福州市某辦公樓結構加固機理及施工方法研究

鄭 旭 王 喆

(1.福建警察學院，福建 福州 350000; 2.福建船政交通職業學院，福建 福州 350000)

1 工程概況

福州市某辦公樓因會議室改造，需要對原有二層樓板處兩側樓梯處一開洞位置(空洞尺寸為7.5 m×5.4 m)進行補板，同時對其周圍構件進行加固。該樓建于2001年，為地上5層框架結構，基礎形式為樁基礎，房屋現狀及局部平面布置圖如圖1，圖2所示。

2 現場檢測

為了充分了解本工程主體結構工作現狀，需要檢查原開洞樓板周邊4個柱構件和10個梁構件的混凝土抗壓強度、截面尺寸及鋼筋配置情況。本工程的現場結構檢測工作由福建省建筑工程質量檢測中心有限公司完成，檢測結果(如表1，表2所示)顯示：本工程原開洞樓板周邊構件的混凝土抗壓強度、截面尺寸及鋼筋配置情況均滿足現行規范的設計要求[1-3]。根據《建筑結構荷載規范》[4]，對補板處進行結構計算，可知補板處增加的恒荷載約為100 kN，增加的活荷載約為80 kN。考慮混凝土樓板的導荷載方式，樓板將荷載傳遞給次梁，次梁將樓板荷載傳遞給主梁，算得原有主梁的承載力低于現有設計值的85%，被評為D級構件[2]，需要對其加固。由于本工程僅需要對局部開洞位置的補板，荷載增加不顯著，經過中國建筑科學研究院結構電算軟件PKPM2010版本的計算，原有結構的樁基礎和柱構件的安全系數達到2.0，承載能力有一定富余，不需要進行額外的加固。

表1 混凝土構件強度推定結果匯總表

表2 柱、梁截面最大誤差尺寸及箍筋加密區最大誤差

3 加固方法的選取

在加固技術上，粘鋼法加固針對結構薄弱處加固且針對性強，對于梁端負彎矩處和梁中正彎矩處均能很好的加固；碳纖維布針對性較弱，設計上偏于計算不夠明確時采用。粘鋼法直接增加結構抗力的有效抵抗面積，碳纖維布加固屬于直接增加承載力。粘鋼法采用鋼板與梁有效粘結，鋼板的抗拉屬于各向同性；碳纖維布采用兩層碳纖維布加固，平行碳纖維布方向抗力較強，垂直碳纖維布方向抗力較弱。根據GB 50367—2013混凝土結構加固設計規范[5]公式9.2.3-1，10.2.3-1和10.2.3-2，粘鋼法加固部分扁鋼粘在梁底直接提供抗彎承載力且力臂較大；而碳纖維布加固部分與受壓區混凝土達到拉壓受力平衡后提供抗彎承載力，由于加固后混凝土梁界限受壓高度為加固前的85%且力臂較短，因此抗彎承載力提供小于粘鋼法。綜上所述，粘鋼法加固效果總體上優于碳纖維布。

考慮到補板的長邊凈跨7.5 m，短邊凈跨5.4 m，為了分擔板面荷載傳遞到周邊4根主梁，故補板處增設兩根次梁(見圖3)。增設兩根次梁后分割的板面長短邊比大于3，按單向板考慮板的傳導荷載，荷載傳導到補板周邊的主梁(9)-(E-F)和主梁(10)-(E-F)上，同時在結構計算中假定主梁作為次梁的支座，新增的兩根次梁以集中力和端部受彎的形式將荷載傳導至主梁(9-10)-(E)和主梁(9-10)-(F)上，因此這4根梁屬于主要薄弱構件。天井處井字梁屬于弱向支撐，其端部荷載(剪力和彎矩)傳至主梁(9)-(D-E)和主梁(10)-(D-E)軸上，因此這2根主梁屬于薄弱構件。井字梁計算時采用互為支座概念，其端部的彎矩剪力相比于固定支座數值低，因此其端部彎矩和剪力相對于6根主梁增加的少。根據《混凝土結構設計規范》[1]《混凝土結構加固設計規范》[5]計算結果，最后主梁6根應采用粘鋼法加固，井字梁采用碳纖維布加固(見圖4)。經計算，6根主梁提高承載到原承載力的1.5倍左右，井字梁提高到原承載力的1.2倍。

4 兩種加固方法的造價比較

該項目經有資質的第三方造價咨詢公司依據《建設工程工程量清單計價規范》[6]核算，粘鋼法加固直接工程費達到3.39萬元，碳纖維布法加固直接工程費不超過1.0萬元。從經濟上看，粘鋼法較碳纖維布法成本更高，具體項目特征描述和單價見表3。由表3可知：粘鋼法加固工序較碳纖維布步驟更多，施工工藝更為復雜。

表3 粘鋼法和碳纖維布加固法直接工程費結果匯總表

5 兩種加固方法施工工序工藝的比較

粘鋼法(如圖5所示)需要對齡期較長的構件表面進行打磨，用吹風吸塵的方法除去粉粒，同時用鋼絲刷除去表面顆粒，對于構件表面凹凸不平的，還需要用石頭膠補平后施工。同時對于鋼板表面需要進行除銹和粗糙處理，用打磨工具打磨直至出現金屬光澤，粘鋼膠按照比例1∶ 2將A膠和B膠調和均勻后進行施工，壓緊鋼板與加固構件的表面，最后用水泥砂漿進行密封保護鋼板和U字型箍(見圖6)，容易在施工后產生陰陽臉(抹面不均勻的情況)影響外觀，整個施工工序需要7 d左右。

碳纖維布(如圖7所示)施工時需要鏟除抹灰層，用砂輪機打磨混凝土表面后用壓縮空氣將表面吹灰，特別在轉角處粘貼碳纖維布時應注意倒角處理，碳纖維布膠按照1∶ 1比例將A膠和B膠調和均勻后進行施工，用特制的滾筒沿纖維受力方向在貼好的碳纖維布上多次滾壓施工后由于碳纖維布厚度較薄，抹灰找平后相對較為美觀不影響外觀，整個施工工序需要3 d左右。從施工時間上看，粘鋼法施工工序多，花費時間較長。碳纖維布加固法相對施工工序少，花費時間較短。

6 結語

通過對福州市某辦公樓加固機理及施工全過程的分析，得出結論如下：

1)加固效果上看，粘鋼法加固的效果優于碳纖維布加固的效果，且更針對于結構薄弱處進行加固，建議對于梁、柱等主要豎向傳力構件采用粘鋼法加固，對于板次要受力構件可以采用碳纖維布加固方法。

2)從施工造價上看，粘鋼法加固的代價較碳纖維布造價高。

3)施工時間上，粘鋼法加固由于工序較多，花費時間較長。碳纖維布加固工序相對少，花費時間相對較短。

4)從建筑構件外形上看，粘鋼法加固由于自身鋼板厚度較大，且需要粉刷水泥砂漿保護鋼板不受銹蝕，容易造成外觀上看有鼓出(陰陽臉)的情況。碳纖維布相對厚度較薄，粉刷后外形較美觀。

5)施工方法上看，碳纖維布加固施工工藝較為簡單。而粘鋼法加固時需要附加壓條壓入、化學錨栓打入孔洞等，施工工藝較為復雜。且孔洞需要吹灰等工序，施工上對于施工條件要求更高。