某高等专科学校教学科研楼加层设计
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作者: 袁学杰
摘 要：介绍高层建筑加层采用钢结构加固设计与施工的体会。
关键词： 加层；外包钢加固；节点处理。
中图分类号：TU312
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2006）01-0100-02
1工程概况
工程建于某专科学校校园内，大楼原建筑面积24800m2，主体建筑地上13层，其中五层裙房，房屋总高度53.37m。框架抗震墙结构，抗震设防烈度为6o，其抗震等级：抗震墙三级；框架四级。
2004年9月破土动工，当主体结构修建至第三层时业主由于发展的需要，提出增加一层裙房及四层标准层的要求。大楼设计建筑面积33100m2，主体建筑地上18层，其中第一层层高5.40m，第二层层高4.50m，第三至六层层高均为4.20m，第七至十八层为标准层，层高均为3.60m，房屋总高度66.57 m（电梯间顶）。此时房屋总高度＞60.00m，其抗震设防等级为：抗震墙三级；框架三级。
2结构分析和现场情况调查
2.1地基与基础
根据本工程的“岩土工程详细勘察报告”，该工程场地为开挖整平，场地层为唯一的粘土，下伏基岩为灰岩且大部分地段已裸露，该灰岩层分布稳定连续、厚度大，其地基承载力特征值为6000Kpa，是非常理想的天然地基。
原基础设计采用钢筋混凝土独立基础和混凝土墙下钢筋混凝土条形基础，基础顶部与底层人防结构400厚的钢筋混凝土底板（双层双向钢筋网）整体相连。经加层后的荷载作承载力的验算，其承载能力能够满足设计要求，地基基础部分不需作加固增强处理。
2.2框架柱及抗震墙
加层后已完工程中主楼部分的框架柱承载能力及抗震墙端部的局部承载能力不能满足设计要求，且框架柱的轴压比超限值较大。对这部分的框架柱和抗震墙应作加固处理。还未施工的部分按加层设计后的施工图施工。
2.3已施工完毕的楼面梁板结构能够满足设计要求，不需作加固增强处理。
2.4采用回弹法普查与钻心法抽查相结合的检测方法，对已施工完毕的框架柱和抗震墙的混凝土强度进行检测，其混凝土强度均≥C40，满足原设计要求。检查钢筋直径、数量符合设计要求。
3加固方案的选择
根据尽量不增加结构总荷载，尽量不减小使用面积，和施工方便可靠的原则，结合工程的实际情况，选择如下加固方案：采用外包钢加固框架柱、采用增大截面法加固抗震墙。
3.1外包钢加固柱设计计算中应用的公式及详图设计
3.1.1 截面刚度
外包钢加固柱的截面刚度：EI=EcIc＋EaAaα2
Ec，Ic 分别为原柱的混凝土弹性模量和截面惯性矩；Ea为加固型钢的弹性模量；Aa为加固柱一侧外包型钢的面积；α为受拉与受压侧型钢截面形心间的距离。
3.1.2轴心受压柱的承载力
N≤φ（fcAc＋fy'As'＋0.9fa'Aa'）
φ为柱的稳定系数；0.9为加固角钢与原柱协同工作时增加角钢的强度折减系数；fa'，Aa'分别为加固角钢的抗压强度设计值和截面面积。
采用外包钢加固时，型钢粘结于原柱，使原柱的横向变形受到型钢骨架的约束。同时，混凝土的横向变形又对型钢产生侧向挤压，使外包型钢处于压弯状态，导致型钢抗压承载力的降低；原柱混凝土已基本完成收缩，后加的外包型钢存在着应力滞后的现象，影响型钢作用的充分发挥。因此，湿式外包钢加固柱的正截面承载力可以按整截面计算，但对外包型钢的设计强度应乘以折减系数。《混凝土加固技术规范》规定：外包角钢的折减系数为0.9。
由于湿式外包钢加固中的后浇层（混凝土或砂浆）较薄，与原柱间的粘结受到削弱，在极限状态下后浇层极有可能先剥落。因此，在加固设计计算中忽略后浇层的作用。
3.1.3外力分配
加固柱的轴力按受压刚度分配，弯矩按受弯刚度分配，从而可得到外包钢构架承受的轴力Na1及弯矩Ma为
Na1=｛EaAa/（EaAa＋αEcAc）｝×N
Ma=｛EaIa/（EaIa＋αEcIc）｝×M
原柱承受的轴力Nc及弯矩Mc为
Nc=N－Na
Mc=M－Ma
3.1.4轴压比的控制
轴压比是影响框架柱破坏形态和延性的一个重要参数，抗震设计规范中作了严格的限制。本工程设计中柱轴压比的限值为0.9。 为满足框架柱轴压比的限值，外包钢构架承受的轴力Na2为：
Na2=N－0.9×fc×a×b
在高层建筑结构中采用外包钢加固框架柱的设计，不能忽视抗震设计规范控制框架柱轴压比的意义。因此在本工程设计计算外包钢构架时，其轴向压力的取值以Na2为主，即：在满足原框架柱轴压比限值的原则下来设计计算外包钢构架。再用 Na1进行强度复核，是否满足承载力强度要求。
3.1.5本工程的外包钢加固框架柱的设计计算中，采用了中国建筑科学研究院结构所的“混凝土结构加固计算软件：CSP”，进行设计计算和验算。
3.1.6加固柱的详图设计:
① 角钢之间用缀板焊接连接，角钢与混凝土之间灌注GS建筑结构灌缝胶。见图1。
②基础及柱顶的详图设计分别见图2、图3。
3.1.7柱的表面粉刷采用水泥砂浆粉刷，其厚度应满足防火要求。
3.2采用单面钢筋网混凝土夹板墙加固抗震墙，增加的墙板厚为100，￠10＠200双向钢筋焊接于M8＠800×800的锚栓上，锚栓采用植筋的方式，用JGN建筑结构粘合剂植于原抗震墙中。为了减少钻孔凿洞的工作量，避免对原结构造成不必要的损伤，钢筋网混凝土夹板墙穿过楼板和墙角处的节点采用如下连接方法。见图4。
4设计应注意的事项及施工工艺
4.1外包钢加固结构节点区受力较复杂，外包型钢两端应有可靠的连接和锚固，保证力的有效传递。外包角钢须通长、连续，在穿过各层楼板时不得断开，并在节点区设置加强型钢箍，加强型钢箍截面面积应不小于角钢截面面积。
焊接接头宜留在高出楼板面500-1000mm处，便于施焊和检查焊接质量。焊接接头应错开设置，不得留在同一断面处。
4.2原柱面应整直打磨平整。外包角钢和缀板应作除锈处理。
4.3外包角钢贴附于原柱表面，用卡具固定，然后将缀板贴附于原柱表面与角钢焊牢。外包角钢及缀板与原柱表面均留出2-3mm的间隙，便于灌浆。
4.4用GS建筑结构灌缝胶将角钢、缀板与原柱表面间的间隙填充灌满。
4.5角钢表面焊钉一层钢丝网，以保证柱表面粉刷砂浆与角钢表面粘结的质量。
5结语
5.1实践证明，湿式外包钢加固钢筋混凝土柱作为一门成熟的技术，设计简单，施工方便，同时不增加结构的荷载，不减少房屋的使用面积。在精心施工、确保质量的前提下，能保证加固后房屋结构的安全可靠。
5.2由于角钢和缀板组成的钢构架形成对钢筋混凝土柱四周的侧向约束，所产生的环箍效应既提高了钢筋混凝土柱的承载力，也增加了柱的延性。
5.3采用GS建筑结构构灌缝胶作为填充材料，能保证型钢与混凝土柱的粘接质量，达到二者共同工作的目的。
5.4考虑加固构件二次受力其应力滞后现象对加固效果的不利影响，及考虑规范对框架柱轴压比限值的要求来控制设计外包型钢构架。
5.5重视节点的构造处理在加固设计中的重要地位。节点的构造是结构设计的保证。加固后的构件应有良好的整体性、足够的强度和适当的刚度，同时符合概念设计。
5.6应选择质量合格的粘结材料，选择专业化施工队伍施工，以保证质量。施工完毕后，根据《混凝土结构加固技术规范》（CECS25：90）的有关要求进行检测。
参考文献：
[1] 卜良桃、王济川. 建筑结构改造与施工. 湖南大学出版社. 2002年
[2] 张立人. 建筑结构检测、鉴定与加固. 武汉理工大学出版社. 2003年
[3] 袁海军、姜红. 建筑结构检测鉴定与加固手册. 中国建筑出版社. 2003年
[4] 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）
[5] 混凝土结构加固技术规范（CECS25：90）
[6] 卓尚木、季直仓. 钢筋混凝土结构事故分析与加固. 中国建筑出版社. 1999年
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