某既有廠房樓板加固設計探討

周恒芳

(泰國格樂大學, 曼谷 10220)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展,大量老舊廠房由于多種原因,現有建筑物的生產使用功能已不滿足實際需求,整體或局部建筑需要調整改造[1-5]。

相比重建廠房,大多數情況下對既有廠房進行改造加固設計是最優的途徑,既節約工期又節省造價。并且,相比新建建筑,對既有建筑進行改造加固設計能充分節約能源,減少對環境的污染,為我國碳達峰碳中和戰略目標的實現助力。

1 工程概況

本工程建成于2008年,位于河南省,為鋼筋混凝土框架結構的廠房,原為某食品廠家冬瓜醬生產車間,現被另一食品公司收購,需改造為食品公司的集中前處理車間。廠房建筑層數為地上1層,局部有1層地下室及地上1層夾層。廠房長度為120.96 m,寬度為25.16 m,中部設2道伸縮縫將建筑物分為左(①～⑥軸)、中(⑦～軸)、右(～軸)3個單體建筑。局部地下室(⑦～軸)地面標高為-4.700 m;首層地面標高①～⑥軸、～軸間為±0.000,⑥～軸間為1.300 m;局部地上一層夾層(⑩～軸)樓面標高為5.500 m,檐口高度為9.780 m;屋面處屋脊線標高為9.860 m;建筑面積為5 510.50 m2。框架填充墻采用灰砂磚砌筑,墻厚為240 mm,樓板采用現澆鋼筋混凝土樓板。

盡管均為生產車間,但生產線所需的生產設備不同,樓面活荷載有所增加。原生產車間活荷載標準值為10 kN/m2,現生產車間活荷載標準值為12 kN/m2;樓板除活荷載增加外,地面處要設置位置不確定的排水溝,樓面按抬高設計計算荷載,恒荷載從1.2 kN/m2(標準值,不包括樓板自重)加大為4 kN/m2(標準值,不包括樓板自重)。首層結構如圖1所示。

圖1 首層結構

2 樓板加固方案初步分析

原生產車間樓板經設計單位評估驗算,無法滿足新工藝的使用需求,需要進行加固設計。為了解該建筑物的安全性,甲方委托房屋安全鑒定公司對該建筑進行安全性鑒定,并出具房屋安全鑒定報告。經勘查及檢測,主體結構未見明顯外觀質量缺陷,與樓板相關的鑒定結果總結為:樓板截面尺寸復核滿足要求,樓板混凝土強度等級由C30降為C25,樓板內的受力鋼筋強度滿足原設計要求。

樓板的加固改造主要是由于樓面荷載增加,導致樓板承載力不滿足要求,以右單元左下角處1.300 m標高處局部樓板(板跨為2.65 m×3.0 m)為例進行分析研究。

原設計中,樓板板厚為120 mm,恒、活荷載標準值分別為1.2 kN/m2、10 kN/m2。使用PKPM軟件按彈性算法進行計算,板跨中及板支座計算面積分別為258 mm2、282 mm2(板混凝土強度等級為C30),板底實際配筋為雙向φ8@200(As=251 mm2),板支座實際配筋為雙向φ8@150(As=335 mm2)拉通設計,滿足計算要求。改造加固設計中,恒荷載調整為4.0 kN/m2,活荷載調整為12 kN/m2。因原設計樓板面層厚度較大、強度較強,施工存在面層破除困難的問題,出于安全考慮本工程計算中允許樓板周邊支座處產生裂縫,因此加固設計中板周邊支座的支承情況均按簡支支座考慮,原設計支座處配筋φ8@150雙向拉通,滿足要求。板跨中短向配筋計算面積為AS=356 mm2(板混凝土強度等級為C25),板底實際配筋φ8@200(As=251 mm2)不滿足計算要求,需進行加固設計。

武乾等[5]認為舊廠房改造加固要綜合考慮安全性、經濟性、時間性、可行性和適用性選擇最優加固方案;張亮泉等[6]認為加固設計應綜合考慮時間、人員、材料供應、地震現場情況等多重因素影響,對多個加固方案進行比較優選;袁浩[7]認為結構加固應滿足技術可行、效果可靠、經濟合理、施工簡便和確保質量的要求,并減少或防止結構或構件加固對周圍結構或構件產生不利影響;洪敏逸[8]基于經濟性、適用性、結構安全性,通過結構計算及施工技術分析,詳細比較截面加大加固法、外包鋼加固法、粘貼鋼板加固法、貼碳纖維加固法在不同構件加固使用中的優缺點。

本工程需要加固的樓板量大面廣,共有248塊樓板需要加固,而造價和工期這2點是甲方對本工程的主要要求。根據加固理論及已有加固工程經驗,增大截面加固法、增設支點加固法、外加預應力加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法均可用于本工程樓板的加固設計。板底增設鋼梁、粘貼碳纖維布加固法施工簡單、節約造價,施工對主體結構不造成破壞[9-11]。綜合比較分析,板底增設鋼梁加固法(即增設支點加固法)、粘貼碳纖維布加固法更具有優勢。

3 2種樓板加固方案分析比較

3.1 板底增設鋼梁加固法

在單塊樓板中間增設鋼梁,使單塊樓板變為2塊樓板(板跨為1.325 m×3.0 m),板底板頂計算配筋均為As=240 mm2,原有配筋滿足計算要求。

經計算,鋼梁選用熱軋H型鋼(Q235B),截面為HN200×100×5.5×8,具體做法大樣詳見圖2。

圖2 板底新增鋼梁做法大樣

3.2 板底粘貼纖維復合材料加固法

根據計算,板跨中最大彎矩設計值M=10.2 kN·m,板下部計算配筋面積為356 mm2,板下部實際配筋面積為251 mm2,原設計不滿足后期增加荷載的計算要求。

根據GB 50367-2013《混凝土結構加固設計規范》條文10.2.3,在板底粘貼碳纖維布加固時,正截面承載力按式(1)～式(3)確定。

(1)

(2)

(3)

將M=10.2 kN·m、As 0=251 mm2代入式(1),計算得出x=8.5 mm;將x=8.5 mm(x<ξb,fh)代入式(3),求得ψf=3.4(ψf>1.0),取ψf=1.0;應用公式(2),計算得出碳纖維布的有效截面面積Afe=11.24 mm2。

根據GB 50367—2013《混凝土結構加固設計規范》條文10.2.4,實際應粘貼的纖維復合材截面面積Af應按下式計算:

Af=Afe/km

本工程中,粘貼的碳纖維布僅1層,不考慮碳纖維布厚度折減,km=1.0,Afe=11.24 mm2。碳纖維布厚度為0.167 mm,計算得出每1 m板寬所需碳纖維布寬度為67 mm。綜合考慮現場部分樓板的耐久性有所降低及后期使用的安全性,最終板底加固的碳纖維布寬度采用150 mm,間距600 mm,均為單層碳纖維布。

3.3 樓板加固2種方法對比分析

板底新增鋼梁使用的施工機械有電焊機、鉆孔機、電錘、膠槍、氣割設備及塔車,板底粘貼碳纖維布使用的施工機械有吹風機、裁剪刀、角磨機、滾筒刷及塔車。單塊樓板加固施工工程量及成本詳見表1。

表1 單塊樓板2種加固方法對照

單塊樓板2種加固方法經對比分析,可以得出結論:

(1)板底新增鋼梁比板底粘貼碳纖維布所需施工材料種類、施工機械多。

(2)板底新增鋼梁所需工時數為6個工時,是板底粘貼碳纖維布所需工時數(4個工時)的1.5倍,因此板底粘貼碳纖維布加固法在節約人工、縮短工期上有優勢。

(3)板底新增鋼梁總成本為807.74元,比板底粘貼碳纖維布總成本896.75元要經濟,為板底粘貼碳纖維布總成本的90%,因此板底新增鋼梁加固法在節約造價上有優勢。

3.4 確定樓板加固方案及實施

本項目最主要的特點是工期緊、造價要求高。本工程計劃工期為35天,現場施工工人15人。除樓板加固外,本工程的加固分項工程有新增剪力墻、梁粘碳纖維布及粘鋼、梁增大截面、梁增加底筋。本項目需要加固的樓板范圍較廣量較大,共有248塊需加固的樓板。綜合考慮時間性及經濟性,選擇板底新增鋼梁加固法、板底粘貼碳纖維布加固法混合施工是最優加固方案。

結合甲方對工期及造價的具體要求,兼顧考慮其余加固分項的工期、造價,最終確定采用板底新增鋼梁加固法的樓板108塊,采用板底粘貼碳纖維布加固法的樓板140塊。具體計算分析詳見表2。

表2 樓板單一加固方法與混合加固方法對比分析

本工程需根據工程實際情況合理安排施工工序,在施工中采用各加固分項工程交叉施工的方法。現場板底粘貼碳纖維布施工及整體新增鋼梁施工分別如圖3、圖4所示。

圖3 板底粘貼碳纖維布

圖4 板底新增鋼梁

4 結論

本工程工期緊、造價要求高,樓板的加固設計采用了增設鋼梁、粘貼碳纖維布混合加固法,不局限于單一加固方法。本工程現已圓滿完工,工期及造價均滿足業主要求。

通過本工程得出結論:

(1)加固項目工期、成本要求較高時,樓板加固采用增設鋼梁、粘貼碳纖維布混合加固法比采用單一加固法更具優勢,可以綜合考慮經濟性、時間性、可行性和適用性。

(2)本工程需加固樓板共248塊,采用混合加固法比增設鋼梁單一加固法共節約280個工時,減少工時比例為18.8%。

(3)采用混合加固法比粘貼碳纖維布單一加固法共節約成本9 613元,減少成本比例為4.3%。

類似工程可以根據甲方對工期、成本的具體要求,經過對比分析計算出混合加固法中各類加固方法樓板的具體數量,使工期、成本均滿足要求。