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  • 某废旧厂房加固改造工程的安全性检测研究

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  • 对应法规:房屋检测
    CNAS认可项目:是
  • [摘要] 本文主要介绍某废旧厂房改造为公安局业务技术用房的加固改造工程,首先对主体结构进行了安全性检测,内容包括地基基础及上部承重结构的混凝土强度、钢筋配置等;其次利用实测数据对其进行设计复核验算;最后采用针对性方法分别对沉管灌注桩基础、钢筋混凝土框架柱、楼面梁进行加固,另外,还对新旧框架柱的节点连接处理进行介绍,以供其他类似工程参考。
    [关键词] 废旧厂房 安全性检测 加固改造近年来,城市中越来越多的废旧厂房因承载力下降、构造措施不满足要求、结构形式不利于改造等原因而闲置,既占用土地又影响城市美观,为了使这部分资源得到合理的利用,本文结合具体的工程实例,首先对主体结构进行安全性检测鉴定,经计算复核后统计现有结构存在的问题,针对这些问题以及后续改造要求提出相应的加固改造方法,以供其他类似工程参考。
    1   工程概况
    某塑料制品厂厂房包括北楼、西南楼、南楼三个部分,皆由沉降缝断开。现需将废旧的厂房改造成为公安局业务技术用房,并将南楼作为办公主楼,为增加使用面积并且营造庄重磅礴的气势,决定在南楼的原有结构上加建两层,并向北增加一跨,故需对南楼进行加固改造。
    原南楼,地上3层,建筑高度13.00m,长43.30m,宽16.40m,建筑面积2202.20m2,建筑平面形式为“一”字形,楼梯间突出屋面。该建筑结构形式为三层钢筋混凝土框架结构,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.10g,地震分组为第二组,场地类别为Ⅲ类,该框架抗震等级为三级。加层、加跨后建筑高度20.95m,长43.30m,宽22.80m。南楼原结构平面布置图详见图1[1]
    2   主体结构安全性检测
    由于该建筑建造年代已久,原设计图纸及施工资料不齐全,且混凝土及钢筋强度因腐蚀等原因退化,为便于给后续的加固改造提供准确有力的计算依据,需对现有的主体结构进行安全性检测。
    2.1地基基础
    为确定基础形式以及基础混凝土强度,现场对基础进行开挖。经确认后,该建筑基础形式为沉管灌注桩基础,现场检测推定混凝土强度等级为C35,混凝土表面有轻微腐蚀,基础未见开裂、扭曲、倾斜及损坏现象,开挖发现地下水位较高。经过20余年的压实沉降,且通过对上部结构的调查,未发现不均匀沉降及倾斜。
    现场对地基进行岩土工程勘察,结果表明,该建筑基础持力层为粉质粘土,其承载力特征值为



    图1 南楼原结构平面布置图


    90kPa,且持力层以下存在淤泥质黏土,淤泥质黏土层厚度埋深范围变化较大,且浅部、深部各土层均有薄夹层分布,另外各土层分布较不均匀,在各个方向的性质变化明显。
    2.2 上部承重结构
    2.2.1 混凝土强度实体检测
    混凝土强度作为影响混凝土结构受力性能的关键因素之一,检测混凝土强度至关重要。本次检测混凝土强度采用回弹法、超声-回弹综合法以及取芯法,首先根据《混凝土结构现场检测技术标准》(GBT50784-2013)初步确定每一层检测样本容量以及检测构件具体位置,且严格按照《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》(JGJ/T23-2011)、《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02:2005)及《钻芯法检测混凝土强度技术规程》(CECS 03:2007)的规定进行现场检测,回弹法及超声回弹综合法所测得构件混凝土抗压强度需按式(1a)、(1b)进行修正。
    cC,i0fcC,i+△f        (1a)
    f=fC,cor,mfcC,mj       (1b)
    式中,cC,i0为修正后得换算强度;fcC,i为修正前得换算强度;△f为修正量;fcC,mj为所用间接检测方法对应芯样测区得换算强度的算术平均值;fC,cor,m为芯样试件的混凝土抗压强度平均值。
    综合推定该建筑1-3层钢筋混凝土梁、柱混凝土强度等级均为C30。
    2.2.2 钢筋配置实体检测
    对于钢筋配置以及钢筋保护层厚度的取值则采用钢筋扫描仪进行检测,并选取具有代表性的钢筋混凝土构件凿除混凝土,将实际配置与仪器所取值进行对比确认。最终推定该建筑受力主筋等级为HRB300,箍筋等级为HPB235。
    该建筑主体结构的表观质量良好,未发现有严重的裂缝,所有承重构件未发现严重缺陷、变形、开裂、位移或松动,与其连接部分也未发现损坏,建筑物未产生侧向位移和局部变形。
    3   设计复核验算[2]
    结构设计复核验算模型是在综合分析原设计图纸、现场调查结果以及现浇结构分项工程检测的基础上,采用PKPM软件建立而成的。通过原设计图纸与工程实际的比对,将改造后工程状态的结构布局、轴网尺寸、截面尺寸、边界条件等相关参数输入模型,最终计算模型如图2所示。因该工程为待改造工程,隔墙位置未确定,顶层屋面荷载情况未确定,计算时按照委托方提供功能分区初步确定荷载。
    将参数设定完成的结构设计模型,通过STAWE-8软件进行计算,得出改造后新增结构构件的计算配筋。将新增结构构件的计算配筋、原有结构构件配筋以及混凝土实际强度等参数输入PKPM中的鉴定加固模块后,进行复核验算,得出考虑扭转耦联时的振动周期、楼层最小剪重比、地震作用下最大层间位移角,以及配筋无法满足计算要求的构件,计算结果详见表1、表2、表3、表4[3]



    图2 模型三维透视图
                考虑扭转耦联时的振动周期      表1

    振型 1 2 3
    周期 1.0187 0.9869 0.9694

                          最小剪重比             表2

    方向 X向 Y向
    最小剪重比 1.60% 1.60%

     最大层间位移角          表3

    方向 X向 Y向
    最大层间位移角 1/ 651 1/ 587

                           配筋比较               表4

    构件 框架柱
    不满足数量 43 77

    原设计基础为沉管灌注桩基础,埋深为1.7m,利用JCCAD模块对基础进行计算时,计算地基反力大于持力层承载力特征值,软弱下卧层无法满足承载力要求。由于该建筑建设年代较早,当时使用规范与现行规范针对构造措施方面的规定有一定差异,其抗震构造措施不满足规范要求的结果汇总如表5、表6所示。


                                    抗震构造措施核算结果                                              表5

    鉴定项目 建筑抗震鉴定标准 实际值
    第6.1.3条
    外观及内在质量
    梁、柱及其节点的混凝土仅有少量微小开裂或局部剥落,钢筋无
    露筋、锈蚀。
    个别梁出现露筋、锈蚀
    第6.2.3条
    框架梁柱的配筋与构造
    1)框架梁柱的纵向钢筋和横向箍筋的配置应符合非抗震设计要求,其中梁纵向钢筋在柱内的锚固长度,HPB235级钢筋不宜小于纵向钢筋直径的25倍,HRB335级钢筋不宜小于纵向钢筋直径的30倍;混凝土强度等级为C13时,锚固长度应相应增加纵向钢筋直径的5倍。 锚固长度小于钢筋直径25倍
    2)6度乙类设防时,框架的中柱和边柱纵向钢筋的总配筋率不应小于0.5%,角柱不应小于0.7%,箍筋最大间距不宜大于8倍纵向钢筋直径且不大于150m,最小直径不宜小于6mm。 中柱最小配箍率为0.36%

                                       构造措施核算结果汇总二                                        表6

    鉴定项目 建筑抗震设计规范 实际值
    第6.3.9条
    柱的箍筋配置
    柱的箍筋加密范围:
    1)柱端,取截面高度、柱净高的1/6和500mm三者的最大值;
    2)底层柱的下端不小于柱净高的1/3;
    3)刚性地面上下各500mm;
    4)剪跨比不大于2的柱、因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱、框支柱、一级和二级框架的角柱,取全高。
    底层下端加密区长度小于柱净高的1/3;有剪跨比不大于2的柱未能全长加密
    第6.1.15条
    楼梯间构造
    楼梯间应符合下列要求:
    3)楼梯间两侧填充墙柱之间应加强拉结。
    楼梯间构造措施不满足要求
    第13.3.4条
    钢筋混凝土结构中砌体填充墙构造
    楼梯间和人流通道的填充墙,尚应采用钢丝网砂浆面层加强。 未加强



    4   加固改造设计
    利用PKPM软件中PMCAD、加固鉴定模块等对改造后的建筑进行加固设计。
    4.1 基础加固
    由于该建筑上部荷载增加较大,现将基础形式改为条形基础后重新进行加固补强,且增加基础的整体性,加固改造后基础平面布置图如图3所示。为了使新旧基础能够很好地协同工作,节点处必须要有可靠连接,结合面需将原混凝土凿毛,新增受力钢筋应锚入原基础。新旧基础连接如图4所示。同时,为调节新老建筑物间的差异沉降,接建部分基础与既有建筑物基础之间设置100mm宽后浇带。



    图3加固改造后基础平面布置图

    1—原钢筋混凝土基础;2—结合面凿毛;3—新增基础受力主筋锚入原基础
    图4 新旧基础连接示意图
    4.2 框架柱加固
    由于原建筑增层较多,荷载增加明显,利用鉴定加固模块可计算分析得出承载力和轴压比不足的框架柱。对于框架柱,可采用钢构套、钢筋混凝土套、粘贴钢板、粘贴碳纤维布等方法进行加固处理。本工程主要采取增大截面的方法进行加固,它具有工艺简单、使用经验丰富、受力可靠等优点,根据构建实际受力设计为单侧、双侧或三侧的加固和四面包套的加固。以一层柱A/10为例,其为角柱,无法满足承载力要求,对其四面各增大100mm,根据计算结果增大配筋,具体做法如图5所示。
    本工程为加层加跨的加固改造项目,接建部分与原建筑的连接尤为重要。因新增一跨框架梁与原

    1—新增受力钢筋为220,需通长设置,齐边布置;2—梁区等代箍筋为314,需穿过纵横梁;
    3—新增箍筋为10@150
    图5 柱加固示意图
    框架柱连接不易于结构形成整体,因此加固中在加跨处新增框架柱,使新增梁与新增柱可以形成可靠连接,协同工作。根据《建筑抗震设计规范》第6.1.5条,高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构,现将新旧框架柱浇筑成为一个整体,使整个建筑变为四柱三跨式,这样在地震作用下,对弯矩的传递,力流的传导都有利,且不易导致梁柱节点的破坏。连接点做法如图6所示。

    1—新增受力钢筋为422;2—新增受力钢筋为222;3—新增受力钢筋为520;4—新增受力钢筋为422;5—新增箍筋;6—新增箍筋,与原柱箍筋焊接;7—焊接;8—原柱箍筋;9—等待箍筋
    图6新旧框架柱连接做法
    结构加固需要解决的另外一个问题是新增第四层框架柱与第三层原框架柱的连接问题,由于PKPM计算结果得到的柱截面与原柱截面不同,为了降低工程造价,可分两种情况进行处理:第一种为接柱比原柱截面小,只需将纵向受力筋锚入原柱,锚固长度可根据《混凝土结构加固设计规范》确定;第二种为接柱比原柱截面大,将接柱纵向受力筋伸至下一层框架梁底,将纵筋弯折后锚入原柱内。接柱节点做法如图7所示。

    ①②
    1—接柱箍筋;2—原框架梁;3—屋面板;4—接柱纵筋,植筋锚固;5—接柱纵筋,弯折锚固;6—i≤1/6;7—层高;8—梁区箍筋;9—新增混凝土套;10—原柱
    图7 接柱节点做法
    4.3 楼面梁加固
    采用粘贴碳纤维布[4]和增大截面的方法对楼面梁进行加固。
    碳纤维布具有强度高、厚度薄、密度小等优点,基本不增加加固构件自重以及截面尺寸,它可以用于构件的抗拉、抗剪和抗震加固。根据PKPM计算结果,当实际配筋与计算配筋相差较少时则采用碳纤维布进行加固处理。对于在梁底满贴碳纤维布时,需按一定间距采用100mm宽U型碳纤维箍片进行固定,如图8所示。而对于在梁顶满贴碳纤布时,需将碳纤维布弯折至框架柱,并用碳纤维布进行环箍。为满足防火要求,碳纤维加固表面应采用15mm高强水泥砂浆进行防护。对于配筋相差较大者采用增大截面的方法进行加固补强,新增混凝土和钢筋的材料强度在计算时均乘以规定的折减系数,此方法可以明显提高楼面梁的承载能力。

    1—框架柱;2—U型碳纤维箍片,厚度0.111mm,200mm宽;3—梁底200mm宽碳纤维布,厚度0.167mm;4—U型碳纤维箍片,厚度0.111mm,100mm宽,净距200mm;5—100mm宽纵向压腰带,厚度为0.111mm
    图8碳纤维布加固楼面梁
    5   结语
    对于厂房加固改造工程,加层加跨对原结构影响较大,在进行设计之前必须弄清楚原结构的结构形式以及受力特点,对于不满足强度和刚度等要求的构件必须要进行加固补强。新旧节点的连接对施工工艺要求很严格,需在尽量减少对原结构破坏的基础上进行施工。该工程已经顺利完工,并得到业主的肯定与赞赏。
    参考文献
    [1]       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.
    [2]       刘军. 钢筋混凝土框架结构加层、改造及抗震加固[J]. 建筑结构, 2007, 37: 28-33.
    [3]       赵磊. 钢筋混凝土框架结构加层、改造设计实例及应用[J].宁夏工程技术, 2012, 11(1): 58-59.
    [4]       杨华, 刘军. 碳纤维加固设计中一些问题的探讨[J]. 建筑技术, 2006, 37(6):458-459.
    [5]       璩家平, 璩继立, 茆会勇, 等. 某框架结构加固与加层改造工程分析[J]. 建筑结构, 2010, 40(5): 74-75.
    [6]       JGJ 116—2009. 建筑抗震加固技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.
    [7]       GB 50023—2009. 建筑抗震鉴定标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2009.
    [8]       GB 50011-2011. 建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2011.
     


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