行受力。型鋼構(gòu)架與原柱所承受的外力按各自截面剛度比例進行分配。柱加固后的總承載力為型鋼構(gòu)架承載力與原柱承載力之和，進而提高柱的承載力[2]。該方法在《混凝土加固設計規(guī)范》中有較為詳細的論述，此處不再贅述。

2.3.2 板加固理論分析

第二、三層部分板塊采用板下增加橫向或縱向鋼梁，鋼梁作為新的支撐點，可以有效的減小板的跨度和板的撓度，改善板荷載的傳遞路徑，進而提升板的承載力和穩(wěn)定性。

2.3.3 梁加固理論分析

本次加固方案中，斜撐加固的思路在造價節(jié)約、提高結(jié)構(gòu)承載力上發(fā)揮了重要的作用。筆者查閱相關(guān)資料時，也發(fā)現(xiàn)與該加固方法相關(guān)的資料較少。本文現(xiàn)對其著重論述。

1)理論分析。

在2層，3層梁柱節(jié)點處采用型鋼斜撐進行加固，理論上可以通過減小梁的計算跨度，減小柱的有效長度，進而達到提高承載力的目的。同時，當豎向荷載加大時，采用斜撐加固的方法相比增加梁高加固的方法，更加符合“強柱弱梁”的設計思路[3]，也可充分發(fā)揮鋼材的材料性能。

2)對局部構(gòu)件受力的分析。

在模型中選取第三層斜撐加固的8軸交E軸的柱及8-9軸交E軸的梁為研究對象，對比斜撐加固前后的力學指標(見表1)。

表1 斜撐加固前后梁、柱的受力分析結(jié)果

3)斜撐穩(wěn)定的分析。

本工程支撐的最長放樣尺寸見圖3。

本工程工字鋼最長邊放樣為1.445 m，而通過壓桿穩(wěn)定中的歐拉公式[4]，查工字鋼表得20a號工字鋼:Iz=2 370 cm4,Iy=158 cm4[4]。

1 491.4 kN>185.1 kN。

該處型鋼是遠遠滿足壓桿穩(wěn)定要求的。

3 本方案在實施過程中的研究

1)在進行加固時應盡可能的去除多余荷載，有利于加固效果的實現(xiàn)。本方案處于建設期，結(jié)構(gòu)已封頂，不存在較多的附加荷載。

2)在選擇施工用的腳手架時應根據(jù)加固場地和高度合理選擇扣件式鋼管腳架或活動架[5]，以達到安全和節(jié)約成本的目的。

3)粘鋼方法中鋼板與混凝土柱接觸面，應打磨平整，結(jié)構(gòu)膠應涂刷均勻，養(yǎng)護時間應充分，有益于粘鋼效果的有效發(fā)揮。型鋼構(gòu)架上下端應可靠連接、支承牢固。

4)斜撐方法中主要通過斜撐減小梁的計算跨度并充當斜向支撐點達到分擔梁的豎向荷載的效果，施工時應注意支撐的節(jié)點板與梁柱應緊密結(jié)合。本次工程選擇了化學螺栓連接和焊接連接的方式，施工中應能夠保證焊縫質(zhì)量、準確定位鉆孔點，化學螺栓孔內(nèi)應清除雜渣和粉塵。

5)混凝土規(guī)范規(guī)定梁的下部縱向鋼筋宜貫穿節(jié)點或支座[6]。斜撐在施工時可能會截斷部分梁柱受力鋼筋或者箍筋。施工時應減少對原有鋼筋的截斷。

6)本方案主要通過鋼構(gòu)件進行加固，施工過程中需均勻涂刷防銹漆，并保證防銹漆的設計厚度[7]。

7)本工程中在梁柱節(jié)點處屬于鋼—混凝土混合結(jié)構(gòu)，節(jié)點處受力計算復雜，對于本方法中適用的結(jié)構(gòu)類型還做進一步研究。斜撐的長度和設置的角度，定性判斷上也勢必會影響受力效果，筆者認為這些可用有限元法做進一步分析探索。

4 對比其他加固方法及加固后的效果

在選擇本工程的加固方案時，也對比了其他加固方案。

相比梁柱外粘型鋼加固法，分析結(jié)果表明外粘型鋼加固法的用鋼量高出短斜撐加固法的25.3%，造價高出30.6%。

相比粘貼纖維法，施工質(zhì)量和使用年限更宜保證。

相比置換混凝土法，本方案無濕作業(yè)，對原結(jié)構(gòu)受力鋼筋影響較小，施工周期短，不影響內(nèi)部空間美觀和使用要求。

相比增大截面加固法，本方案無濕作業(yè)，無需考慮混凝土養(yǎng)護周期[8]，且對建筑的有效使用空間占據(jù)較少。

加固完成后，我方選取具有代表性的樓板，采用逐級加載的方法進行檢驗，經(jīng)檢驗是滿足使用要求的。后期檢查本項目裝修效果時，發(fā)現(xiàn)本次的加固方案不影響室內(nèi)外裝修效果。

5 結(jié)語

本文以某檔案館加固為背景，通過對比原設計分析出本次加固應關(guān)注的設計指標，然后從力學角度分析了加固方案的合理性，并對斜撐加固的思路做了重要的論述，之后總結(jié)了施工中應注意的要點，也做了其他加固方案在本案例應用中的優(yōu)缺點分析。從實踐結(jié)果來看，本方案在謀劃時合理搭配了各種加固思路，達到了節(jié)約造價、保證質(zhì)量、保證工期的目的。給類似工程在加固方式搭配上提供實踐案例，在加固分析思路上、斜撐加固應用上提供了經(jīng)驗參考。