工业厂房混凝土框架结构加固改造设计

工业厂房混凝土框架结构加固改造设计

摘要:随着使用年限的增加，老旧工业厂房必然面临结构的加固改造问题。本文结合工程实例，介绍了工业厂房混凝土框架结构加固改造设计的思路，在详细分析原结构的基础上，最终采用梁柱外包钢加固法的加固方案，取得了较好的加固效果，可满足构造要求，对今后类似工程加固改造设计具有一定的参考价值。

关键词:混凝土框架结构；外包钢加固法；承载力；加固计算

在我国现有的工业厂房建筑中，混凝土框架结构因其具有足够的强度，良好的延性和较强的整体性,是最常用和最为普遍的结构形式。但由于工艺改造或设备更新，许多老旧工业厂房在使用功能或者安全性能方面达不到现有要求，因此，对已有厂房进行改造加固是有必要的。在这种情况下，我们建筑结构设计人员不但要熟练新建建筑的设计，还要掌握对旧建筑的加固改造设计。本文结合工业厂房混凝土框架结构改造实例，探讨了加固方案的确定和加固设计的相关问题。

1 工程概况

某工业厂房采用现浇混凝土框架结构，基形式为桩基础。前几年为适应改造的配套要求，已经对原结构①～③轴线进行了一次增量改造。

本次改造的目的是总体改造的另一部分，目的是通过改造，满足新增使用要求。改造内容为新增用途，涉及到原结构的④⑤⑥轴线，位置如图1所示。

图1 平面布置

以下是与本次设计有关的框架梁柱尺寸、配筋情况(见表1)。

表1 原框架柱截面尺寸及配筋

原框架安全等级:二级，抗震设防烈度:7度，a=0.10g，地震分组为第一组

原混凝土强度等级:梁、柱、承台为C20，板为C20

基本风压0.6kPa

2 确定加固方案

由于种种原因，原结构的计算书已经无处可找，委托资料也仅是初次设计时

的一部分，加之本次设计需增加的荷重较大，根据仅有的委托资料无法判断何处需要加固和如何加固。

为了确定加固方案，首先按改造后荷载，根据现行设计规范，对荷重涉及到的④⑤⑥轴线框架，采用目前国内建筑行业应用较广泛的PK计算程序进行分析。计算结果显示:1)在内力组合中，活载、风载与永久荷载组合效应对梁柱的内力起控制作用，地震作用组合不起控制作用；2)框架柱配筋数值小于原配筋数值，即受力方向原框架柱所配钢筋可满足要求。现将框架梁起控制作用的组合数据与原框架梁允许承载力的比较结果列于表2。

表2 新加荷载作用下原框架梁所受外力与其允许承载力比较

由表2知，框架梁在新增荷载下，支座和跨中弯矩及剪力增加均较多，已无法承受新增荷载的作用，必须进行加固。另外，查看原结构施工图我们发现，原框架柱配筋构造不符合新规范要求：第一，柱侧面纵向钢筋间距350mm，超过抗震时规范规定不宜大于200mm的构造要求；第二，底层柱底箍筋加密区长度及箍筋间距不够。按规范要求，应取矩形截面边长、柱净高的1/6和500mm中的最大值，即Hn/6近似等于1200mm，且满足底层柱刚性地面上下各500mm范围内加密的要求，箍筋间距取纵筋钢筋直径的8倍和100中的较小值。故综合应取底层柱自承台向上H=1700mm范围内箍筋加密，箍筋间距100mm。原设计H仅取950mm，④⑤轴线加密箍筋仅为150mm，为满足新规范要求，即便经计算纵向钢筋满足受力要求，也必须对柱进行构造加固处理。

至此，对本结构可供选择的加固方案有:增大截面加固法和外包钢加固法。两种方法各有优缺点。其中，加大截面法是采用同种材料-钢筋混凝土，来增加原混凝土结构构件的截面面积，达到提高结构承载力和满足正常使用的加固方法。此方法工艺简单，适应面广，可广泛用于一般梁、柱、板、墙等混凝土结构加固。但缺点是现场湿作业工作量大，养护期较长，对生产有一定影响，截面增大对结构外观及房屋净高也有一定影响；外包钢加固法是以型钢(一般为角钢)外包于构件四周(或两角)的加固方法，根据施工方法的不同，可分为干式和湿式两种。此法施工简单，现场工作量较小，施工工期短，受力较为可靠。适用于使用上不允许增大原构件截面尺寸，却又要求大幅度地提高截面承载力的混凝土结构加固。与湿式外包钢相比，干式外包钢施工更为简便，但承载力提高不如湿式外包钢有效。

改造工程一般都存在施工时间短，条件差，限制多的特点，我们在确定加固方案时结合现场的实际情况，综合考虑方案在现场实施的可能性及经济效果。为不影响生产，甲方将本次改造的施工安排在装置停产检修期间，工期较紧，加之采用加大截面法梁柱刚接的问题也不容易处理，无法采用加大截面法施工，该法被排除。

下面分析采用梁柱外包钢加固法的加固方案。由梁柱内力配筋包络图知，原

框架梁内力配筋相差较多， ⑤轴线底层梁剪力设计值为395kN，已超过《混凝土结构设计规范》中有关梁截面的限制条件V≦0.25βcfcbh0的要求，加固时也必须同时考虑斜截面抗剪问题。由于干式外包钢无法解决抗剪问题，而湿式外包钢施工技术要求较高，加之其梁柱节点处理起来也十分困难，考虑到经济效果和框架柱必须进行加固的事实，设想能否采用其他方法如增设支点法，将框架梁上荷载通过增设的支撑传至框架柱，从而减少梁上的受力，使得原框架梁不需加固仅通过加固框架柱即可满足设计要求。但增设支点使得框架内的一部分空间受到影响，征得主体专业的同意后。选取受力简图(见图2)进行计算，现将计算结果与原框架梁允许承载力的比较结果列于表3。

图2 计算简图

表3 新加荷载作用下原框架梁所受外力与其允许承载力比较(加撑)

由表3知，增设支点后原框架梁可不进行加固即可满足要求，仅需对柱进行加固。综合以上分析，确定采用外包钢与增设支点相结合的加固方案。

3 加固设计

3.1 加固结构的概念设计

在进行加固设计之前，我们首先应对加固结构进行了解、分析。其一，由于加固结构属二次受力结构，加固前原结构已经载荷受力(即第一次受力)，新加部分在加固后并不立即分担荷载，而是在新增荷载下，才开始受力，这样，整个结构在其后的第二次载荷过程中，新加部分的应力、应变始终滞后于原结构的累计应力、应变。当原结构达极限破坏时，新加部分的应力、应变可能还达不到自身的极限状态，其潜力得不到充分发挥；其二，加固结构属二次组合结构，新旧两部分存在整体工作共同受力问题。整体工作的关键，主要取决于结合面的构造处理及施工作法。由于结合面混凝土的粘结强度一般总是远远低于混凝土本身强度，因此在总体承载力上二次组合结构比一次整浇结构一般要略低一些。

由于加固结构受力上的上述差异，决定了混凝土结构加固设计的计算分析和构造处理，不能完全沿用普通结构概念进行设计。基于此， 《混凝土结构加固技术规范》(GB50367-2006)中规定，干式外包钢框架与原柱所受外力按其各自刚度比例进行分配，钢构架的受弯刚度近似取0.5EsAsa2，其杆件承载力按现行国家标准《钢结构设计规范》的规定进行计算，干式处包钢加固柱的总承载力为钢构架承载力与原混凝土柱承载力之和，是有一定道理的。

3.2 加固计算

柱加固详图见图3。

图3 柱加固详图

3.2.1 确定刚度分配系数和各自所受外力

原混凝土柱的受弯刚度EcIc=2.55×104×400×4003/12=5.44×1013

外包钢构架的受弯刚度0.5EsAsa2=0.5×206×103×947×2×365.62=2.6×1013

外力分配系数

Xs=1-Xc=0.325

现从加撑后的④⑤⑥轴线框架柱中选取M、N较大的两组外力对原混凝土柱进行外包钢加固设计(外力分配略)。

原混凝土柱配筋无需计算，外包钢后可满足构造要求。仅需要对钢构架进行验算(过程略)。

4 结语

总之，在结构改造加固中确定加固方案和进行加固设计是关键。在选择加固方案时，应综合考虑各种方案在现场实施的可行性，尽量使加固方案达到最优化。同时，在加固改造设计中要注意细节问题，熟练地掌握规范，并具有良好的结构概念，这样才能设计出达到构造要求的厂房建筑。

参考文献

[1] 杜秀洁.混凝土结构加固设计分析[J].包钢科技.2006年第01期

[2] 何文滔,黄正元,徐忠根.某老旧厂房改造加固设计实例[J].广东土木与建筑.2010年第06期