【摘 要】近年来许多结构加固补强及加层技术不断涌现出来，国内外学者对建筑的加固改造及加层技术进行了大量的研究。本文结合工程实际，对混凝土框架结构加层加固改造方法进行探讨。
【关键词】混凝土框架结构；加层；加固改造
1 工程概况
原建筑层高：1 层为 5.4m，2 层为 4.8m，3 层为3.1m。主体结构形式为钢筋混凝土框架结构，楼屋盖采用现浇钢筋混凝土梁板式结构。由于原设计标准不详，经现场检测主要结构构件混凝土强度等级为 C25。主要结构构件的尺寸具体为：1）框架柱：1，2 层中柱、边柱截面均为 450mm × 450mm；3 层边柱截面 350mm × 350mm，中柱截面 450mm × 450mm。2）框架梁：纵、横向框架梁截面均为 250mm ×550mm。原结构平面布置图如图 1 所示。原结构基础形式为大直径人工挖孔灌注井桩，持力层为中密卵石层，桩长约为 7m。
图 1 原结构平面布置图
2 原结构检测与鉴定
根据可靠性检测鉴定报告，该建筑地基基础可靠性评级为Ⅰ级，即尚不显著影响整体承载功能和使用功能，可能有极少数构件应在安全性或使用性方面采取措施。上部承重结构和围护结构的可靠性评级为Ⅲ级，即显著影响整体承载功能和使用功能，应采取措施，且可能有极少数构件必须立即采取措施。
根据《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009）［6］，该建筑后续使用年限宜为40年（简称 B类建筑）。根据邻近建筑的地质勘察报告，该建筑所处场地地质条件良好，Ⅱ类场地，属抗震有利地段。原结构采用桩基础，桩径为 900mm，桩端扩大头直径约为1 300mm。经计算桩基的承载能力满足现行相关规范的要求，且有一定富余。
上部结构抗震措施鉴定表明：该建筑抗震等级为一级（乙类设防），结构平面布置规则，竖向刚度不规则，现有框架梁、柱配筋绝大部分不满足要求。
上部结构抗震性能验算表明：结构弹性层间位移角、周期比、轴压比、楼层抗剪承载力比值等指标均不满足现行规范［5-8］要求，且部分指标超出现行规范［5-8］限值较多。原结构主要计算结果见表 1。
3 加固改造与加层设计
3.1 改造要求
根据建设单位的使用要求，拟将原 3 层建筑改造为主体 5 层、局部 6 层的建筑。改造后 1，2 层使用功能仍为综合商场，3，4 层使用功能为小型茶座、咖啡厅，5 层为办公用房，局部 6 层为设备用房。新增4，5 层层高均为3.3m，局部6 层层高为4.5m。新增电梯两部。
3.2 抗震加固设计
由于未改造前结构抗震性能已不满足现行规范［5-8］要求，加层前必须对原结构进行加固。根据检测鉴定结果，原框架梁、柱截面明显偏小，抗侧刚度远小于《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）［5］限值。本工程采用“外包钢板-增大构件截面-加设钢支撑”综合法对原结构进行加固，其优势在于：增大构件截面、加设钢支撑可以有效提高结构的抗侧刚度；外包钢板兼作模板；原低强度框架柱可作为加固后框架柱的芯柱，提高结构的延性；钢支撑与框架柱之间的连接节点易于处理，施工方便；同时增设钢支撑不用对基础进行额外处理。
框架柱通高范围增大截面且外包钢板，根据计算调整钢板厚度，柱新增部分采用无收缩灌浆料（强度不低于 C30），外包钢板采用 Q345 钢。框架梁在距柱边 1/3 跨度范围内增大截面且外包钢板，为降低造价，其他部位未外包钢板仅增大框架梁截面。根据计算结果，对未外包钢板部分框架梁进行配筋，新配钢筋与梁端钢板可靠焊接。1，2 层钢支撑均对称布置于结构的边榀，其中①/○A～○C轴和○11/○A～○C轴采用双向钢支撑○A/④～ ⑨轴和○D/④～⑨轴采用单向钢支撑。3 层及以上各层不布置钢支撑，钢支撑的布置方式除了满足《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［5］附录 G的要求之外，还要尽量通过钢支撑的布置提高结构的抗侧刚度，并且调整结构刚度中心使其与结构质量中心重合，进而减小结构的扭转效应。钢支撑与框架梁、柱之间为铰接，严格控制型钢宽厚比和长细比。各层构件截面尺寸见表 2。
3.3 加层设计
考虑到基础原设计有一定富余量。若加固、加层后基础仍能满足现行规范［5-8］要求，可不对基础进行加固处理。这样既可以降低加固成本，亦可以避免基础加固对现有结构产生的不利影响。鉴于此，新增 4 层、5 层和局部 6 层采用轻型钢框架结构。主要构件截面尺寸见表 2。加固、加层后结构透视图如图 2 所示。
图 2 加固、加层后结构透视图
3.4 加固、加层节点及构造设计
加固、加层节点构造如图 3 所示。为保证原梁柱混凝土与新增梁柱混凝土及新增钢板之间能够协调工作，在外包钢板上间距 600mm 梅花形焊接栓钉，将原梁身、柱身抹灰层剔除后，在原柱身、梁身上间距 600mm 植入直径为 8mm 的螺纹钢筋。
图 3 加固、加层节点构造示意图
3.5 加固、加层后抗震验算
采用 PKPM 软件和 MIDAS 软件对结构进行计算分析。加固、加层后的结构属于钢-混凝土组合结构，阻尼比的选取是结构计算结果准确与否的关键。根据钢结构与混凝土结构相对刚度的比值近似取0.04，利用 MIDAS 软件计算时采用分设阻尼比的方法，上部钢结构取 0.02，下部钢筋混凝土结构取0.05。计算振型个数为 15 个，取前 3 阶振型。其他计算参数按照现行规范［5-8］选取。加固、加层后结构主要计算结果如表 3 所示。计算结果表明，钢结构构件的强度、刚度、稳定性均满足现行规范［5-8］要求，最大应力比为 0.89。两款计算软件计算值基本接近。
注：括号外为 PKPM 软件计算结果，括号内为 MIDAS 软件计算结果。
4 结论
在施工过程中，外包钢板兼作模板，降低了施工难度，提高了加固改造的效率。在经济条件允许的情况下，将型钢支撑更改为具有消能减震作用的屈曲约束支撑，加固后结构的抗震效果可能会更好，这方面还有待进一步研究。
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［6］GB 50011—2010 建筑抗震设计规范［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2010．
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［8］JGJ 116—2009 建筑抗震加固技术规程［S］． 北京：中国建筑工业出版社，2009．
作者简介：李仕建（1979年12月），男，汉族，籍贯四川达州，学士学位，研究方向：结构检测加固。
论文作者:李仕建
论文发表刊物:《低碳地产》2015年第11期
论文发表时间:2016/8/22
标签：结构论文; 截面论文; 建筑论文; 框架论文; 钢板论文; 刚度论文; 构件论文; 《低碳地产》2015年第11期论文;