某办公楼局部抽柱加固设计

2020-05-18吕德城

福建建筑 2020年4期

吕德城

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

当前，一些既有建筑因使用功能的改变而增大空间或改变结构布置，此时往往需要对原有建筑进行改造。改造过程势必对原有结构体系进行加固。其中“偷梁换柱”在实际工程比较常见。“偷梁换柱”即拆除了原有结构的框架柱，将竖向力转移至转换梁上，再向下传递至邻近的框架柱上。该改造必将引起原梁、柱及基础的刚度及承载力不足，因而必须对相应的结构构件进行加固。常见的加固方法有加大截面法，外包钢法，粘贴碳纤维布法等[2]。本文结合一实际工程，在传统加固方法上结合增加斜拉杆等形成局部空间桁架体系对相应构件进行加固。

1 工程概况

福州市某办公综合楼设计于2014年，地上30层，裙房为4层框架结构，建筑室外地面至主要屋面檐口高度为13.780m。建筑抗震设防类别为丙类,建筑结构安全等级为二级,所在地区的抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度0.10g,设计地震分组:第三组;场地类别:Ⅲ类;特征周期Tg=0.65sec,建筑类别调整后用于结构抗震验算的烈度7度;按建筑类别及场地调整后用于确定抗震等级的烈度7度;建筑结构的阻尼比取0.05，框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为二级, 50年一遇的基本风压:0.80kN/m2,地面粗糙度:B类,风载体型系数:1.3。

裙房主体结构采用钢筋混凝土框架结构，基础采用冲孔灌注桩。现应业主要求，增大入口大堂开间，拟将建筑大堂入口处轴交⑦，⑧轴处柱子拆除，拆除后入口处原三跨梁变为单跨梁，改造示意如图1～图2所示。

图1 抽柱改造平面示意图

图2 抽柱改造立面示意图

原结构⑥，⑨轴结构框架柱尺寸为1000×1000，框架梁尺寸为400×1200。抽柱后原⑥～⑨轴三跨梁变为单跨梁，梁计算跨度变为25.2m。抽柱后原竖向构件不连续，竖向力传力途径发生变化，原⑥～⑨三跨连续梁变成单跨转换梁，⑦，⑧轴三层以上柱子竖向力由转换梁承担，原传至⑦，⑧轴柱基础的竖向力转移至⑥，⑨轴上。经PKPM结构分析软件验算，抽柱后原结构构件及基础承载力不满足要求，需对相关结构梁柱及基础进行加固。

2 加固方案

2.1 梁柱加固

图3 梁柱截面加大平面示意图

梁柱初步加固方案为采用加大截面法进行加固。该方法常用于钢筋混凝土受弯和受压构件加固，即在原有构件四周布置钢筋后浇筑混凝土，通过增加原有构件截面面积来增加构件承载力，该方法施工操作简单、施工成本较低。该工程中抽柱后⑥～⑨轴转换梁跨度为为25.2m，按1/12跨高比初步估算梁高约为2.1m，考虑到底层为入口大堂，业主希望尽量控制梁高以增加大堂净高，故按1/14跨高比，即梁高为1.8m进行加固设计。抽柱后梁端弯矩增大，原柱子受弯承载力不足，故原1000×1000框架柱拟增大为1400×1400。采用PKPM结构分析软件按增大后的构件尺寸进行建模分析，计算平、立面图如图3～图4所示。

抽柱后，⑥，⑨轴柱为框支柱，⑥～⑨轴间梁为框支转换梁，《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)6.1.2框支框架抗震等级为二级，故将该框支转换结构抗震等级定义为二级，采用SATWE有限元分析软件进行计算，结果如图5～图6所示。

图4 梁柱加大截面立面示意图

图5 混凝土构件配筋及钢构件应力比简图

图6 第二层挠度图

由计算结果可知，增大截面后梁柱承载力均能满足要求，增大后的框架梁挠度能满足正常使用极限状态下的要求。但考虑到该框架梁作为转换结构，跨度太大，且梁上抬两根框架柱，为大跨度的转换梁柱构件，为了提高转换构件的安全系数，经反复比较，拟采用在该框梁上增加斜拉杆，与梁形成桁架体系联合受力，结构体系如图7所示。

图7 梁柱加大截面立面示意图(加斜拉杆后)

增加斜拉杆后，计算结果如图8～图9所示。

图8 第二层挠度图(加斜拉杆后)

图9 混凝土构件配筋及钢构件应力比简图(加斜拉杆后)

增设拉杆前后各构件内力及挠度、裂缝变化情况如表1所示。

表1 内力及挠度、裂缝变化比较表

由上述比较结果可知，增加斜拉杆后，转换梁内力变小，梁挠度及裂缝满足正常使用极限状态要求。转换柱上层柱较增设拉杆前有所增大，说明通过增设斜拉杆后，结构内力由水平转换梁向竖向结构柱转移，由竖向构件进行承担结构荷载，对结构安全性更为有利。

上层柱柱底力增大后，采用外包型钢法对其进行加固。对转换梁梁上抬柱处新增附加箍筋及吊筋，以抵抗上层柱底集中力的影响。

2.2 加固节点做法

梁柱截面加大做法如图10～图11所示。

加大截面施工前，先凿除原构件表面的粉刷层至混凝土基层；混凝土存在裂缝时，按要求对裂缝进行修复处理，钢筋锈蚀应进行除锈和清洁。为保证新旧混凝土粘结牢固，结合面的混凝土按要求进行凿毛。清除混凝土表面的油污、浮浆，并将灰尘清理干净后涂刷水泥浆界面剂；截面增大部分采用高强自密实混凝土(混凝土强度等级C60)进行浇筑，以保证浇捣密实。

图10 框架柱加固大样

斜拉杆采用φ152×10规格，材质为Q235B,斜拉杆应与结构梁柱节点有效连接，连接节点做法如图12～图13所示。

图11 框架梁加固大样

图12 斜拉杆下端与梁柱连接节点大样

图13 斜拉杆上端与梁柱连接节点大样

节点板安装过程，将相关范围的原有混凝土板开槽，开槽过程注意保留原有板钢筋；安装完成后，将楼板钢筋焊接于节点板上，并使用聚合物砂浆封闭洞口。

上层柱外包型钢做法如图14所示。

图14 柱外包型钢做法大样

2.3 基础加固

抽柱后，⑥，⑨轴柱底内力增大，原基础设计承载力不满足要求，需要对原基础进行加固。原设计基础采用钻孔灌注桩，现主体结构已完成，现有场地无法提供灌注桩的施工条件和施工面，经多方比较，拟采用锚杆静压钢管混凝土桩进行加固[6]。桩身采用φ325钢管桩，壁厚8mm，管中采用C25细石混凝土填芯，每节桩长不宜小于2m。根据地质报告，承台下桩尖持力层选用(6)粉质粘土(3)，桩身有效长度约为25.0m～28.0m，桩端进入持力层深度不小于1m，单桩竖向承载力特征值为700kN，单桩竖向静荷载极限值为1400kN，为竖向抗压桩。桩基施工采用静压沉桩,施工时采用压桩力和标高双控。以压桩长为主,要求静载及终压力应≥1400kN,并持荷稳定，桩长由现场实际情况确定。桩基承台平面及剖面如图15～图16所示。