多種加固方法在工業(yè)建筑改造中的綜合應(yīng)用

王 強(qiáng)

0 引言

隨著國家大力推進(jìn)鋼鐵行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，鋼鐵企業(yè)淘汰落后產(chǎn)能、節(jié)能減排的技改工程逐步增多，工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)的改造工程也越來越多。如何選擇合適的加固方法對舊有工業(yè)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，節(jié)約工程投資，縮短建設(shè)周期，減少施工對正常生產(chǎn)的影響，為用戶帶來最大的經(jīng)濟(jì)效益是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員面臨的新問題。本文以工程實(shí)例對工業(yè)建筑改造的加固方法綜合應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 工程概況

本工程為某鋼鐵廠原料場工程轉(zhuǎn)運(yùn)站的改造，轉(zhuǎn)運(yùn)站設(shè)計(jì)完成于2003年。建筑平面較為規(guī)則，長為26.3 m，寬為9.0 m，地上6 層，高25.95 m，總建筑面積約 727.7 m2。

轉(zhuǎn)運(yùn)站為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，基礎(chǔ)采用樁基，基礎(chǔ)埋深為2.100 m，梁柱混凝土強(qiáng)度等級為C30(局部樓層為C35)，樁采用直徑800的鉆孔灌注樁，樁長45 m，樁基持力層為③8層粉細(xì)砂層。

2 改造的主要內(nèi)容

1)轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)新增一臺(tái)振動(dòng)篩，由于舊有轉(zhuǎn)運(yùn)站的空間有限，無法滿足新設(shè)備的布置，故在舊有框架⑥軸線外側(cè)擴(kuò)建一個(gè)柱距，柱距為4.500 m;2)拆除轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)現(xiàn)有F104膠帶機(jī)的重錘拉緊裝置平臺(tái)，增設(shè)振動(dòng)篩平臺(tái)(見圖1);3)對原轉(zhuǎn)運(yùn)站內(nèi)篩上漏斗進(jìn)行改造，改造后的篩上漏斗與原有的框架梁干涉，需拆除此處的框架梁;4)增設(shè)振動(dòng)篩的檢修單軌吊和屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

3 改造中存在的問題

通過與生產(chǎn)廠相關(guān)人員的交流和施工現(xiàn)場結(jié)合，本工程改造存在以下問題:

1)在舊有框架⑥軸線外側(cè)擴(kuò)建一個(gè)4.500 m的柱距，建設(shè)場地上方為現(xiàn)有的F104膠帶機(jī)，樁基施工有一定困難;2)拆除F104膠帶機(jī)的重錘拉緊裝置平臺(tái)，改造篩上漏斗，此兩處涉及原有框架梁的拆除，框架柱的計(jì)算長度增加;3)增設(shè)振動(dòng)篩平臺(tái)和振動(dòng)篩的檢修單軌吊，增加了原有框架柱的荷載，須對原有結(jié)構(gòu)仔細(xì)核算;4)業(yè)主要求設(shè)備的停機(jī)、與新系統(tǒng)的切換只能利用工廠定修時(shí)間進(jìn)行，故施工周期比較短。

圖1 轉(zhuǎn)運(yùn)站改造平面布置圖

4 加固方法的選擇及運(yùn)用

目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有增大截面加固、外包型鋼加固、粘貼纖維復(fù)合材料加固、粘貼鋼板加固、置換混凝土加固、改變結(jié)構(gòu)傳力途徑等方法。針對轉(zhuǎn)運(yùn)站改造中存在的上述問題，經(jīng)過仔細(xì)的研究和分析，認(rèn)為:唯有多種加固方法綜合應(yīng)用，使結(jié)構(gòu)改造分步實(shí)施才能有效的解決改造中最為突出的施工時(shí)間短的問題。

采用增大截面加固法、置換混凝土法進(jìn)行加固，施工工藝雖比較簡單成熟，但現(xiàn)場的濕作業(yè)工作量大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長，對生產(chǎn)有一定影響，故不適合本工程。采用粘貼纖維復(fù)合材料加固法進(jìn)行加固，該法雖然施工周期較短，但須由專業(yè)的施工人員施工，并且纖維復(fù)合材料不能直接暴露于陽光中，其表面應(yīng)進(jìn)行專門的防護(hù)，也不適合本工程。經(jīng)比較采用外包型鋼加固法和改變結(jié)構(gòu)傳力途徑法的聯(lián)合運(yùn)用是最好的選擇。原因如下:1)外包型鋼加固法是通過在鋼筋混凝土梁、柱四周包以型鋼來提高構(gòu)件的承載能力，具有施工簡便，施工工期短的特點(diǎn);2)采用改變結(jié)構(gòu)傳力途徑法，盡量用新增的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承擔(dān)主要的荷載，減少加固構(gòu)件的數(shù)量;3)在拆除舊有框架梁之處的附近新增框架梁，通過改變結(jié)構(gòu)傳力途徑，給原有框架柱提供側(cè)向支撐，解決因?yàn)榭蚣芰旱牟鸪斐煽蚣苤?jì)算長度增大，內(nèi)力增加的問題。

故本工程采用了以下結(jié)構(gòu)措施:1)樁型選用φ800的鉆孔灌注樁，擴(kuò)建的場地上方有12.0 m高的空間，能夠滿足施工機(jī)具施工的空間;2)拆除標(biāo)高17.470 m平臺(tái)，在標(biāo)高15.470 m處新增振動(dòng)篩平臺(tái);拆除標(biāo)高21.970 m處與篩上漏斗干涉的框架梁，在其上方標(biāo)高22.870 m處增設(shè)新的框架梁，在上述兩處給原有框架柱提供側(cè)向支撐;3)屋面的檢修單軌吊和振動(dòng)篩均由新增的框架梁、柱承擔(dān)主要的荷載，部分直接由新增框架梁傳遞給原有框架柱;4)構(gòu)件加固采用外包型鋼加固法，給結(jié)構(gòu)改造分步實(shí)施提供可能。

5 結(jié)構(gòu)分析

5.1 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)本工程的實(shí)際要求并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列軟件(2008年版)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算分析。抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，建筑場地類別為Ⅲ類場地，框架抗震等級:三級。基本風(fēng)壓:0.40 kN/m2，地面粗糙度類別為B 類;基本雪壓:0.65 kN/m2，其余荷載取值按工藝資料。

5.2 計(jì)算結(jié)果

1)結(jié)構(gòu)自振周期及振型。采用satwe整體分析，結(jié)構(gòu)自振周期 T1=1.2767 s，T2=1.0158 s，T3=0.8226 s。第一、二振型為平動(dòng)，第三振型為扭轉(zhuǎn)。最大扭轉(zhuǎn)周期與最大平動(dòng)周期之比為0.64，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2)結(jié)構(gòu)位移。在X方向地震力作用下的樓層最大位移角為1/1091，在Y方向地震力作用下的樓層最大位移角為1/1097，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，原有框架柱的軸壓比及配筋均能滿足要求，僅部分框架梁和樓面梁的抗彎承載力不足。由此可說明，另新增的框架梁能給原有框架柱提供足夠的側(cè)向支撐，減少由于部分框架梁拆除對框架柱的影響。用新增的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承擔(dān)主要的荷載后，需要加固的梁數(shù)量不多。通過采用改變結(jié)構(gòu)傳力途徑的方法進(jìn)行加固發(fā)揮了較大的作用，可分步實(shí)施，對生產(chǎn)影響最小。

6 加固節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

6.1 框架梁、樓面梁的加固

根據(jù)SATWE計(jì)算結(jié)果對抗彎承載力不足的框架梁、樓面梁采用外包型鋼法進(jìn)行加固，外包型鋼加固后，用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行灌注。為了保證力的可靠傳遞，加固鋼筋混凝土梁的型鋼通長設(shè)置，并設(shè)置鋼板箍或螺桿箍(見圖2，圖3)，既提高了鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪承載力，又對加固型鋼起到了附加錨固的作用。為了保證加固效果，本工程灌漿膠采用A類膠。加固完成后，在外包型鋼的表面抹25 mm厚水泥砂漿作為防護(hù)層。

圖2 框架梁的加固詳圖一

圖3 框架梁的加固詳圖二

6.2 框架梁、柱節(jié)點(diǎn)連接

加固結(jié)構(gòu)新舊兩部分整體工作的關(guān)鍵，主要在于結(jié)合面能否有效地傳遞和承擔(dān)剪力和拉力。在框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)外包封閉的鋼板箍，并設(shè)置化學(xué)螺栓，利用化學(xué)螺栓所產(chǎn)生的被動(dòng)剪切—摩擦力來抵抗結(jié)合面處出現(xiàn)的剪力和拉力(見圖4)。框架柱外包鋼板箍加固后，用改性環(huán)氧樹脂膠粘劑進(jìn)行灌注，對框架梁兩端型鋼與框架柱上的鋼板箍焊接。為更好的傳遞框架梁端的負(fù)彎矩，在梁端上表面焊有負(fù)彎矩加固鋼板帶與框架柱上的鋼板箍連接。

圖4 框架梁、柱的連接示意圖

6.3 植筋技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.2.3條，植筋的基本錨固深度ls可按下式確定:

式中考慮混凝土劈裂影響的計(jì)算系數(shù)αspt主要與植筋直徑、混凝土保護(hù)層厚度及箍筋設(shè)置情況有關(guān)，粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fbd主要與基層混凝土的等級、植筋間距和邊距有關(guān)。由《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》表12.2.3及12.2.4 可以看出，植筋的直徑越小，考慮混凝土劈裂影響的計(jì)算系數(shù)就越小，從而基本錨固深度越小;植筋的間距和邊距越大，膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值就越大，從而基本錨固深度越小。為了保證植筋的施工質(zhì)量，本工程采用A級植筋膠，植筋選用直徑小于20 mm的帶肋鋼筋，配筋設(shè)計(jì)上選用植筋數(shù)量少，間距大的方案。

7 結(jié)語

工業(yè)建筑的設(shè)計(jì)涉及專業(yè)比較多，設(shè)備比較多，空間關(guān)系比較復(fù)雜，結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)較之普通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更復(fù)雜也更有難度。通過本工程的設(shè)計(jì)可得到如下結(jié)論:

1)工業(yè)建筑的結(jié)構(gòu)加固改造須密切與工廠生產(chǎn)、施工現(xiàn)場相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際情況選用合適的加固方法;

2)通過改變結(jié)構(gòu)傳力途徑，可以有效的減少加固過程中局部構(gòu)件拆除和新增載荷對原有結(jié)構(gòu)的影響;

3)唯有多種加固方法相結(jié)合，才能找到對工廠生產(chǎn)的影響最小、給用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益的最佳結(jié)合點(diǎn)。

[1]GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB 50011-2001，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2008年版)[S].

[3]06SG311-1，混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造[S].

[4]卜良桃，周 靖，葉 蓁.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范算例[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[5]卜良桃.建筑結(jié)構(gòu)加固工程設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量驗(yàn)收手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.