某混凝土框架教学楼加层加固设计

某混凝土框架教学楼加层加固设计
摘要：2008年的“5.12”汶川大地震造成大量中小学教学楼和办公楼的严重破坏和巨大的人员伤亡，引起了全社会的高度重视。

通过对某混凝土框架结构教学楼安全性进行鉴定，介绍了加层设计中减小对原有结构影响的各种措施，以及原框架柱、梁、板加固的方法选择和构造措施。

关键词：框架结构；加层；已有结构加固
1. 工程概况
某中学教学楼建成于20世纪80年代，设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，地震分组为一组，II类场地，反应谱特征周期0.35S，抗震等级为三级。

主体结构为6层现浇钢筋混凝土框架结构，宽9.80m，长32.00m，檐口高度18.30m，底层层高为3.90m，层2~层5层高均为3.60m，层6为屋顶楼梯间，层高为2.50m，其平面布置图如图1所示。

梁、板混凝土设计强度等级均为C25；柱混凝土设计强度等级为：层1~层2为C30，层2以上为C25。

梁、柱截面尺寸如图1所示，其中KZ2在标高7.50m以下为500x700，标高7.50m以上为500x500。

屋顶楼梯间四角柱截面尺寸均为240mmx300mm，梁截面均为250x300。

填充墙：外墙为240mm厚烧结普通砖（容重约19KN/m3），内墙为240mm厚烧结多孔砖（容重约14KN/m3），M5普通砂浆。

楼板厚度：教室及办公室内为110mm，走廊为90mm。

基础形式为柱下独立基础，基础混凝土强度等级为C25，持力层为中风化泥质粉砂岩，地基承载力特征值为fak=1200kPa。

2. 结构质量鉴定与分析计算
该教学楼结构经检测鉴定，主要存在以下问题：（1）依据《建筑工程抗震设防分类标准》[1]（GB 50223-2008）及《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[2]，本工程属于重点设防类建筑，不应采用单跨框架结构，而该框架Y方向为单跨，且未采取有效的可以提高结构抗剪强度的措施；（2）填充墙与框架柱只有少量拉结筋，墙体与框架柱缺少可靠拉结；（3）Y向墙体长度大于5m，且大于层高的两倍，但墙体中部未设置构造柱；（4）外墙受环境腐蚀较严重，有大块粉刷脱落，露出砖墙；（5）①轴线、⑤轴线及B轴线上的框架柱因粉刷脱落而受环境腐蚀较严重，局部混凝土保护层脱落；（6）屋面防水保温隔热层受损严重，屋面楼板局部开裂，下雨时发生漏水。

采用SATWE软件对原结构进行复核计算，结果显示框架柱KZ2的轴压比偏大，B轴与②轴、③轴、④轴相交处KZ2轴压比底层分别为0.93、0.90、0.88，层3轴压比分别为0.88、0.87、0.86，均不满足现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）表6.3.6中0.85的限值。

结构第1阶振型为Y向平动振型（平动系数为1.00），结构第2阶振型为X向平动振型（平动系数为0.57），结构第3阶振型为扭转振型（扭转系数为0.57），第1~3阶周期分别为1.044、1.016、0.917。

X向最大层间位移角为1/1107，Y向最大层间位移角为1/755；考虑偶然偏心后，结构X向最大位移比为1.06，结构Y向最大位移比为1.23，均满足现行《建筑
抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定。

经混凝土回弹法检测[3][4]，该结构混凝土强度与设计强度基本符合；经超声波扫描检测，梁、板、柱配筋与设计配筋基本相符；经钻孔检测，楼板厚度与设计厚度基本相符；保护层厚度检测因包含了粉刷层难以判断。

通过对该教学楼进行安全性检测和评估，考虑到该工程原设计基础承载力有较大富余，校方提出希望能够在屋顶再加一层，以解决该校教室数量不足的问题。

图1 建筑平面布置图
3. 加固改造
3.1 加层结构设计
建筑加层后，必定会增加结构的重量，从而对框架柱和基础有更高的承载力要求。

考虑到本工程填充墙均为容重较大的烧结砖，为了尽量减小对既有建筑的影响，决定先拆除所有X方向的填充墙体，改用容重较轻的砌块填充，其中①轴、⑤轴墙体采用KP1型多孔砖（容重≤14KN/m3），砂浆为M5.0混合砂浆；②轴、③轴、④轴及楼梯间周边墙体采用加气混凝土砌块（容重≤7KN/m3），砂浆为Mb5.0专用砌筑砂浆。

加层前还必须拆除屋顶楼梯间及女儿墙。

为提高结构水平刚度及增强墙体与框架柱的整体性，采用植筋方法增设构造柱和水平拉结筋（新增构造柱布置如图2所示），拉结筋沿墙体通长布置；对原有楼梯柱（TZ），采用植筋方法加高柱的高度，使楼梯柱上下端均与梁拉结，该新增柱段的施工方法为先砌墙后浇筑混凝土，配筋方式同构造柱；对楼梯间新砌墙体表面采用钢丝网水泥砂浆面层进行加强。

屋顶新增楼层的梁、板、柱混凝土等级延续原结构采用C25，柱截面尺寸均为400x500，梁截面尺寸同原标准层，层高为3.6m，屋面板厚为120mm。

经核算，原结构与加层加固后结构质量分别为463514.40KN和463814.26KN，改造后结构质量略有增加，增加率为0.06%。

3.2框架柱加固
由于该教学楼部分原设计框架柱轴压比不满足现行《建筑结构抗震设计规范》（GB50011-2010）0.85的限值，故采用加大截面法对框架柱进行加固[5~7]。

加大截面采用的混凝土强度等级比原混凝土强度等级提高一级，以作为安全储备，并采取构造措施加强新旧混凝土间的协同作用。

经重复试算，拟只对KZ1和KZ2进行加固。

其中KZ1基础顶面~7.500m标高截面由原设计的500x700加大为600x800；7.500m~11.100m标高截面由原设计的500x500加大为600x600，标高11.100m以上不加固。

KZ2基础顶面~14.700m标高截面由原设计的400x500加大为500x600，标高14.700m以上不加固。

对KZ1进行加大截面加固，是由
于对KZ2加大截面加固及加层后，结构中部刚度变大，导致结构第2振型由平动振型变为扭转振型（扭转系数0.79），第三振型由扭转振型变为平动振型（平动系数0.71），且B轴与①轴、⑤轴相交处KZ1轴压比增大为0.9，超出规范限值0.85，故为保证结构加固后刚度均匀布置，有必要加大结构周边框架柱的刚度。

柱截面加大方式有两面围套方式和三面围套方式，如图3所示。

为增强新旧混凝土的粘结能力，加固柱结合面均应凿毛、刷净，并涂混凝土界面剂一道。

未加固的框架柱表面均凿毛并用水泥砂浆重新粉刷。

图2 新增构造柱及截面加大框架柱布置图
（a）两面围套（b）三面围套
图3 柱加大截面加固
3.3 梁、板加固
对原结构梁、板加固主要集中在屋面。

屋面裂缝采用化学灌浆法，即采用低黏度、高抗拉强度灌浆材料，通过压力灌浆（0.2-0.4Mpa）注入楼板裂缝中，扩散、胶凝、固化，使楼板恢复整体性。

建筑加层后，需在原屋面框架梁上砌墙，这将增大原屋面框架梁的荷载。

因原结构设计为上人屋面（设计活荷载为2.0KN/m2），且考虑了屋面防水材料的重量（设计恒载为4.0 KN/m2），而加层后，原屋面防水层均需铲除并重新装修楼面，加层后设计恒载为1.8 KN/m2，经复核计算，加层后屋面框架梁实际荷载增加量均较小（10%以内），故对原屋面梁的加固采用黏贴碳纤维片材法。

加固梁的碳纤维片材厚0.167mm，抗拉强度设计值为1600Mpa，采用A级胶黏贴。

4. 结构加层加固后分析计算
采用SATWE软件对加层加固后的结构进行分析计算，结果显示框架柱轴压比均满足现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）表6.3.6中0.85的限值。

结构第1阶振型为Y向平动振型（平动系数为1.00），结构第2阶振型为X向平动振型（平动系数为0.60），结构第3阶振型为扭转振型（扭转系数为0.60），第1~3阶周期分别为1.132、1.055、0.972。

X向最大层间位移角为1/1184，Y向最大层间位移角为1/831；考虑偶然偏心后，结构X向最大位移比为1.07，结构Y 向最大位移比为1.21，均满足现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）的规定。

参考文献
[1] GB 50223-2008建筑抗震设防分类标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，
2008.
[2] GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010.
[3] JGJ/T 23-2001 回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[4] GB/T 50344-2004 建筑结构检测技术标准[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2004.
[5] SG111-1 建筑结构加固施工图设计表示方法[S]. 北京：中国建筑标准设计研究院，2008.
[6] SG111-2 建筑结构加固施工图设计深度图样[S]. 北京：中国建筑标准设计研究院，2008.
[7] 06SG311-1 混凝土结构加固改造（总则及构件加固）[S]. 北京：中国建筑标准设计研究院，2006.
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。