长沙某高层商业大厦主体加固方案研究

王中强　王宇赞

摘要：高层建筑本身作为一种建筑形式，其具有复杂的结构形式与受力。对高层建筑进行的加固改造必须考虑到其结构的复杂性，这增大了加固改造与加固设计的难度。现代主要加固方法已经有很多，大部分加固方法已经有了比较完善的研究，但仍有很多地方需要继续研究，比如新旧混凝土的共同工作与破坏机理、型钢与缀板形成的框架对混凝土产生的套箍作用等。本文结合长沙某高层商业大厦框架一核心筒结构的加固改造设计实例，在利用PKPM鉴定加固模块与SATWE进行结构计算的基础之上，提出了对结构的各种加固方案，并对各方案进行分析计算。本文还对各方案进行了详细分析，确定合理有效的加固方案。本文研究方法，可为同类工程提供参考。

关键词：加层改造；混凝土结构加固；加固方案分析

中图分类号：TU746.3

文献标识码：B

文章编号：1008-0422（2013）05-0121-03

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引言

随着社会发展，越来越多既有房屋需要进行加固改造，对于不同的建筑，不同的结构形式，需要进行不同的加固方案研究。同一个建筑，可以设计不同的加固方案，但是选取最合理有效的方案是一个难点。许多建筑加固都是设计人员根据以往工程经验设计的，没有经过优化分析，因此设计出的并不一定是最优化的。本文实际工程长沙某商业大厦为满足使用要求进行加层改造，经过详细的检测鉴定与结构计算，需要对其主体结构进行加固，本文对其进行了加固设计与方案优化分析。

2 工程概况

本工程为框架一核心筒结构，主塔楼31层，裙房5层，地下2层，各层均为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为300#（88年设计采用的混凝土强度，等于现在混凝土强度等级C28），采用桩基础。现因需要扩建进行加层改造，增加建筑面积作为商场使用。经过检测鉴定，发现2层柱子强度不符合原设计要求，混凝土强度推定值仅为23，原结构部分地方使用功能发生改变，局部荷载增加，承载力不足。

3 加固方案分析

本工程柱属于小偏心受压柱，主要是轴力过大，弯矩很小，属于承载力不足。对于这种情况下的钢筋混凝土柱，经常用的加固方法有：增大截面法、外包型钢法。而2层柱子因为混凝土强度不满足设计要求，则可以采用置换混凝土法来进行加固。下面未分析各种方案的优点与不足。由于本工程手扶电梯的位置发生变化，导致5轴交J-K轴与7轴交J～K轴梁承载力不足，需要进行加固。手扶电梯的荷载由出厂厂家给出，本工程为80KN/m，经过PKPM软件计算之后得到计算配筋为支座负筋最大4400mm²，底筋最大4100mm²。而原设计梁支座负筋与底筋均为5（325（2454mm²），远远达不到要求，因此该梁需要进行加固。本文给出的混凝土梁加固方案为三种：增大截面法、粘钢加固法、粘帖FRP加固法。

方案一：增大截面法。增大截面法就是采用同一种材料增加原构件的截面面积，从而提高原构件承载能力和刚度，其施工简单实用性强，已经有了很丰富的经验积累和实践证明。适用于原构件轴压比明显偏高与原构件截面尺寸过小的情况。加大截面法施工简单，应用广泛，但是工期往往由于要浇筑混凝土并养护而过长，另外加固后构建截面面积增大，对于墙柱来说就是减少了使用面积，对于梁板来说就是降低了室内净高，而且增加自重，对下部结构增加荷载。增大截面法施工工艺分为：1.施工放线；2.清理、修正原结构柱，原有楼板开洞；3.安装新增钢筋并与原钢筋、箍筋连接；4.模板的设置；5.混凝土的浇筑；6.混凝土的养护。

本工程增大截面法加固钢筋混凝土柱具体尺寸均为b、h边每边增大100mm，混凝土（330，新增钢筋16（325，新增箍筋φ10@100（2），锚固长度100mm。本工程增大截面法加固梁设计为：h方向梁底增大300mm，梁侧每边增大100mm，底部新增钢筋4C25，侧面板底每边新增2C25，梁侧腰筋配置8C14，腰筋设置拉筋φ8@400，新增箍筋与拉筋在混凝土中锚固长度为100mm。计算结果见表2。

方案二：外包型钢加固法。外包型钢加固法作为一种经典的加固方法，可以大幅度提高构建界面承载力和抗震能力，同时还具有施工工艺和安装简单的优点，因而广泛应用于工程实践中。外包型钢加固法就是用型钢外包于构件表面并通过缀板链接形成框架，型钢与混凝土的粘结通过结构粘结剂形成两者共同工作的加固方法。外包型钢加固法可分为两种：湿式与干式。干式就是加固用型钢与原混凝土构建之间没有粘结于一起，两者并不能传递建立与弯矩，没有共同工作而是原构件与型钢框架单独受力；湿式就是型钢与原混凝土构件之间有有效的粘结，可传递剪力与弯矩，从而两者共同工作达到承载力提高的目的。湿式与干式相比较而言，干式虽然施工更加简单，但是对于承载力提高的不如湿式，目前湿式外包型钢法加固更为常用。外包型钢加固法施工工艺为：1.基坑开挖；2.粘帖面处理；3.角钢、缀板制作安装；4.地脚锚固；5.封边、埋设灌浆嘴；6.注胶；7.防腐处理。

本工程外包型钢法加固钢筋混凝土柱具体尺寸见表1。

方案三：置换混凝土加固法。置换混凝土加固法是将原有构件的混凝土材料进行替换，只利用新混凝土承受荷载或利用新的混凝土与原有混凝土共同承受荷载的加固方法。这种加固方法通常用在受压区混凝土强度偏低或者有严重缺陷的局部区域。置换混凝土加固法对于混凝土强度过度偏小的构件加固效果明显，不过使用范围比较窄，加固效果受到施工质量影响较大，加固过程中具有一定危险性，必须严谨设计，严格施工。置换混凝土加固施工工艺为：1.卸除待加固构件荷载；2.凿除混凝土并设置型钢支撑；3.重新设置箍筋与浇筑混凝土；4.多根柱加固必须按顺序；5.施工监控；6.混凝土养护。

本工程置换混凝土加固2层钢筋混凝土柱具体尺寸分为250×50mm与350×350mm两种。

方案四：粘帖钢板加固。粘钢加固类似于外包型钢加固，二者区别在于外包型钢是使用型钢抵抗竖向荷载与弯矩，减少原构件混凝土的压力；而粘钢加固是用薄钢板粘帖在原构件受力面主要提高构建的受弯与受压承载力。由粘钢加固的特点来看主要适用于混凝土梁、板与大偏心受压柱的加固。粘帖钢板加固施工工艺：1.粘帖面处理；2.加压固定及卸荷系统准备；3.结构胶配置；4.涂胶和粘帖；5.维护。

本工程粘帖钢板法加固梁设计为：梁底粘帖400mm宽2mm厚钢板，梁顶在现浇楼板一侧粘帖300mm宽5mm厚钢板，在支座处梁侧与梁底设置-u形端箍，宽300，厚1mm，伸至板底，每边用两根化学锚栓锚固。梁底钢板通长布置，梁顶钢板延伸柱手扶电梯一边1000mm，另外一边500mm。计算结果见表2。

方案五：粘帖FRP加固。近年来，纤维增强复合材料（Fibre Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP）被广泛应用于混凝土结构及其他结构的加固中，在混凝土结构加固中FRP加固适用于受弯、轴心受压、大偏心受压及受拉构件的加固。在加固构件受力中，FRP材料仅受拉应力。粘帖FRP加固法施工工艺为：1.混凝土表面处理；2.粘帖FRP阶段；3.施工质量管理及检验；4.养护。

本工程粘帖FRP加固法加固梁设计为：材料均为单向织物2级，梁顶粘帖4层每层厚2mm，梁底粘帖3层每层厚2mm，梁侧粘帖2层每层厚2mm宽度100mm间距200mm。计算结果见表2。

结果总结分析，（1）混凝土柱加固方案分析：三种对混凝土柱的加固方法中，除了置换混凝土加固法具有一般只对强度达不到设计要求或有严重破损缺陷的构件采用这种局限性外，其他两种都具有实用性广泛、加固效果明显的特点。其中增大截面法具有可极大提高承载能力的优点，但是实际加固中有上层如果增大截面，则下层必须增大截面的要求，在本工程中，-2层有6根柱子因为连着剪力墙，可不需要进行加固，但上层这几根柱子轴压比不够必须进行加固，那么如果上层要进行增大截面法加固，则下层柱必须增大同样截面。外包型钢加固则必须采用良好的防腐处理，使用过程中如果型钢锈蚀腐朽达到一定程度，则加固失效。（2）混凝土梁加固方案：经过计算提取混凝土梁挠度最大值与最大配筋进行对比，分别详见表2。由表可见，三种加固方法都是有效的，在减小梁挠度方面增大截面法有显著效果，减小了33%，而粘帖钢板法与粘帖FRP法效果不明显，减小了1.5%左右。粘帖钢板法与粘帖FRP法能有效减少计算配筋量，而增大截面法必须附加钢筋才能满足计算配筋。增大截面法占用空间较大，而粘帖FRP法与粘帖钢板法占用空间较小。

4 结语

加固方案优化分析就是根据实际工程对所选取的各方案进行分析，得到最合理有效的方案。根据本文工程实例，采用增大截面法是不好的，因为本工程柱子上下层需要加固的数量不同，会导致下层不需要加固的柱子因为上层柱增大截面而增大同样的截面进而造成浪费，而本工程梁增大截面法加固工期过长，对于商场来说工期越长亏损越大。采用置换混凝土法也是不好的，因为置换混凝土法工期更加长，同样不适合本工程。采用FRP加固法也不适合本工程，因为现今纤维片材还属于新兴建筑材料，比较昂贵，经报价计算得FRP加固法相比于粘钢加固法材料费贵接近3倍。最终选取的加固方案是粘钢加固法与外包型钢法，本工程采用这种方案的优点有：1.工期相对较短；2.造价相对便宜；3.不会造成浪费。

每个工程都有不同的工况，合理选用加固方案是很重要的，本文提供了范例可供类似工程进行加固方案的优化分析。