某框架结构办公楼的改造加固设计.pdf

Industrial Construction Vol. 41， No. 2， 2011工业建筑2011 年第 41 卷第 2 期123 某框架结构办公楼的改造加固设计 * 张学伟 1 刘卫东 1 张理 2 赵彦 2 严寅坤 3 1. 上海理工大学土木工程系， 上海200093;2. 上海建工设计研究院， 上海 200093;3. 上海大学建筑系， 上海200093 摘要介绍某框架结构办公楼扩建加层改造的加固方案设计。首先， 分析了直接扩建加层结构计算模 型的动力特性， 确定需要加固的部位。经分析， 原框架结构主要存在刚度偏小、 承载力不足和构造措施偏弱 等问题; 其次， 对相应的部位进行抗震加固设计， 在设计时要注意与建筑、 水电暖等专业的配合; 最后， 验算加 固后加层扩建结构模型的各项性能指标。结果表明 均能满足现行规范的各项要求。此设计为该工程加固 方案之一， 可供相关工程参考。 关键词框架结构;加层;轴压比;层间位移角;抗震加固 RENOVATION AND REINFORCEMENT DESIGN OF A FRAMED OFFICE BUILDING Zhang Xuewei1Liu Weidong1Zhang Li2Zhao Yan2Yan Yinkun3 1. Department of Civil Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093， China; 2. Shanghai Construction Design ＆ Research Institute Co. Ltd，Shanghai 200093， China; 3. Department of Architectural，Shanghai University，Shanghai 200093， China Abstract The extension-story design of a framed office building is introduced. First the dynamic characteristics of the structure with directive adding stores are analyzed，and what structural members should be reinforced are determined. Weak stiffness，low bearing capacity and detail design problems of the old frame can be found. Second， the design of anti-seismic strengthening is carried out and attention should be paid to coordination with the other departments. Finally，the dynamic characteristics of the designed structure are tested，and that satisfied the various requirements of current code. The design is one of the reinforcement programs of the project，which can be reference for other projects. Keywords frame structure;extension-story;axial compression ratio;story drift;seismic strengthening * 上海市教委重点学科建设项目 J50502 。 第一作者 张学伟， 男， 1986 年出生，硕士研究生。 E － mailxuewei7zhang 163. com. 收稿日期 2010 － 10 － 04 1工程概况 某办公楼位于上海市， 该楼设计建造于 1989 1990 年， 原设计为 3 层， 房屋总平面为矩形条状， 建 筑面积为 1 416 m2。混凝土现浇框架结构， 东西向 9 跨， 跨度 4. 2 m， 总长度 37. 8 m; 南北向 2 跨， 跨度 5. 5， 6. 5 m， 总宽度 12. 0 m， 室内外高差 0. 3 m， 1 ～ 2 层层高 4. 2 m， 3 层层高 3. 3 m。为纵向钢筋混凝 土条形 基 础， 基 础 埋 深 － 1. 5 m， 柱 的 尺 寸 均 为 350 mm 400 mm， 梁宽均为 250 mm。楼屋面板大 多采用厚 120 mm 的预制板， 现浇板厚度为 80 mm。 原结构首层布置见图 1。 改建方案主要有 原屋面上加建 1 层， 成为 4 层 钢筋混凝土框架结构， 改建后各层建筑布局基本一 致， 中部为内走廊， 两侧主要为办公室; 少量为宿舍; 原东北角楼梯间拆除重建， 西北角楼梯间封闭为楼 面; 配合东西侧的加建， 东北角和西北角的圆弧梁板 拆除; 部分区域增加次梁， 部分板改建为现浇板， 改 建后首层结构布置见图 2。 图 1原首层结构布置 Fig. 1First floor layout of the original structure 2计算分析 2. 1参数取值 改建后的结构仍为钢筋混凝土框架结构， 采用 124工业建筑2011 年第 41 卷第 2 期 图 2改建后首层结构布置 阴影部分为扩建部分 Fig. 2First floor layout of reconstructed structure PKPM 系列工程软件 SATWAE 进行内力计算分析。 其荷载取值按现在使用情况和 GB 500092001建 筑结构荷载规范 中的相关规定取值。梁柱混凝土强 度按检测鉴定单位建议值取 C20， 新扩建部分的混凝 土强度等级选用 C30。建筑场地类别为Ⅳ类， 设计抗 震分组为第一组， 抗震设防烈度为 7 度， 设计基本地 震加速度值为 0. 1g， 抗震等级为三级， 丙类建筑， 安全 等级为二级， 建筑地面粗糙度类别为 C 类。 2. 2建模计算简化 1模型中楼梯间按在厚度为零的楼板上布置 均布荷载处理， 不考虑其对整体刚度的影响。 2结构中的新扩建部分与原结构的连接按整 体现浇考虑。 2. 3直接加层的结构分析 2. 3. 1地基基础 基底压力设计值约 195 ～ 210 kPa， 大于地基承 载力设计值 137. 5 kPa， 加层后的地基承载力不满足 要求， 主要原因是加层及楼面荷载的增加。 2. 3. 2框架梁 计算结果表明， 加层后各层框架梁内力均有所提 高， 梁端负弯矩和剪力普遍增大。主要原因是加层 后， 建筑质量和高度增加， 导致风荷载和地震效应增 大， 进而导致梁内力增加。但并没有框架梁显示超筋 信息， 说明框架梁的截面大小满足抗震设计要求。 2. 3. 3框架柱 首层有 11 根柱轴压比超限， 主要集中在纵向中 间 1 排和 4 个角部， 最大值达到了 1. 31。2 层柱仅 有 2 根柱轴压比超限， 集中在原结构与新建结构的 连接部位， 轴压比分别为 0. 91 和 1. 0。说明加层后 部分 1 ～ 2 层柱的承载力和延性不满足规范要求， 需 要对轴压比超限的柱进行加固处理。 2. 3. 4周期及层间位移 直接加层后结构的 1 阶阵型为 X 方向的平动， 平 动系数 X Y 为 0. 95 0. 94 0. 01 ; 2 阶阵型为 Y 方向 的 平 动， 平 动 系 数 X Y 为 0. 96 0. 01 0. 95 ; 3 阶阵型为扭转， 扭转振动 X Y 为 0. 09 0. 04 0. 05 。直接加层后结构的第一扭转周期与 第一平动周期比为 0. 78， 满足规范不大于 0. 9 的要 求。直接加层后层间最大位移角 X 向为1/ 510， Y 向 为1/562， X 向不满足规范中不大于 1/550 的要求。 3加固设计 3. 1基础加固 由于该建筑的地基基础承载力不满足规范要 求， 经计算分析， 采用在原基础上钻孔并压入多节锚 杆静压桩的加固方案。锚杆静压桩选用预制钢筋混 凝土方桩， 尺寸为 200 mm 200 mm， 桩的型号为 JAZHb － 220 － 16 97 03 G361 预制钢筋混凝土方 桩 ， 桩 总 长 为 12 m， 单 桩 极 限 承 载 力 设 计 值 为 242 kN， 桩帽为乙型， 如图 3 所示。 1钢筋混凝土条形基础;2基础梁;3锚杆静压柱 图 3锚杆静压桩加固基础 Fig. 3Foundation reinforced by anchor static pressure pile 3. 2柱加固 3. 2. 1增大截面法加固柱 为了提高结构的整体刚度， 减少其层间位移， 降 低柱的轴压比， 更好地与新建结构连接， 对纵向中间 1 排柱和 4 个角柱在 1 ～ 3 层均增大截面， 中柱截面 从 350 mm 400 mm 加大为 500 mm 550 mm， 角柱 从 350 mm 400 mm 加大为 800 mm 550 mm。其 中， 新增纵向受力钢筋采用化学植筋锚固方法， 生根 于相应柱的基础上， 详见图 4图 6。 1纵筋齐梁边布置18; 2新增截面;3原柱表面凿毛; 4新增箍筋10 100 /200; 5原柱截面 图 4中间柱增大截面示意 Fig. 4Diagram of middle column with increased cross-section 某框架结构办公楼的改造加固设计 张学伟， 等125 1新增受力钢筋18;2新增箍筋10 100 /200; 3原柱表面凿毛; 4纵筋齐梁边布置;5新增截面; 6原柱截面 图 5与新建结构连接边柱增大截面示意 Fig. 5Column connected with the increased cross-section of new structure 1原柱表面凿毛;2新增箍筋10 100 /200; 3新增受力钢筋18;4原柱截面;5新增截面 图 6与新建结构连接角柱增大截面示意 Fig. 6Diagram of column connected with the increased cross-section of new structure 3. 2. 2外包钢加固柱 首层和 2 层纵向边框架柱在地震作用下所配的 纵筋和箍筋不满足规范要求， 实际配筋面积仅为验 算所需配筋面积的 61. 8 ， 但其轴压比均满足规范 不大于 0. 9 的要求。因此， 采用外包角钢加固法加 固首层边柱， 用角钢的有效面积代替需要增加的纵 筋面积， 见图 7图 9。具体做法 在边柱的四周包 以等边角钢， 角钢间用扁钢板连接， 在角钢与柱之间 用灌浆料填实。在梁柱节点处用等代钢筋代替缀 板， 将等代钢筋用植筋的办法植入梁端截面。最后， 在角钢与边钢板外用钢丝网聚合物水泥砂浆抹平保 护， 外包角钢伸入基础并采用钢筋混凝土围套锚固。 经计算， 选用等边角钢└75 5， 缀板用 － 60 mm 5 mm， 缀板间距加密区为 200 mm， 非加密区间距为 400 mm。 3. 2. 3粘碳纤维布加固柱 3 层边柱经过验算， 其纵筋满足要求， 但箍筋不 满足， 因此选用在柱上粘环形碳纤维布箍的方法补 强箍筋。采用高强 Ⅰ级碳纤维布， 碳布箍宽 bf 350 mm， 间距 sf 500 mm， 每层厚度 tf 0. 16 mm， 层数 nf 2， 选用的碳纤维布材料及其施工方法需满 足相应的规范要求。 1分段角钢└75 5;2箍板 60 5 200 /400; 3通长角钢└75 5 图 7边柱外包钢做法 Fig. 7Steel-encased column diagram 1纵向边框架梁;2梁区等代螺杆箍， 穿梁与 角钢焊接、 拧紧; 3梁区等代扁钢 － 150 mm 5 mm; 4通长角钢└75 5;5横向框架梁 图 8边柱外包钢在梁柱节点处做法 Fig. 8Nodes with beam and column diagram in steel-encased practice 1梁区等代扁钢 － 15 mm 5 mm;2纵向边框架梁; 3梁区等代螺杆箍， 穿梁与角钢焊接、 拧紧; 4连接板 － 75 mm 5 mm， 与角钢和等代扁钢焊接; 5通长角钢└75 5; 6横向框架梁 图 9柱外包角钢上端锚固 Fig. 9Anchoring of steels on top of column in steel-encased practice 3. 3框架梁加固 3. 3. 1粘碳纤维布加固 对于部分框架梁， 采用外粘碳纤维布加固法， 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， 同时， 应防止加固后梁出现“强弯弱剪” 现象， 对于高度大于 600 mm 的梁， 在腰部增设一道 126工业建筑2011 年第 41 卷第 2 期 压腰带， 详图见图 10。 1预制板;2钢板压条，横向长度为 2 000 mm; 3纵向压腰带; 4碳纤维箍;5梁底粘碳纤维布; 6角钢└75 5;7板 图 10粘碳纤维布梁加固做法 Fig. 10Diagram of sticking CFRP strengthening beam 3. 3. 2粘钢板加固 对于部分框架梁， 只有 3 个支座处的负筋不满 足要求， 采用在梁支座上部粘钢板以补强负筋。采 用该加固法， 既可增加梁的承载力， 又可减少对室内 使用空间的影响， 对于纵向框架梁， 由于箍筋量富裕 较多， 故不用设置 U 形钢箍， 见图 11。对于横向的 中间框架梁， 其中间支座处的负筋不足， 也采用粘钢 板法补强负筋， 箍筋富裕量不多， 设置 U 形钢箍， 防 止出现 “强弯弱剪” 的现象， 见图 12。 1预制板;2锚栓 12 200;3 － 2 000 mm 150 mm 6 mm， 结构胶粘结; 4被加固梁;5等边角钢└75 5 图 11边框架梁粘钢板加固示意 Fig. 11Diagram of sticking steel plane strengthening beam 3. 3. 3增大截面加固 由于原结构纵向中间 1 排柱采用了增大截面加 固， 为了配合建筑专业的要求， 对该排柱上部的连梁 也采用增大截面法加固， 见图 13。 3. 4板加固 原结构大多采用预制板， 预制板上不宜增加墙 体， 走道、 厕所等分隔墙体位置应相应增加次梁。原 1预制板;2└75 5 等边角钢; 3U 形箍板 － 200 5 400; 4 － 2 000 mm 150 mm 6 mm 结构胶粘结;5被加固梁 图 12中间框架梁中间支座处做法 Fig. 12Diagram of middle supports with middle frame beam 1原柱体; 2柱新增部分; 3原梁截面; 4新增受力 钢筋20;5新增受力箍筋10 100 图 13连梁增大截面加固示意 Fig. 13Diagram of beam reinforced with increasing the cross-section 屋面改建为楼面时， 应将原屋面找平层、 保温层等凿 除， 原结构找坡采用建筑架空找平的方法处理， 尽可 能减小板上的荷载。经过分析计算， 采用工字钢 I 20a， Q345 钢， 新增工字钢次梁与原混凝土梁的连 接节点见图 14。 1I 20a; 2高强螺栓; 3 － 400 mm 200 mm 10 mm 图 14钢梁与原梁连接节点 Fig. 14Diagram of node with original and steel beam 4加固后的结构验算 在加固后加层扩建的结构电算模型中， 采用增 大截面加固法的构件， 按加固后的尺寸输入; 采用其 他方法加固的构件， 根据刚度等效的原则， 换算成等 刚度的混凝土梁柱截面尺寸输入。新旧混凝土组合 截面的混凝土强度按 GB 503672006混凝土结构 加固设计规范 中的公式 fcc 0. 5 fc0 0. 9fc 进行 折算， 其中， 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 下转第 122 页 122工业建筑2011 年第 41 卷第 2 期 1原构造柱; 2410; 36 100; 4化学植筋; 5卫生间现浇板; 6圈梁 图 9女儿墙构造柱背面钢筋混凝土斜撑加固 Fig. 9Bracing at the back of the tie column of parapet 混凝土墙体， 提高房屋的纵向抗侧刚度; 对大开间房 屋， 如教室、 会议室等， 应考虑对大梁下的墙体采用钢 筋混凝土组合柱或钢筋混凝土板墙加固。 2 应进行抗震加固验算。对抗震承载力不足 的墙体， 应采用钢筋网水泥砂浆面层或钢筋混凝土 板墙加固; 对抗力与效应之比较小的墙体或墙段， 应 考虑先封堵洞口或加长墙段， 再用钢筋网水泥砂浆 面层或钢筋混凝土板墙加强; 对房屋特别薄弱的部 位， 应考虑增加钢筋混凝土墙体或实心砖墙， 但必须 保证新增墙体与原墙体的可靠连接。 3应 检 查 房 屋 的 抗 震 措 施 是 否 满 足 GB 500112001的要求， 应从房屋的层数和总高度、 房 屋的最大高宽比、 房屋抗震横墙间距、 房屋中砌体墙 段的局部尺寸限值、 构造柱和圈梁的设置、 预制板与 墙体的连接构造等方面进行检查， 不满足时， 应按 GB 500012001的规定进行加固。构造柱和圈梁 是保证房屋整体性的重要措施， 应选用合理可靠的 加固方案。2008 年 5. 12 汶川地震受损的房屋中有 很多预制板与墙体的连接不可靠， 加固设计时应采 取可靠措施， 保证预制板与墙体的连接构造。 6结语 1 对该学生宿舍楼按抗震设防烈度 7 度进行 抗震承载力和抗震加固验算， 对抗力与效应之比较 小的墙体， 确定其适宜可靠的加固方案， 加固后所有 墙体抗力与效应之比均大于 1. 1。 2 按 GB 500012001 等相关规程及标准 8 度 抗震措施的要求进行检查， 对不满足要求的部位和 情况， 采用合理可靠的加固方案进行加固， 以达到加 强房屋的整体性， 增强墙体的延性， 提高其抗震性能 的目的。 3 按现行国家规范、 规程和标准对 C 类建筑的 要求进行抗震加固设计， 加固后的后续使用年限为 50 年。 参考文献 ［ 1］ GB 502232008建筑工程抗震设防分类标准［S］ . ［ 2］ GB 500112001建筑抗震设计规范［S］ . ［ 3］ GB 500232009建筑抗震鉴定标准［S］ . ［ 4］ JGJ 1162009建筑抗震加固技术规程［S］ . ［ 5］ 03 SG 611砖混结构加固与修复［S］ . ［ 6］ 王军强. 四川江油震后多层砖房的破坏和安全鉴定［J］ . 工业 建筑， 2009， 39 1 47 － 49. 上接第 126 页 值; fc为新混凝土轴心抗压强度设计值， 未加固的梁 柱按原尺寸输入。 经过 SATWAE 分析， 柱的轴压比均小于 0. 7， 满 足规范不大于 0. 9 的要求。结构的 1 阶阵型平动系 数 X Y 为 0. 98 0. 98 0. 00 ， 2 阶阵型平动系 数 X Y 为 0. 96 0. 00 0. 95 ， 3 阶阵型为扭转 振动系数 X Y 为 0. 06 0. 01 0. 05 。结构的 第一扭转周期与第一平动周期比为 0. 87， 满足规范 不大于 0. 9 的要求。加固后结构层间最大位移角 X 向为 1 / 674， Y 向为1 /702， 均能满足规 范 不 大于 1 /550的要求。另外， 加固后的剪重比、 刚重比 未 列出 等均符合相关规范要求。 5结语 该设计仅为该工程加固方案之一。通过对本工 程的加固处理， 得到以下结论 1 对类似的工程进 行改造加固处理时， 需合理采取加固前后的结构计 算模型。2 根据结构构件的具体情况， 重视加固方 法的选择。3 在扩建加固设计过程中， 要与其他专 业密切配合。4 对加固后的建筑结构， 需特别注意 加固后的结构是否能满足规范的要求。 参考文献 ［ 1］ GB 503672006混凝土结构加固设计规范［S］ . ［ 2］ GB 500112001建筑抗震设计规范［S］ . ［ 3］ 06SG 3111混凝土结构加固构造［S］ . ［ 4］ 卜良桃，周靖. 混凝土结构加固设计规范算例［M］ . 北京中 国建筑工业出版社，2008. ［ 5］ 左成平，左明汉. 混凝土结构粘结加固设计与算例［M］ . 北 京中国建筑工业出版社，2008. ［ 6］ 吴永河. 某公寓楼的抗震加固设计［J］ . 工程抗震与加固改 造，2009，31 2 82 － 85. ［ 7］ 高靖斌，张惠英，吴文献. 某框架结构办公楼的加层加固设 计［J］ . 工业建筑，2006，36 9 92 － 94.