某大樓結(jié)構(gòu)原設(shè)計為單向框架,現(xiàn)用途由廠房變更為通信機房,需對其進行整體抗震和承載力加固。對加固方案進行了詳細的說明,其中用到了目前結(jié)構(gòu)加固中常用的加大截面法、表面粘貼碳纖維法、增設(shè)剪力墻等方法,將結(jié)構(gòu)加固為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。用軟件進行了加固效果分析,取得了良好的經(jīng)濟效益。
1工程概況
該房屋位于上海,原設(shè)計主要作為加工儀器、儀表或電子產(chǎn)品的廠房使用。廠房為地下一層,地上五層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),建于1994-1995年,建筑面積約10000㎡。廠房建筑平面大體為矩形,東南角局部突出,樓梯間位于東南角和西北角,東北端有電梯間,房屋東西向總長度56m,南北向?qū)挾?9.6m,室內(nèi)外高差1.2m。廠房四周有外圍護墻,室內(nèi)樓梯間,電梯間,衛(wèi)生間和9~10軸間辦公生活區(qū)有隔墻,9~10軸間一層到四層均有夾層。廠房地下室層高3.7m,一層層高6m,二層層高5m,三層層高5m,四層層高5m,五層層高4.5m。現(xiàn)擬將廠房用途改為通信機房。
廠房原設(shè)計為單向框架,橫向框架梁跨度為12m,梁主要截面大小為350mm×1100mm,縱向主次梁跨度均為6m,梁截面大小250mm×500mm。廠房主體結(jié)構(gòu)混凝土強度C25~C30,夾層樓板厚度80mm,混凝土強度C20。填充磚墻采用機制空心磚,厚度240mm,25號混合砂漿砌筑,局部內(nèi)墻采用泰柏板輕質(zhì)隔墻。地下室外部混凝土墻厚350mm,內(nèi)部混凝土墻體厚度250mm、350mm,墻體雙層雙向鋼筋。地下室混凝土強度C30?;A(chǔ)采用樁+承臺基礎(chǔ),混凝土大底板,承臺厚度1.6m(含基礎(chǔ)底板0.6m),預制樁采用全國通用建筑標準設(shè)計結(jié)構(gòu)試用圖集《預制混凝土方樁》(JSJT-89),廠房樁型JZHb-240-1515C、JZHb-240-1514C,截面400×400,樁混凝土強度C40,樁長29~30m,設(shè)計單樁承載力Nu=1100kN,樁尖位于砂質(zhì)粉土上。廠房基礎(chǔ)筏板厚度為650mm,南北向鋼筋板底、板頂φ16 180鋼筋,東西向鋼筋板底、板頂φ16 140,東西向基礎(chǔ)梁尺寸500×1300,南北向基礎(chǔ)梁400×1200、700×1500?;炷敛捎肅30、S8防滲混凝土。
2原結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果
改造作為通信機房使用后,房屋樓面荷載增加較大,用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件對原結(jié)構(gòu)進行驗算。
地震作用:地震烈度在結(jié)構(gòu)計算時按七度(0.1g),特征周期為0.90s,設(shè)計地震分組為第一組,場地類別為上海。由于作為網(wǎng)絡(luò)機房使用,其使用功能不能中斷或需盡快恢復的建筑,依抗震設(shè)防分類標準為乙類建筑,框架抗震等級取為二級,剪力墻抗震等級取為一級。
風荷載:基本風壓取0.55kN/m2,地面粗糙度取B類。
活荷載及恒荷載參考并結(jié)合現(xiàn)場檢測結(jié)果及荷載實際分布情況按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)規(guī)定取值。
樓面恒載:200厚現(xiàn)澆板樓面取6.5 KN/m2,120厚現(xiàn)澆樓面恒載取4.5 KN/m2,,100厚現(xiàn)澆樓面取4.0 KN/m2,,80厚現(xiàn)澆樓面取3.5 KN/m2,,屋面取5.5 KN/m2,,突出部分取4.4 KN/m2,,樓梯間取6.5 KN/m2,。墻體恒載取4.5 KN/m2,。
活荷載:樓面機房活荷載取8.0KN/m2,夾層活荷載取2.0KN/m2,樓梯活荷載取2.5KN/m2,走廊活荷載取2.5KN/m2,衛(wèi)生間活荷載取2.0 KN/m2,上人屋面活載取2.0 KN/m2,不上人屋面活荷載取0.5 KN/m2,屋頂電梯間活荷載取為7.0KN/m2。
材料:鋼筋及混凝土強度根據(jù)原設(shè)計數(shù)據(jù)取值。構(gòu)件截面尺寸按照原設(shè)計圖紙和現(xiàn)場實測取值。
房屋結(jié)構(gòu)平面布置規(guī)則、基本對稱,豎向剖面也對稱,結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度均勻變化,豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸自下而上逐漸減小,質(zhì)量分布較均勻,不屬于不規(guī)則類型。
通過計算,計算結(jié)果反映出以下幾個問題:
?。?)框架柱軸壓比
改變用途后,一層柱大部分軸壓比超過規(guī)范限值,二層及以上少數(shù)幾根柱軸壓比超過規(guī)范限值。
?。?)層間位移
結(jié)構(gòu)平動為主的第一自振周期為1.7316s。在地震作用下,改變用途后的結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角最大值為1/346,已經(jīng)超過規(guī)范要求的1/550;Y向?qū)娱g位移角最大值為1/381,也超過規(guī)范要求的1/550。
?。?)結(jié)構(gòu)梁、柱、板的配筋復核
將計算結(jié)果與原來設(shè)計圖紙進行對比發(fā)現(xiàn),局部梁、柱的配筋不足,且欠缺較大,屋面板的配筋不足。
?。?)地基基礎(chǔ)驗算
采用板元法基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有限元程序JCCAD進行基礎(chǔ)驗算,表明基礎(chǔ)基本滿足規(guī)范要求。
由于房屋原設(shè)計為單向框架,房屋縱向較薄弱,房屋的結(jié)構(gòu)體系、層間位移、箍筋配置等抗震構(gòu)造與現(xiàn)行規(guī)范有差異。且現(xiàn)作為網(wǎng)絡(luò)機房使用,樓面活荷載增加較多,結(jié)合以上分析和驗算,靜承載力和抗震都不能滿足規(guī)范要求,為了保證結(jié)構(gòu)的安全性,必須對結(jié)構(gòu)進行加固處理。
3加固方案及加固后計算結(jié)果
通過對結(jié)構(gòu)體系的整體分析,并結(jié)合現(xiàn)場實際施工條件,本著經(jīng)濟適用的原則提出了以下的加固方案。
3.1承載力不足的加固
由于機房樓面活荷載為8kN/m2,較原來的設(shè)計荷載增大很多,根據(jù)現(xiàn)場檢測和結(jié)構(gòu)抗震驗算結(jié)果,提出如下加固方案:
對配筋不足的梁采用粘貼碳纖維板加固處理;
由于樓面荷載增加較大,大于原有樓板的設(shè)計荷載,因此建議對屋面和各樓層樓板采用粘貼碳纖維的方法進行加固。
3.2抗震加固
抗震加固方案如下:
由于一層框架柱大部分軸壓比超限,采用灌漿料加大截面法加固,對地下室、二三層柱子,建議也加大截面,以增加結(jié)構(gòu)抗側(cè)力剛度;
由于原設(shè)計年份為1992年~1995年,梁和柱加密區(qū)箍筋配置、框架節(jié)點核芯區(qū)箍筋配置不能滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范中對抗震構(gòu)造措施的相關(guān)規(guī)定,采用加碳纖維布U型箍的方法加固;
原設(shè)計為單向框架,結(jié)構(gòu)體系不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求,而且在結(jié)構(gòu)驗算中也體現(xiàn)為部分與柱相連的縱向連系梁配筋不足或者超筋,層間位移角超過規(guī)范限值,將西北角和東北角四周的樓梯間填充墻體改為鋼筋混凝土剪力墻,以抵抗地震力,剪力墻分布區(qū)域見圖1所示。
3.3加固后計算結(jié)果
1)框架柱軸壓比
通過對原結(jié)構(gòu)軸壓比超限的柱采用加大截面方法加固后,柱軸壓比都控制在0.80以內(nèi),滿足規(guī)范關(guān)于軸壓比的限值。
2)層間位移
增設(shè)鋼筋混凝土剪力墻后,結(jié)構(gòu)平動為主的第一自振周期為0.8003s。在地震作用下,改變用途后的結(jié)構(gòu)X向?qū)娱g位移角最大值為1/734,滿足規(guī)范要求的1/550;Y向?qū)娱g位移角最大值為1/652,滿足規(guī)范要求的1/550。雖未達到規(guī)范關(guān)于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)1/800限值的要求,但由于是加固改造項目,已能符合使用要求。
3)梁、柱配筋
通過上述方案加固改造后,結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)梁、柱超筋現(xiàn)象。
由此可見,上述加固方案有效可行,加固效果良好。加固后的結(jié)構(gòu)能較好的完成預期的功能要求。
4結(jié)論
目前,本大樓經(jīng)過加固施工后作為通信機房已投入使用,運行狀態(tài)良好。從本工程實例可以看出,增設(shè)剪力墻對于框架結(jié)構(gòu)而言是一種有效的整體抗震加固的方式,能達到良好的經(jīng)濟效益,對同類型的改造加固工程具有一定的借鑒意義。