摘要：本文根据商住楼加层续建工程的实利，对首层柱混凝土强度不足等情况进行抗震加固设计，重点介绍抗震加固设计中遇到的问题和解决的方法。
关键词：商住楼，抗震加固设计
1工程概况
某商住楼为8层建筑,其中1、2层为商场,2层以上为住宅。1层高5.5m,2层层高3.8m,3至顶层层高3m,总高度27.45m。建筑结构为钢筋混凝土框架结构,人工挖孔桩基础,一柱一桩,桩径均为1.2m。总建筑面积约3100m2。首层柱结构见图1。
图1原首层柱结构图
该工程于2007年1月完成设计工作,2007年3月份开工,在三层梁楼板混凝土施工完毕时,发现首层柱混凝土强度不足。经现场无损检测和抽芯试验,首层柱(桩顶标高～建筑2层梁底标高范围)混凝土强度测试值为25.6～27.5MPa(原设计为C35)。
与此同时,建设单位提出加建一层的要求。增加一层后,房屋总高度变为30.45m,属高层建筑设计范畴。
显然,直接加层势必造成建筑结构的安全隐患,后继施工前,必须对已建部分进行加固处理。处理方法：首先,分析在已建结构上直接加层的结构模型的受力特性,特别需要判别其是否满足《高层混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)(以下简称《高规》)及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(以下简称《抗规》)的要求,从而确定需加固的结构构件；进而对已建部分结构进行加固设计,最后,验算加固后的加层结构模型是否满足现行规范的各项要求。
2房屋直接加层的结构受力特性分析
2.1直接加层的结构计算模型
原设计采用PKPM系列工程软件SATWAE进行内力分析和配筋计算。为模拟基于首层柱混凝土强度不足情况下,直接加层后建筑结构的受力特性,直接加层的结构模型是在原设计模型的基础上,在建设方要求的加层部位相应增加一个结构层。根据柱混凝土强度检测报告,改首层柱混凝土强度等级为C25,按《高规》进行设计,振型数取24个(原设计取21个),其余参数同原设计。
2.2计算结果
(1)地基基础
加层后各柱柱底内力较原设计均有提高,柱底组合轴力最大提高幅值为659kN,最大组合柱底轴力为5600kN。原设计单桩竖向极限承载力特征值Ra=5800kN。经验算,桩基承载力满足加层要求。
(2)框架梁
计算结果表明,加层后,各层框架梁内力均有所增大,梁端弯矩、剪力普遍较原设计增大15%～25%。其原因主要是加层后,建筑质量、建筑高度增加,导致风荷载、水平地震作用效应增大。但结构1、2层(对应建筑2、3层,即现场已施工楼层)仅6根框架梁显示超限信息,提取这两层未显示超限信息的框架梁原配筋量验算此时的梁内力,发觉仍有部分框架梁承载能力不能满足要求。
(3)框架柱
框架柱轴压比计算结果见表1。首层所有柱轴压比、体积配箍率均超限。轴压比最小值为0.91,最大值为1.29；2层部分框架柱轴压比超限,最大值为0.99。说明加层后1、2层柱承载力不足,延性不能满足规范要求。
(4)周期及层间位移
加层前后周期计算结果如表2所示。加层前的结构最大周期为1.4556s,加层后为1.7694s。加层前后的结构前三阶振型均表现为x方向的平动,y方向的平动和扭转振动。直接加层后结构的周期比符合《高规》要求。直接加层前后的层间位移值见表3。由表3可知,结构加层后,在x方向地震作用下,结构层1的层间位移角不符合《高规》要求。
表13种情况的柱轴压比计算结果
表23种情况的计算周期
表33种情况的楼层位移角
3加固设计
通过以上分析,可确定需加固的结构部位是首层柱、个别2层柱、结构1、2层部分框架梁,且加固施工的时机,应选择在现时楼面活荷载(甚至建筑装修恒载)尚未形成的有利时期。
3.1框架梁的加固设计
采用外粘贴钢板加固法,既可增加梁的承载力和刚度,又可减少对室内使用空间的影响。考虑到结构1、2层框架梁加固前并未承受楼面荷载,此时应力水平指标很低,故不考虑应力滞后的影响,按《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)进行加固设计。同时,通过验算,应防止加固后的梁出现“强弯弱剪”现象。部分框架梁加固图见图3所示。
图3梁加固立面图
3.2框架柱加固设计
框架柱除承载能力不足外,其x向抗侧力刚度也不足。结合建筑室内使用空间要求,采用增大截面法加固。角柱沿x、y两个方向增大截面尺寸,中柱、边柱沿x向(柱短边)增大截面尺寸。加固用混凝土强度等级C30,HRB335级钢筋,加固所需钢筋用量,按加层后所需钢筋总量减去原设计钢筋用量确定。在新旧混凝土结合面,后锚抗剪短筋以增强新旧混凝土的协同作用。新旧混凝土组合截面的混凝土强度按式(1)折算:
fcc=1/2(fc0+0.9fc)[2](1)
式中fcc为新旧混凝土组合截面的混凝土轴心抗压强度设计值；fc0为旧混凝土轴心抗压强度设计值；fc为新混凝土轴心抗压强度设计值。
求得新旧混凝土组合截面的fcc=12.39MPa,电算录入时按C25强度等级。首层框架柱加固后的截面尺寸见图5,部分柱加固图见图6～图9所示。
图5加固后首层柱结构图 图6柱加固立面图
4加固后加层的结构验算
加固后加层的结构电算模型,首层、2层柱截面按加固后的尺寸录入,加固后的框架梁截面尺寸,根据刚度等效的原则,由式(2)、式(3)推导出等刚度的混凝土梁截面尺寸计算公式(式4)[2,3],按换算截面尺寸录入。未加固的梁、柱按原尺寸,其余计算参数同直接加层的结构模型。加固后加层结构的电算结果见表1～表3。
图7柱加固基础节点图 图8柱加固中间层节点图 图9柱加固节点平面图
EI=Ec0Ic0+0.5EaAaa2a(2)
EI=1/12Ec0•bh3(3)
(4)
式中,EI为加固后的截面刚度近似值；Ec0和Ea分别为原构件混凝土和加固用钢材的弹性模量；Ic0为原构件截面惯性矩；Aa为加固构件一侧外粘钢材截面面积；aa为受拉与受压两侧钢材截面形心之间的距离；b0为加固前梁的截面宽度；h0为加固前梁的截面高度；b为等刚度换算后梁的截面宽度,取b=b0；h为等刚度换算后梁的截面高度。
从表1～3中可以看出,加固后加层结构的自振周期有所降低,x方向地震作用下的层间位移角和柱的轴压比均能满足规范要求。另外,加固后的周期比、剪重比、刚重比(未列出)等均符合规范要求。
5结语
按本文的加固处理方法,该工程已于2007年9月完成加固施工,全部工程于2008年8月竣工,目前使用情况良好。
通过对本工程的加固处理,可得到如下结论:对类似的工程进行加固设计,需合理采取加固前后的结构计算模型,但不应轻信软件的超限信息,需手、电算配合,完成验算及加固设计工作,重视加固时机选择,对加层后的建筑结构,需特别注意加固后的结构是否能满足《高规》及《抗规》的要求。
参考文献:
[1]江见鲸,崔京浩,等.建筑工程事故分析与处理[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.
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