高层建筑加固设计

【摘 要】随着建筑工程业的快速发展,在高层建筑结构加固中,设计人员不但要提高承载力,更要对结构的刚度加以重视.本文作者结合工程实例主要就某高层建筑加固设计过程及加固计算进行了探讨.

【关 键 词】高层建筑；加固设计；加固计算

1建筑结构加固概述

1.1结构加固的基本原则

1.1.1结构经可靠性鉴定需要加固时,必须进行加固,加固的范围可以是整体房屋,亦可是指定的区段或特定的构件.

1.1.2加固设计应考虑施工方便且可行的施工方法.对于混凝土结构,宜提高一级强度等级,并加强构造和连接措施等,以保证原结构与新混凝土协同工作.

1.1.3由于高温、腐蚀、冻融、振动等原因造成的结构损坏,加固时应采取减小、抵御或排除上述不利因素影响的对策,保证加固后的结构安全可靠,正常使用.

1.1.4结构加固应尽量考虑经济效果,尽可能做到在不停产的条件下加固,尽量不损伤原构件和减少构件的拆除,能够使用的应当保留.

1.1.5加固过程一定要注意安全,若发现结构构造有严重缺陷,应立即停止施工,待消除隐患后方能继续.

1.2加固方案选择的注意点

1.2.1选择加固方案要考虑施工安全、效果可靠、经济性好,而且施工要简单,工期尽量短.一般的加固工程都能做到效果可靠,但往往会忽略其人员施工安全、技术合理、经济性等方面的不足,造成施工人员安全系数低,施工工期长,工艺复杂,或者是出现不必要的浪费.

1.2.2加固方案要在满足加固本身的要求上,多考虑使用新技术、新材料、新工艺.随着当今科学技术的飞跃发展,先进的技术、材料、工艺都能使加固方案达到事半功倍的效果,比如近几年兴起的复合材料加固法.所以一个优秀的加固方案不但要在性价比、性能比上下功夫,还要体现其工艺技术的先进性和科学性.

2工程概况

某高层商住楼工程,地上24层,地下1层,采用框架剪力墙结构,抗震设防烈度7度.该工程建成投入使用后仅1年多时间,就发现铝合金腐蚀、梁柱钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂造成多处露筋等现象.经取样抽检,鉴定其原因为施工方误将碱渣当石灰使用,抹灰中硫酸、氯盐对混凝土的渗透使氯离子含量超标,导致钢筋锈蚀,混凝土保护层开裂.由于氯离子已扩散至3～5cm深度,如不将被侵蚀部分剥离,则将继续影响混凝土的强度并使钢筋锈蚀,故本工程考虑采用加大截面法对梁柱构件进行加固.

新的结构设计规范于2001年后陆续颁布,但加固方面新规范颁布较少.《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）、《混凝土结构加固技术规范》(GIGS25：90)及《建筑抗震加固与技术规程》（JGJ116-98）明确指出,混凝土结构加固设计,除应符合本规范规定外尚应符合现行国家有关标准的规定.但对于新规范颁布前竣工的工程,各项技术指标很难达到现行规范的要求,若要按现行规范进行加固,则其工作量将相当大.对钢筋混凝土结构房屋,《建筑抗震加固技术规程》（JGJ116-89）第6.14条规定,采用《建筑抗震设计规范》〔GBJ11-89〕的方法进行抗震承载力验算,故本工程主要依据旧规范进行加固设计抗震分析.

3加固计算分析与设计

加固计算分析以竣工图为准,并考虑目前使用功能布局的改变而进行计算分析,这是因为原设计在改变使用功能后,可能出现抗震验算不足的情况,相应不足的构件也需作加固处理.加固计算分析的结果应是加固所要达到的目标,加固设计应按分析得到的内力进行计算.本工程第1周期为2.5s,最大层间位移为1/1275,原设计整体刚度较合理.在超限信息中,部分梁出现受压区高度超限的情况,分析其原因为使用功能改变而造成,故需调整构件截面,使各构件通过抗震验算要求.

3.1截面的确定

设计时应从考虑刚度的角度出发,满足加固计算分析要求,可按下式计算:

K等于K0+0.8Kn

式中K0为原截面刚度,Kn为后补混凝土的刚度；K为计算刚度；

本工程构件分为3类：①氯离子渗透较深,混凝土保护层需剥离,钢筋完全锈蚀；②氯离子渗透较浅,钢筋锈蚀不严重,剥离保护层对钢筋除锈后仍可使用；③受压区高度截面不足.其中第①、②类构件检测强度较低,且混凝土需要剥离.原截面刚度K0指考虑现有混凝土强度及截面削弱后的刚度,并可求出后补混凝土的刚度Kn值和计算得出其加固截面参数.

3.2承载力计算

经加固分析后,获得各加固构件的内力值,目前各种结构计算分析程序尚无法录入加固构件,承载力计算仅能通过手算进行.本例采用Excel,表格方式计算,其中受压区新增混凝土和纵筋强度设计值、受拉区新增纵筋抗拉强度设计值均应乘以0.85的系数,计算可按结构设计规范中的有关公式进行.

3.2.1柱的计算

对于构件截面削弱较大且混凝土强度有不同程度降低的情况,按此方法计算并不太确切,因此混凝土需剥离的柱在计算上应作一些特殊处理.若混凝土受压区在新增混凝土区域,则其计算与普通偏心构件相同；受压区跨越新旧混凝土,其高度较难确定,为简化计算,取新增混凝土强度设计值的85%与原混凝土强度设计值的较小值作为受压区混凝土强度设计值.

斜截面承载力计算按下式进行：

Vcy等于（0.16/l+0.15）fckbho+fyvk(Asv/s)ho+0.056N

式中：fck为原混凝土轴心抗压强度标准值.

3.2.2梁的计算

对于加大截面法,支座面的加固会影响使用效果,因此在梁正截面计算前对梁弯矩进行适当调幅,减小支座负弯矩和增大跨中正弯矩,将超过支座承载力的弯矩调幅改由梁跨中底筋承担,这样只需对梁底筋进行加强,可降低施工难度.梁斜截面基本可不计算,加固构造已能达到斜截面承载力要求.本工程中由于梁处于楼层上部,腐蚀程度较轻,故大部分只需去除保护层,仅个别腐蚀严重或受压区高度不足的梁需加大截面处理.部分梁柱加固形式.

3.2.3现状分析

由于个别梁柱氯离子腐蚀严重,且强度严重下降,截面有较大部分需进行剥离,这就存在施工安全问题,故需进行现状分析.先考虑施工活载、风载及无地震的情况下进行分析,其结果适于设计支架.本工程柱中混凝土强度最低仅C19,不考虑地震组合轴力设计值为8303kN,剥离混凝土后截面仅剩下700mm×700mm,承载力设计值仅4655kN.因此,对此类柱在施工前必须先进行支架设计,往往要进行多层支撑方案设计,才能保证施工安全.

4结语

本结构加固设计过程中力的平衡、变形的协调及构件内力都是通过构件自身刚度来体现的.高层建筑加固设计首先考虑刚度满足抗震要求,其次应满足各构件承载力要求,否则会造成刚度不均衡和应力集中,既难以达到抗震设计要求也增加了工程费用.本工程采用整体分析计算,取得较好的经济效果.