某既有廠房樓板加固設(shè)計(jì)探討

周恒芳

(泰國格樂大學(xué), 曼谷 10220)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,大量老舊廠房由于多種原因,現(xiàn)有建筑物的生產(chǎn)使用功能已不滿足實(shí)際需求,整體或局部建筑需要調(diào)整改造[1-5]。

相比重建廠房,大多數(shù)情況下對既有廠房進(jìn)行改造加固設(shè)計(jì)是最優(yōu)的途徑,既節(jié)約工期又節(jié)省造價(jià)。并且,相比新建建筑,對既有建筑進(jìn)行改造加固設(shè)計(jì)能充分節(jié)約能源,減少對環(huán)境的污染,為我國碳達(dá)峰碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)助力。

1 工程概況

本工程建成于2008年,位于河南省,為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的廠房,原為某食品廠家冬瓜醬生產(chǎn)車間,現(xiàn)被另一食品公司收購,需改造為食品公司的集中前處理車間。廠房建筑層數(shù)為地上1層,局部有1層地下室及地上1層夾層。廠房長度為120.96 m,寬度為25.16 m,中部設(shè)2道伸縮縫將建筑物分為左(①～⑥軸)、中(⑦～軸)、右(～軸)3個(gè)單體建筑。局部地下室(⑦～軸)地面標(biāo)高為-4.700 m;首層地面標(biāo)高①～⑥軸、～軸間為±0.000,⑥～軸間為1.300 m;局部地上一層夾層(⑩～軸)樓面標(biāo)高為5.500 m,檐口高度為9.780 m;屋面處屋脊線標(biāo)高為9.860 m;建筑面積為5 510.50 m2。框架填充墻采用灰砂磚砌筑,墻厚為240 mm,樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。

盡管均為生產(chǎn)車間,但生產(chǎn)線所需的生產(chǎn)設(shè)備不同,樓面活荷載有所增加。原生產(chǎn)車間活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10 kN/m2,現(xiàn)生產(chǎn)車間活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為12 kN/m2;樓板除活荷載增加外,地面處要設(shè)置位置不確定的排水溝,樓面按抬高設(shè)計(jì)計(jì)算荷載,恒荷載從1.2 kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值,不包括樓板自重)加大為4 kN/m2(標(biāo)準(zhǔn)值,不包括樓板自重)。首層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 首層結(jié)構(gòu)

2 樓板加固方案初步分析

原生產(chǎn)車間樓板經(jīng)設(shè)計(jì)單位評(píng)估驗(yàn)算,無法滿足新工藝的使用需求,需要進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。為了解該建筑物的安全性,甲方委托房屋安全鑒定公司對該建筑進(jìn)行安全性鑒定,并出具房屋安全鑒定報(bào)告。經(jīng)勘查及檢測,主體結(jié)構(gòu)未見明顯外觀質(zhì)量缺陷,與樓板相關(guān)的鑒定結(jié)果總結(jié)為:樓板截面尺寸復(fù)核滿足要求,樓板混凝土強(qiáng)度等級(jí)由C30降為C25,樓板內(nèi)的受力鋼筋強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求。

樓板的加固改造主要是由于樓面荷載增加,導(dǎo)致樓板承載力不滿足要求,以右單元左下角處1.300 m標(biāo)高處局部樓板(板跨為2.65 m×3.0 m)為例進(jìn)行分析研究。

原設(shè)計(jì)中,樓板板厚為120 mm,恒、活荷載標(biāo)準(zhǔn)值分別為1.2 kN/m2、10 kN/m2。使用PKPM軟件按彈性算法進(jìn)行計(jì)算,板跨中及板支座計(jì)算面積分別為258 mm2、282 mm2(板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30),板底實(shí)際配筋為雙向φ8@200(As=251 mm2),板支座實(shí)際配筋為雙向φ8@150(As=335 mm2)拉通設(shè)計(jì),滿足計(jì)算要求。改造加固設(shè)計(jì)中,恒荷載調(diào)整為4.0 kN/m2,活荷載調(diào)整為12 kN/m2。因原設(shè)計(jì)樓板面層厚度較大、強(qiáng)度較強(qiáng),施工存在面層破除困難的問題,出于安全考慮本工程計(jì)算中允許樓板周邊支座處產(chǎn)生裂縫,因此加固設(shè)計(jì)中板周邊支座的支承情況均按簡支支座考慮,原設(shè)計(jì)支座處配筋φ8@150雙向拉通,滿足要求。板跨中短向配筋計(jì)算面積為AS=356 mm2(板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25),板底實(shí)際配筋φ8@200(As=251 mm2)不滿足計(jì)算要求,需進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

武乾等[5]認(rèn)為舊廠房改造加固要綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間性、可行性和適用性選擇最優(yōu)加固方案;張亮泉等[6]認(rèn)為加固設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮時(shí)間、人員、材料供應(yīng)、地震現(xiàn)場情況等多重因素影響,對多個(gè)加固方案進(jìn)行比較優(yōu)選;袁浩[7]認(rèn)為結(jié)構(gòu)加固應(yīng)滿足技術(shù)可行、效果可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工簡便和確保質(zhì)量的要求,并減少或防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件加固對周圍結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生不利影響;洪敏逸[8]基于經(jīng)濟(jì)性、適用性、結(jié)構(gòu)安全性,通過結(jié)構(gòu)計(jì)算及施工技術(shù)分析,詳細(xì)比較截面加大加固法、外包鋼加固法、粘貼鋼板加固法、貼碳纖維加固法在不同構(gòu)件加固使用中的優(yōu)缺點(diǎn)。

本工程需要加固的樓板量大面廣,共有248塊樓板需要加固,而造價(jià)和工期這2點(diǎn)是甲方對本工程的主要要求。根據(jù)加固理論及已有加固工程經(jīng)驗(yàn),增大截面加固法、增設(shè)支點(diǎn)加固法、外加預(yù)應(yīng)力加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法均可用于本工程樓板的加固設(shè)計(jì)。板底增設(shè)鋼梁、粘貼碳纖維布加固法施工簡單、節(jié)約造價(jià),施工對主體結(jié)構(gòu)不造成破壞[9-11]。綜合比較分析,板底增設(shè)鋼梁加固法(即增設(shè)支點(diǎn)加固法)、粘貼碳纖維布加固法更具有優(yōu)勢。

3 2種樓板加固方案分析比較

3.1 板底增設(shè)鋼梁加固法

在單塊樓板中間增設(shè)鋼梁,使單塊樓板變?yōu)?塊樓板(板跨為1.325 m×3.0 m),板底板頂計(jì)算配筋均為As=240 mm2,原有配筋滿足計(jì)算要求。

經(jīng)計(jì)算,鋼梁選用熱軋H型鋼(Q235B),截面為HN200×100×5.5×8,具體做法大樣詳見圖2。

圖2 板底新增鋼梁做法大樣

3.2 板底粘貼纖維復(fù)合材料加固法

根據(jù)計(jì)算,板跨中最大彎矩設(shè)計(jì)值M=10.2 kN·m,板下部計(jì)算配筋面積為356 mm2,板下部實(shí)際配筋面積為251 mm2,原設(shè)計(jì)不滿足后期增加荷載的計(jì)算要求。

根據(jù)GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》條文10.2.3,在板底粘貼碳纖維布加固時(shí),正截面承載力按式(1)～式(3)確定。

(1)

(2)

(3)

將M=10.2 kN·m、As 0=251 mm2代入式(1),計(jì)算得出x=8.5 mm;將x=8.5 mm(x<ξb,fh)代入式(3),求得ψf=3.4(ψf>1.0),取ψf=1.0;應(yīng)用公式(2),計(jì)算得出碳纖維布的有效截面面積Afe=11.24 mm2。

根據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》條文10.2.4,實(shí)際應(yīng)粘貼的纖維復(fù)合材截面面積Af應(yīng)按下式計(jì)算:

Af=Afe/km

本工程中,粘貼的碳纖維布僅1層,不考慮碳纖維布厚度折減,km=1.0,Afe=11.24 mm2。碳纖維布厚度為0.167 mm,計(jì)算得出每1 m板寬所需碳纖維布寬度為67 mm。綜合考慮現(xiàn)場部分樓板的耐久性有所降低及后期使用的安全性,最終板底加固的碳纖維布寬度采用150 mm,間距600 mm,均為單層碳纖維布。

3.3 樓板加固2種方法對比分析

板底新增鋼梁使用的施工機(jī)械有電焊機(jī)、鉆孔機(jī)、電錘、膠槍、氣割設(shè)備及塔車,板底粘貼碳纖維布使用的施工機(jī)械有吹風(fēng)機(jī)、裁剪刀、角磨機(jī)、滾筒刷及塔車。單塊樓板加固施工工程量及成本詳見表1。

表1 單塊樓板2種加固方法對照

單塊樓板2種加固方法經(jīng)對比分析,可以得出結(jié)論:

(1)板底新增鋼梁比板底粘貼碳纖維布所需施工材料種類、施工機(jī)械多。

(2)板底新增鋼梁所需工時(shí)數(shù)為6個(gè)工時(shí),是板底粘貼碳纖維布所需工時(shí)數(shù)(4個(gè)工時(shí))的1.5倍,因此板底粘貼碳纖維布加固法在節(jié)約人工、縮短工期上有優(yōu)勢。

(3)板底新增鋼梁總成本為807.74元,比板底粘貼碳纖維布總成本896.75元要經(jīng)濟(jì),為板底粘貼碳纖維布總成本的90%,因此板底新增鋼梁加固法在節(jié)約造價(jià)上有優(yōu)勢。

3.4 確定樓板加固方案及實(shí)施

本項(xiàng)目最主要的特點(diǎn)是工期緊、造價(jià)要求高。本工程計(jì)劃工期為35天,現(xiàn)場施工工人15人。除樓板加固外,本工程的加固分項(xiàng)工程有新增剪力墻、梁粘碳纖維布及粘鋼、梁增大截面、梁增加底筋。本項(xiàng)目需要加固的樓板范圍較廣量較大,共有248塊需加固的樓板。綜合考慮時(shí)間性及經(jīng)濟(jì)性,選擇板底新增鋼梁加固法、板底粘貼碳纖維布加固法混合施工是最優(yōu)加固方案。

結(jié)合甲方對工期及造價(jià)的具體要求,兼顧考慮其余加固分項(xiàng)的工期、造價(jià),最終確定采用板底新增鋼梁加固法的樓板108塊,采用板底粘貼碳纖維布加固法的樓板140塊。具體計(jì)算分析詳見表2。

表2 樓板單一加固方法與混合加固方法對比分析

本工程需根據(jù)工程實(shí)際情況合理安排施工工序,在施工中采用各加固分項(xiàng)工程交叉施工的方法。現(xiàn)場板底粘貼碳纖維布施工及整體新增鋼梁施工分別如圖3、圖4所示。

圖3 板底粘貼碳纖維布

圖4 板底新增鋼梁

4 結(jié)論

本工程工期緊、造價(jià)要求高,樓板的加固設(shè)計(jì)采用了增設(shè)鋼梁、粘貼碳纖維布混合加固法,不局限于單一加固方法。本工程現(xiàn)已圓滿完工,工期及造價(jià)均滿足業(yè)主要求。

通過本工程得出結(jié)論:

(1)加固項(xiàng)目工期、成本要求較高時(shí),樓板加固采用增設(shè)鋼梁、粘貼碳纖維布混合加固法比采用單一加固法更具優(yōu)勢,可以綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間性、可行性和適用性。

(2)本工程需加固樓板共248塊,采用混合加固法比增設(shè)鋼梁單一加固法共節(jié)約280個(gè)工時(shí),減少工時(shí)比例為18.8%。

(3)采用混合加固法比粘貼碳纖維布單一加固法共節(jié)約成本9 613元,減少成本比例為4.3%。

類似工程可以根據(jù)甲方對工期、成本的具體要求,經(jīng)過對比分析計(jì)算出混合加固法中各類加固方法樓板的具體數(shù)量,使工期、成本均滿足要求。