钢筋混凝土框架柱加固设计与分析.pdf

陆海燕等： 钢筋混凝土框架柱加固设计与分析 4 5 圈 钢 筋 混 凝 土 框 架 柱 加 固 设 计 与 分 析 陆海燕， 邢彤， 鲍文博 ( 沈阳工业大学建筑 工程学院 沈阳1 1 0 8 7 0) 【 摘要】 在某工程的增层改造设计过程中， 结合混凝土结构加固设计规范、 新的混凝土结构设计规范和 S A T WE计算结果对偏心受压柱进行受力分析以及配筋计算 ， 详细讨论了采用增大截面法加固偏心受压柱的具体 实施过程 ， 可为类似工程的加固改造处理提供参考 ， 积累经验。 【 关键词】 框架柱； 偏心受压； 加固设计； 增大截面法； 施工 【 中图分类号】 T U 3 7 5 4 【 文献标识码】 A 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 1 0 0 0 4 5 0 3 REI NFoRCE NT DES I GN FoR THE REI NFoRCED CoNCRETE F RAM E CoL UMN oF oNE PRoJ ECT LU Ha iy a n，XI NG To n g，BAO W e nb o ( S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n ， S h e n y a n g U n i v o f T e c h n o l o g y ， S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： D u ri n g t h e e n g i n e e ri n g d e s i g n f o r s t o r e ya d d i n g r e c o n s t r u c t i o n o f a p r o j e c t ， w e a n a l y s i s t h e s t r e s s a n d c a l c u l a t e the r e i n f o r c e me n t o f the c o l u mn s c o mb i n i n g wi th the d e s i gn c o d e for s t r e n g t h e n i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e ，t h e n e w c o d e for d e s i gn o f c o n c r e t e s t r u c t u r e s ，a n d the c a l c u l a t i o n r e s u l o f S AT WE A d e t a i l e d d i s c u s s i o n o n s p e c i fi c i mp l e me n tat i o n p r o c e s s for r e i nfo r c e d the c o l u mn u n d e r e c c e n t r i c c o mp r e s s i o n s t r e n g t h e n i n g b y a u g me n t e d s e c t i o n w i t h r e i nfo r c e d c o n c r e t e舀 V e n ，p r o v i d i n g r e f e r - e n e e s a n d a c c u mu l a t i n g e x p e r i e n c e s f o r s t o r e ya d d i n g r e c o n s t r u c t i o n o f s i mi l a r p w j e c t s Ke y wo r d s ： f r a me c o l u mn；e c c e n t r i c c o mp r e s s i o n；r e i n f o r c i n g d e s i gn ；s t r u c t u r e me mb e r s t r e n g t h e - n i n g wi t h R C ；c o n s t r uc t i o n 在工程中， 由于建筑物的增层、 改造、 混凝土强度不足 等原因造成柱轴压比超限和柱配筋不足的情况比较普遍。 此时应对柱进行加固补强处理。对于柱子加固处理的方法 很多， 常用的有粘贴纤维复合材加 固法、 增大截面加固法、 粘贴钢板加固法、 外加预应力加固法、 外粘型钢加固法等。 增大截面法是一种技术 比较成熟 的传统加固方法， 以其工 艺简单 、 受力可靠、 加固费用低廉等优点在结构工程加固中 被广泛应用。文 中通过某工程柱的加固处理 ， 详细讨论了 采用增大截面法加固偏心受压柱的受力分析以及配筋计算 的具体实施过程。 1 工程概况 本工程位于辽宁省沈阳市， 原设计建筑层数为地面以上 1 2层 ， 用途为办公楼。现根据业主需要增加两层。本工程结 构形式为钢筋混凝土框架剪力墙结构， 抗震设防烈度为 7度 ( 0 1 O g ) ， 设防类别为丙类， 框架部分抗震等级为二级、 剪力墙 部分抗震等级为三级。经 S A T WE软件计算分析共有 2 7根 柱子存在不同程度轴压比超限和钢筋配置不满足要求的情 况， 必须进行加固补强处理， 需要进行加固的柱见图 l 。 乙 = rGZ- 2 IF l IIl l l I j 匹 口 卸口 lI It O E 口 f 11 8 0 1 1 file j r 7 2 0 0 7 2 0 0 72 00 72 O 0 7 2 00 a D e D a b D 图1加固框架柱平面布置图 2 加固方案 结合本工程的特点 ， 对不符合设计要求的柱子采用增 大截面法进行加 固设计 。增 大截面 加 固法 即采取增 大原构 件截面面积或增配钢筋的方法， 来提高其承载力和刚度 ， 以 满足正常使用的要求。加固结构属于二次组合结构， 新 、 老 混凝土存在整体工作 、 共同受力的问题。设计构造方面， 如 何使新老混凝土真正成为一个整体来共同工作， 新 、 老混凝 【 基金项目 国家 自然科学基金重大研究计划“ 重大工程的动力灾变” 重点项目“ 超高层建筑的动力失效模式及抗灾 一 分灾优化设计研 究 ( 9 0 8 1 5 0 2 3 ) ， 低温建筑技术 2 0 1 4年第 1 O 期( 总第 1 9 6期) 土界面的良好粘结就成为关键所在 J 。加固部分的混凝土 厚度一般不小于 1 0 0 mm( 规范中规定加固柱子时不应小于 6 0 m m)， 基本可保证柱子加固后新、 老混凝 土能够共同工 作。从设计构造上需配置足够的贯穿于结合面的剪切摩擦 筋或锚 固件， 将两部分连接起来， 确保结合面能有效传力， 这是新、 旧两部分结构整体工作的关键。为便于本工程的 立面处理施工， 根据柱的工作条件、 受力性质和构造特点， 角柱采用双面加固、 边柱采用三面加 固、 中柱采用 四面加 固， 具体加固方案见图2 。根据 G B 5 0 3 6 72 0 0 6 混凝土结 构加固设计规范 4 2 1条规定结构加固用的混凝土强度等 级应比原结构、 构件提高一级， 因此采用 C 4 5混凝土， 钢筋 选用 H R B 4 0 0级热轧带肋钢筋。 图2 加固柱详图 3 加 固设计 根据 S A r WE软件的空间有限元计算结果 ， 对需要加固 的柱子进行配筋计算， 在这里取轴和轴交点处柱进行 计算。该柱原设计截面尺寸 4 0 0 l n l n X 4 0 0 ram， 柱子纵筋为 H R B 4 0 0， 对称配筋A =1 5 7 0 m m ， 混凝土强度 C 4 0 。采用如 图2所示四面增大截面法进行加固， 加固层混凝土为 C A - 5 ， 加固层厚度为 1 6 0 r n m， 加固钢筋为 H R B 4 0 0 。 3 1 加固前 S A T WE软件的计算结果 原设计为十二层， 改造后增加两层。采用构件原截面 尺寸和材料强度等级 ， 构建十四层框架剪力墙结构有限元 模型， 经 S A T WE软件分析得到， 轴和轴交点处柱底层 在各荷载工况下的内力标准值如表 1 。软件给出该柱两个 方向上荷载控制组合及荷载组合系数如表 2 。 3 2 加固分析 根据 G B 5 0 3 6 72 0 0 6 ( 混凝土结构加固设计规范 5 2 4 条规定 ， 采用增大截面加固钢筋混凝土偏心受压构件时， 其 矩形截面正截面承载力应按下列公式确定 ： 表 1 各荷载工况下的柱内力标准值 表 2 各荷载工况下的控制荷载组合系数 N 口 L ， 6 +0 9 f , A + A 一0 9 A 。一 m A ( 1 ) N e D L ， _眦 b x ( h 。一)+0 9 f , A 。 ( h 。一 。 ) + A ( h 。 一口 )一 A ( o 一口 。 ) ( 2 ) ( _1 ) 。 ( 3 ) ： ( 一t ) E ， y 0 ( 4 ) ( 1 ) 计算新旧混凝土组合截面混凝土轴心抗压： ， 衄=( + 0 9 f o )=1 9 0 4 5 N m m 2 ( 5 ) ( 2 ) 偏心距 e 由表 1和表2计算得 ： l ， 方向柱底弯矩设计值 ： J I ， 底=8 0 8 k N m y方向柱顶弯矩设计值： l f 顶= 一2 1 8 k N m l ， 方向柱底轴力设计值 ： N = 2 4 2 5 k N 根据混凝土规范6 2 3条， 判断是否需要考虑轴压力在 挠曲杆件中产生的附加弯矩： r ( f c A )=0 2 4 60 9 ( 6 ) I 肘2=2 1 8 8 0 8=0 2 70 9 ( 7 ) Z i=1 8 2 8 0 3 ， 所以修正系数 =1 1 。 e=6 8 21 1：7 5 0 m m ( 1 3 ) 把数据带入方程( 1 )一( 4 )中， 利用电算解方程组， 得： = 1 7 0 ram A。 = 2 0 1 8 mm 实配受压钢筋为 6亚2 2 ， 满足计算要求。 4 施工方法 首先将原框架柱混凝土面进行凿毛清理 ， 然后进行植 筋及钢筋绑扎 ， 最后支设模板浇筑混凝土， 并进行养护。 4 1 凿 毛处理 为了防止新 、 旧混凝土结合不牢 ， 提高粘结力 ， 原框架 柱子新 、 旧混凝土接触的表面应进行凿毛处理 ， 凿毛过程 中 应尽量避免使用大型凿毛机械 ， 冲击力太大就会损伤构件 底层结构， 会使工程留下隐患 ， 宜采用人工剔凿的方式。原 结构表面的处理还不完全等同于施工缝的处理要求 ， 还应 对原结构的裂缝进行普查 ， 查找是否存在有危害结构安全 的裂缝， 在表面剔凿时对有危害的裂缝一并处理 。凿毛 完毕后， 去除原混凝土表面松动的浮渣并清理干净 ， 清理后 的混凝土表面采用界面处理剂处理。 4 2植筋工程 ( 1 ) 植筋前用钢筋探测仪或凿掉钢筋保护层确定原 结构中钢筋位置 ， 再根据施工图确定植筋位置， 新植入的钢 筋应避开原结构钢筋。 ( 2 ) 先用小直径钻头探孔 ， 再扩孔； 孔径要求按粘结 剂产品说明。植入到柱 内的钢筋， 其植入深度不得小于钢 筋直径的 3 5倍。 ( 3 ) 用钢丝刷、 气泵、 棉丝等工具清除孔内粉末 、 泥 灰、 水分 ， 用丙酮擦洗孔壁至清洁。 ( 4 ) 用钢丝刷除去钢筋锈痕、 杂质， 用丙酮擦干净。 ( 5 ) 将粘 结剂从孔底部注入 ， 填充量为孔深 的 2 3 。 ( 6 ) 将处理好的钢筋插入孔中， 转动、 提动数次后， 固 定 2 4 h 不扰动。 ( 7 ) 植筋完应进行锚固抗拔承载力现场非破坏性检 测， 数量为每种钢筋直径锚固总数的 1 o ， 且不少于 3 根。 ( 8 ) 植筋锚固时， 锚固部位原构件混凝土不得有局部 缺陷。若有局部缺陷， 应先进行补强或加固处理后再植筋。 ( 9 ) 植筋的锚 固深度严禁按短期拉拔试验值或厂商 技术手册的推荐值采用。 4 。 3 分层分段浇筑混凝土 采用增大截面法加固柱， 由于新浇筑的混凝土厚度通 常比较小， 其施工作业面有限， 常规 的振捣设备不便于使 用， 因此保证新浇筑混凝土的密实性是加 固成功的关键。 本工程采用分层分段浇筑混凝土的施工方法见图 3 。该方 法施工简单、 且便于使用小型的振捣棒。每一层的高度取 5 0 01 0 0 0 m m为宜， 根据分段 自下而上从底层开始缓慢浇 筑。为保证细石混凝土的密实度和新老混凝土的结合力可 渗入适量 U E A微膨胀剂。在下料时应用铁锤轻敲模板外 壁， 以使混凝土在中间不被隔断， 避免出现断柱现象， 并且 以此方法检查以浇筑混凝土部分是否饱满。振捣时以小直 径插入式振捣棒振捣为主， 同时模板外还可以采用附着式 振捣器 ， 通过振捣模板使混凝土密实。 图3分层分段浇筑混凝土 5结语 ( 1 ) 抗震区的框架柱节点区受力十分复杂， 且在加固 中柱周边楼板对新浇混凝土的密实性影 响较大， 故框架柱 节点区应采取一定的加强构造措施， 如箍筋加密、 外包钢板 或用角钢加强节点区等， 以达到“ 强节点” 的抗震设计目的。 ( 2 ) 增大截面法是靠新、 旧混凝土结合提高结构承载 力 ， 因此在设计上应根据实际情况确定加固截面形式、 加固 层厚度、 钢筋的配置和混凝土强度等级。施工中应编制详 细的施工方案， 严格按照规范施工， 方能保证工程质量和安 全 。 ( 3 ) 本工程竣工后 ， 浇筑的混凝土柱与上、 下柱端结 合良好 ， 没有出现冷缝或不密实等现象， 周围相邻构件也没 有出现变形过大或开裂等异常现象 ， 说明本文提出的方法 对柱的处理效果达到了预期 目的。 ( 4 ) 新混凝土结构设计规范对偏心受压构件二阶效 应计算做了较大调整， 文中结合软件整体计算分析、 新混凝 土设计和加固设计规范， 对柱的加 固设计和施工进行了详 细探讨。可为类似工程的设计与施工提供一定的参考。 参考文献 1 周希茂， 苏三庆 ， 赵明。 等增大截面法加固钢筋混凝土框架 的设计与展望 J 世界地震工程， 2 0 0 9 ， 2 5 ： 1 5 3 1 5 8 2 G B 5 0 3 6 7 2 0 0 6 ， 混凝土结构加固设计规范 s 3 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计规范 s 4 赵瞳增大截面加固法在奥体中心体育场加固中的应用 J 建筑结构 ， 2 0 0 7 ， 3 7 ： 3 0 3 2 收稿日期】 2 0 1 4 一 o 6 1 7 作者简介 陆海燕( 1 9 7 0一 ) ， 男， 辽宁昌图人， 博士， 讲师， 从 事建筑结构优化设计及建筑结构设计软件的应 用与开发研究 。