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某商城的加固改造設(shè)計(jì)
鄭靖靖1 ，耿歐1 ，王希2 ，陳辭1 ，柴博士1
( 1． 中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇徐州221008; 2． 徐州空軍學(xué)院訓(xùn)練部職教辦，江蘇徐州221000)
［提要］ 根據(jù)某商城改造工程的實(shí)際情況，對比分析了工程中常用的幾種鋼筋混凝土梁板構(gòu)件的加固方法，重點(diǎn)介紹了碳
纖維加固技術(shù)具有的各種優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)性。通過計(jì)算，確定了工程中梁、板等構(gòu)件的碳纖維加固方案及施工步驟，并對今后
類似工程的加固改造提出了合理的建議。
［關(guān)鍵詞］ 鋼筋混凝土; 工程加固; 改造; 碳纖維
［中圖分類號］ TU746． 3 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A
Strengthening and Reconstruction for A Mall
Zheng Jing-jing1 ，Geng Ou1 ，Wang Xi2 ，Chen Ci1 ，Chai Bo-shi1
( 1． School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221008，China; 2． Vocational
Education Office of Training Department of Xuzhou Air College，Xuzhou 221000，China)
Abstract: According to the actual engineering situation of a mall transformation，several reinforced concrete beam slab component
reinforcing methods in general engineering are analyzed，and the CFRP with various advantages and adaptability is mainly introduced．
The project is established through calculation of the beam，plate of the component such as fibre reinforcement solutions and construction
procedure，and the reasonable suggestions are put forward for similar projects in the future reinforcement renovation．
Keywords: reinforced concrete; engineering strengthening; reconstruction; carbon fiber
1 工程概況
本工程位于安徽省淮北市，為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其中框架抗震等級為四級，抗震設(shè)防為丙類，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50 年，抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，建筑物場地為Ⅱ類，建筑結(jié)構(gòu)的安全等級為二級。本工程基本風(fēng)壓為0． 40kN /m2 ，地面粗糙度為C 類。根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，該建筑主體結(jié)構(gòu)地上3 層，局部6 層，建筑總高度為24．02m，建筑面積約為32371m2。其標(biāo)準(zhǔn)層平面圖見圖1 所示。由于使用功能的改變，該結(jié)構(gòu)有如下變動(dòng): ①樓面活荷載變化較大。1 層～ 2 層原設(shè)計(jì)為商鋪，現(xiàn)改為超市，應(yīng)甲方要求1 層～ 2 層樓面活荷載改為8．0kN /m2［1 ～ 3］。②樓梯位置改變。原有樓梯需拆除，增設(shè)新樓梯，原有樓梯洞口需補(bǔ)樓板。
2 加固方法的選擇
在確定加固方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)工程的現(xiàn)場實(shí)際情況，從抗震性、功能性、可實(shí)施性、和美觀性等方面綜
合考慮，確定既安全可靠、又經(jīng)濟(jì)合理的加固方案［4 ～ 6］。為此，設(shè)計(jì)中對加固方案進(jìn)行了以下優(yōu)化
對比。
( 1) 增大截面加固法
增大截面加固法是用增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件或構(gòu)筑物截面面積進(jìn)行加固的一種方法，可以提高被加固構(gòu)件的承載能力，而且還可以加大其截面剛度。該方法采用的材料為鋼筋混凝土，最大的優(yōu)點(diǎn)是費(fèi)用相對較低，缺點(diǎn)是濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護(hù)周期長，增加了結(jié)構(gòu)重量，加大了基礎(chǔ)負(fù)擔(dān)，不利于抗震，支模工作也很困難。顯然該方法不適合于本工程。
( 2) 粘鋼加固法
鋼筋混凝土受彎構(gòu)件外部粘鋼加固是在構(gòu)件承載力不足區(qū)段的表面粘貼鋼板，這樣可提高被加固
鄭靖靖，等: 某商城的加固改造設(shè)計(jì)·113·
Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting Vol. 34，No. 1 2012
構(gòu)件的承載力。該法現(xiàn)場無濕作業(yè)或僅有抹灰等少量濕作業(yè)，對生產(chǎn)和生活影響小，但加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平; 再者鋼板不是柔性材料，粘貼時(shí)要求基面必須非常平整，否則容易出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象，使粘貼效果大打折扣，施工質(zhì)量不易得到保證，故此法亦不適合于本工程。加固設(shè)計(jì)
圖1 標(biāo)準(zhǔn)層平面圖
Fig． 1 Standard floor plan
( 3) 碳纖維加固法
碳纖維加固是用膠結(jié)材料把碳纖維貼于被加固構(gòu)件的受拉區(qū)域，使它與被加固截面共同工作，達(dá)到提高構(gòu)件承載能力的目的。除具有粘貼鋼板相似的優(yōu)點(diǎn)外，還具有耐腐濁、耐潮濕、耐用、維護(hù)費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維加固法主要有以下特點(diǎn): ①抗拉強(qiáng)度高，是同等截面鋼材的7 ～ 10 倍; ②重量輕，密度只有普通鋼材的1 /4，加固后結(jié)構(gòu)自重幾乎不增加;
③耐久性好，可阻抗化學(xué)腐蝕和惡劣環(huán)境、氣候變化的破壞，不需定期維護(hù);④施工方便快捷，施工質(zhì)量易于保證，對施工環(huán)境的要求不高，工期短; ⑤由于是片狀卷材，柔性好，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀自由裁剪; ⑥適用范圍廣，混凝土構(gòu)件、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)均可采用，可大幅度提高構(gòu)件的承載能力、抗震性能和耐久性能。［8］因此，從各方面綜合考慮，碳纖維加固法
是適合本工程的最佳方案。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及計(jì)算結(jié)果
3． 1 設(shè)計(jì)原則
( 1) 按照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB50367-2006) ，確定結(jié)構(gòu)改造后的設(shè)計(jì)使用年限為滿足原有結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用年限，計(jì)算時(shí)按照30 年的后續(xù)使用年限確定該改造工程的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。結(jié)構(gòu)到期后，需進(jìn)行可靠性鑒定來確定是否可延長其使用年限。
( 2) 按照現(xiàn)行規(guī)范對改造后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，對構(gòu)件進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，按照現(xiàn)行抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行抗震構(gòu)造補(bǔ)強(qiáng)。
( 3) 對加固改造方案進(jìn)行充分的論證。在投資額、工期已定的前提下，以技術(shù)可靠、易于施工、工期
短為原則確定原結(jié)構(gòu)的拆除方案、新舊混凝土結(jié)構(gòu)的連接方案及整體結(jié)構(gòu)的加固方案。
3． 2 整體模型計(jì)算結(jié)果
整體計(jì)算采用PKPM 結(jié)構(gòu)計(jì)算程序中的PMCAD 建模，采用SATWE 模塊對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙的平面布置圖建模，在不改變原有梁、柱截面的情況下，施加實(shí)際荷載，分析結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及配筋情況。經(jīng)過計(jì)算分析，工程存在下
列問題: ①原設(shè)計(jì)的現(xiàn)澆板，板底受力筋滿足要求，部分板頂支座負(fù)筋的計(jì)算配筋大于實(shí)際配筋; ②比較計(jì)算結(jié)果與原設(shè)計(jì)實(shí)際配筋，局部框架柱、梁配筋小于計(jì)算結(jié)果。
4 主要加固及改造設(shè)計(jì)、對構(gòu)件的加固
4． 1 板的加固
由于荷載增加，混凝土板承載能力不足，樓面板配筋不足采用粘貼碳纖維布法進(jìn)行加固。粘貼碳纖維布法對加固配筋率較低的構(gòu)件，如樓板等具有較好的效果。板頂碳纖維加固見圖2 所示。由于建筑功能改變，原有的樓梯要拆除，原有樓梯洞口需補(bǔ)樓板，新增梁板鋼筋通過植筋與原結(jié)構(gòu)

板頂碳纖維加固

Fig． 2 Board top carbon fiber reinforced diagram連接。樓梯周邊的原結(jié)構(gòu)梁需進(jìn)行加固。新增樓梯部位樓板需拆除，增加樓梯邊梁，樓板鋼筋錨入新增樓梯邊梁中，新增樓梯邊梁鋼筋植入原結(jié)構(gòu)主梁中。
圖3 梁加固詳圖
Fig． 3 Beam strengthening maps
4． 2 梁的加固
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，部分梁的正截面抗彎承載力和抗剪承載力不足。計(jì)算彎矩與原承載力相比，增加幅度最大約為30%。根據(jù)新舊鋼筋差值核算，可得知碳纖維布需粘貼的數(shù)量［7 ～ 8］。所用碳纖維主要規(guī)格為300g /m2 ( 即厚度為0. 167mm) ，根據(jù)需要粘貼1 ～ 3 層。其中，框架梁支座配筋不足的加固是難點(diǎn)，具體加固詳圖見圖3 所示。
4． 3 柱的加固
根據(jù)新舊配筋差值進(jìn)行核算，得出碳纖維布需粘貼的數(shù)量。采用規(guī)格為300g /m2 ( 即厚度為0. 167mm) 的碳纖維布，寬度200mm，間距300mm，即可滿足承載力要求。
4． 4 基礎(chǔ)的加固
根據(jù)計(jì)算結(jié)果僅有一個(gè)基礎(chǔ)承載力增加幅度約為8% ，其他基礎(chǔ)均滿足要求。為了減少投資、縮短工期，地基基礎(chǔ)未進(jìn)行加固，主要是考慮到從2005年建成到2010 年，本項(xiàng)目已使用了5 年時(shí)間，地基土經(jīng)排水固結(jié)后承載力可提高約10%。
4． 5 施工工藝
結(jié)合本工程，施工過程應(yīng)注意以下幾點(diǎn): ①嚴(yán)把材料關(guān)，所有進(jìn)場材料，包括碳纖維材料和膠結(jié)材料，必須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，并具有出廠產(chǎn)品合格證，符合工程加固補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)在現(xiàn)場對材料進(jìn)行抽檢; ②各工序的施工質(zhì)量，由技術(shù)人員負(fù)責(zé)指導(dǎo)、監(jiān)督，每一道工序完成后提請技術(shù)員檢查、認(rèn)可后，才能進(jìn)行下道工序; ③涂料應(yīng)涂刷均勻、不得漏涂，嚴(yán)禁在不適合氣溫條件下施工，添加溶劑稀釋后的涂料應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用完。施工宜在5℃ 以上環(huán)境溫度條件下進(jìn)行，并應(yīng)符合配套樹脂的施工使用溫

梁加固詳圖

度環(huán)境。溫度低于5℃ 時(shí)，應(yīng)使用適用于低溫環(huán)境的配套樹脂或采用升溫處理措施; ④碳纖維片材為導(dǎo)電材料，施工碳纖維片材時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電氣設(shè)備及電源，或采取可靠的防護(hù)措施。碳纖維片材配套樹脂的原料應(yīng)密封儲存，遠(yuǎn)離火源，避免陽光直接照射。樹脂的配制和使用場所，應(yīng)保持通風(fēng)良好。現(xiàn)場施工人員應(yīng)采取相應(yīng)的勞動(dòng)保護(hù)措施［9 ～ 10］。
5 結(jié)語
改造需對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體可行性分析，根據(jù)分析結(jié)果確定合適的加固改造方案。加固方案需盡量不破壞原構(gòu)件，盡可能減少施工難度、施工周期和減少加固改造量。加固改造必須由具有加固專項(xiàng)資質(zhì)的單位進(jìn)行施工，而且施工過程中需采取有效的措施保證加固質(zhì)量。根據(jù)本工程總結(jié)出以下幾點(diǎn)注意事項(xiàng):
( 1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，每一棟建筑都有它自身的特點(diǎn)，首先要確定設(shè)計(jì)目標(biāo)，以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)措施［11］。這些方法與原則是基礎(chǔ)性、整體性、全局性和關(guān)鍵性的，是安全可靠的優(yōu)秀設(shè)計(jì)的基本保證。
( 2) 結(jié)構(gòu)的傳力應(yīng)力求簡潔明了，加固改造項(xiàng)目應(yīng)注重節(jié)點(diǎn)細(xì)部的處理，確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)理念。
( 3) 改建加固項(xiàng)目中，確定合理的施工工序及安全施工，是確保各受力構(gòu)件按照設(shè)計(jì)意圖傳力的有效保障。
( 4) 改造工程中，基礎(chǔ)的改造會涉及到土方的開挖、防水層的破壞等不利狀況，因此應(yīng)考慮各種有利條件，盡量采取措施不對基礎(chǔ)進(jìn)行加固，從而達(dá)到節(jié)省造價(jià)、縮短工期的效果。
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［作者簡介］ 鄭靖靖( 1986 ～ ) ，女，碩士研究生，研究方向: 結(jié)構(gòu)耐久性