南京市某教育建筑的框架柱加固方法探究

王懌凡 賈慧娟 徐千雅 闞揚

摘要：針對目前社會上普遍存在的教育建筑老化問題，作了有關柱加固的調研，選取實際工程案例進行建模與加固前后分析對比，提出柱的加固改造方法。改造后的建筑承載力變大，軸壓比變小，有效提高了教育建筑結構的可靠性，延長了其使用壽命。

關鍵詞：教育建筑； 加固改造； 框架柱

中圖分類號：TU746.3文獻標志碼：A

0引言

日前，隨著國家對教育重視程度的加深，校園內的基礎教育建筑也得到了高速發展，但近年來，許多學校的教學建筑隨著建校時間越來越久而產生了老化，建設標準低，規范相對滯后等問題。同時，因教育建筑所特有的地理位置和建筑性質，若對現有構造進行重新構建會嚴重影響其正常的使用周期，且對于輕微損壞構建也沒有必要。所以在允許的范圍內，對這些結構進行加固和改造，使其強度和剛度滿足規范要求，既可以保證結構的安全性和正常使用，又可以節約資源。故教育建筑的加固改造與優化就顯得尤為重要。柱作為重要的稱重體系，隨著時間推移以及周圍環境的影響，其結構的安全性與耐久性可能會收到威脅，須要進行加固才能繼續維持結構壽命。國內已有諸多學者對此展開了研究，如李京玲［1］等研究鋼—混凝土組合結構在結構柱中的加固，有效提高了結構的承載力；歐陽偉波［2］關于鋼筋混凝土柱加固技術研究現狀和發展趨勢的分析，介紹了一些提高延性的新型加固方法；賀康［3］等對大跨度預應力結構柱混凝土置換加固技術的研究，針對受壓桿件提出了高效的加固處理。趙昱璐［4］對鋼結構中梁柱節點的加固方法進行了總結。劉延峰［5］針對不同結構的不同特性，提出不同的加固改造方案。本文擬通過實際的工程案例分析，對現有的柱加固方式進行分析比較，以得出更為經濟有效的加固方式。

1柱的加固方法及施工工藝

目前柱的主要加固方法有增大截面加固法、外粘型鋼加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼碳纖維復合材料加固法。

1.1增大截面加固法

增大截面加固法，是以鋼筋混凝土套包裹原結構構件來增大原構件截面面積及配筋面積，來提升承載能力。其優勢是能夠同時增大構件的剛度、承載能力和變形能力，改變其自振頻率，使其正常使用階段的性能得到提高，對柱的穩定性改善明顯，質量好，可靠性強，安全性比較高。其缺陷是濕工作量大、養護期長、占用建筑空間較多且施工工藝較為復雜，需要支模、振搗、澆筑、養護等一系列混凝土施工相關程序，增加了施工的可變性（圖1）。

1.2外粘型鋼加固法

外粘型鋼加固法是在鋼筋混凝土柱周圍包以型鋼的一種加固方式，適用于需要大幅度提高承載力、增大延性和剛度的混凝土柱。外粘型鋼加固法施工方便、現場的工作量少、減小了施工工期，一般情況下構件被加固后短時間便可以進行使用，特別適用于應急的加固工程加固，但后期的維修費用較高，對使用環境的溫度有限制且所用材料多，經濟效益相對不好（圖2）。

1.3粘貼鋼板法

粘貼鋼板加固法，是用膠黏劑把薄鋼板粘貼在被加固混凝土構件表面，薄鋼板成為新加部分與原混凝土部分協同工作，提高混凝土構件性能的方法。其優點為施工工期短、加固后幾乎不改變構件外形和使用空間；缺點是對使用環境的溫度有限制，對弧形構件表面的粘貼不易吻合；且鋼板較薄，需做防銹處理。另外，加固效果在很大程度上取決于膠粘工藝與操作水平，故對施工隊伍素質要求比較高（圖3）。

1.4粘貼碳纖維復合材料加固法

粘貼碳纖維復合材料加固柱，是利用碳纖維的拉應力，對混凝土柱進行約束，從而使混凝土柱三方受壓，提高承載力和壓縮能力。其優點有加固施工工藝流程簡單，工期短、效率高，相對其他加固材料碳纖維復合材料本身重量輕，加固施工后幾乎不改變原先結構的尺寸也不增加原結構自重。其缺點有碳纖維的抗拉彈性模量相對其強度過低，結構的適用荷載內無法充分利用碳纖維的強度，價格相對較高，對于一些特殊情況無法適用（圖4）。

2結構加固對比研究

2.1工程案例

本工程是位于南京市某小學的教學樓，其建筑層數四層，主體結構為磚混結構如圖5所示，平面呈長方形布置，總長度32.0 m，總寬度為8.48 m，教室區域主梁跨度為6.2 m，開間為4.0 m，總建筑面積為1 186 m2。該工程始建于20世紀70年代末，建造時間較長，但仍處于正常使用狀態，經相關人員鑒定，該工程上部承重結構布置基本合理，墻體不空鼓、無嚴重酥堿和明顯歪閃現象，支撐大梁的墻體無豎向裂縫，承重墻、自承重墻及其交接處無明顯裂縫結構選型及傳力路線正確，符合現行規范要求。經計算發現部分墻體承載力不足，外墻四角，錯層部位橫墻與外縱墻交接處，較大洞口兩側，大房間內外墻交接處，樓梯間四角缺乏構造柱，因此對該工程進行框架柱加固是必要的。

2.2選用的加固方式

選用新增柱法與粘貼鋼板加固法進行加固。這兩種方法均是較為傳統的加固方法，施工技術嫻熟，施工過程簡潔明了，施工工藝簡單，適應性強。而經濟性方面，這兩種方法所用建材原材料普遍，生產成本低，效益高，適用于教育建筑加固施工，故有很強的實際操作性。

2.3模擬計算

本文采用有限元軟件對該工程進行模擬計算。先按照圖紙建立五層框架結構的三維模型（圖6），其次，在每層隨機選擇五根柱子1到5號用鋼板加固法進行加固，再在如圖7所示位置添加新的框架柱，最后對比分析加固前后的加固效果。

2.4結果分析

2.4.1承載力分析

該工程加固框架柱，觀測單一柱構件數據變化并不明顯，因此選擇分析整個樓層加固前后數據進行分析。本文以建筑底層數據為例，加固前底層X向樓層抗剪承載力為8.675 8×103 kN，Y向樓層抗剪承載力1.0132×104 kN，X向樓層最大位移為0.77 mm，Y向樓層最大位移0.58 mm；加固改造后底層X向樓層抗剪承載力為8.7406×103 kN，Y向樓層抗剪承載力為1.0190×104 kN，X向樓層最大位移為0.79 mm，Y向樓層最大位移0.6 mm，滿足規范不大于3600/550=6.5 mm要求。

從X向樓層抗剪承載力來看，加固前后變化不大；從Y向樓層抗剪承載力來看，加固后樓層承載力明顯增大。樓層抗側力結構的層間受剪承載力不小于其相鄰上一層受剪承載力的80%，滿足規范要求。表1為樓層承載力分析表。

2.4.2軸壓比分析

以第一層為例，隨機選取五根框架柱，對其軸壓比進行加固前后對比分析，由表2可知為1-4號框架柱的軸壓比在加固后均有不同程度的降低，5號框架柱的軸壓比在加固前后變化較小。軸壓比作為剪力墻抗震設計中的關鍵參數，反應了柱的受壓情況，是衡量加固效果的重要標準。該建筑在經過改造加固后，抗震能力得到有效提升，根據GB 50010樓層最大位移0.58 mm0.6 mm-2010（2015年版）《混凝土結構設計規范》中對框架結構的柱軸壓比限值要求，該建筑在加固后達到一級抗震水平。

3工程經濟分析

表3是對柱的兩種不同加固方式在材料費用上的統計，新增柱法不僅需要大量混凝土和鋼筋也對施工人員、施工技術有一定的考驗，新增鋼筋混凝土柱需現場澆筑，大量濕作業在改造中不方便施工，工期較長，耗費的人力物力較多，粘貼鋼板法不僅在材料上相對簡單，且鋼板具有良好的延性幾乎不改變原結構的荷載和截面尺寸，在施工技術上也相對成熟，現場制作方便簡單，人工成本較低，工期相對較短。對于鋼筋混凝土框架結構中柱的加固處理，本方案具有較高可行性，解決了此類建筑結構老化問題，延長了其使用壽命，提高了教育建筑的安全度，在經濟上也樂觀可行。

4總結

針對既有的教育建筑實際工程進行了兩種加固方式的分析對比，現得出以下結論：

（1）從承載力角度來看，與加固之前相比較，新增柱法加固效果直接明顯，該建筑承載力的提高以及軸壓比的減小表明新增柱法和鋼板加固法均在一定程度上對結構起到了有效的加固作用。

（2）從經濟角度來看，對比粘貼鋼板法，新增柱法消耗的人力物力較多，費用較高。

（3）從施工周期來看，由于該建筑為教育建筑，施工周期內無法滿足教室的正常使用，而粘貼鋼板法既能起到一定加固效果，且工期較短。若預算充足且施工時間充裕，則可選擇新增柱法，若預算或施工時間有限，則可選擇粘貼鋼板法。

參考文獻

［1］李京玲，宋偉.鋼-混凝土組合結構在結構柱加固中的應用研究［J］.山西建筑，2011，37（27）：42-44.

［2］歐陽偉波. 鋼筋混凝土柱加固技術研究現狀和發展趨勢［J］. 城市建筑， 2015（20）：2.

［3］賀康，鄧志健.大跨度預應力結構柱混凝土置換加固技術方案與應用［J］.建筑結構，2021，51（S1）：1700-1703.

［4］趙昱璐，劉紅波. 鋼結構梁柱節點加固方法研究進展［C］//.第二十二屆全國現代結構工程學術研討會論文集.2022：178-181.

［5］劉延峰.混凝土結構、砌體結構、鋼結構加固設計［J］.四川建材，2011，37（1）：57-58+60.

［作者簡介］王懌凡（2002—），男，在讀本科，研究方向為土木工程；賈慧娟（1985—），女，博士，講師，研究方向為結構工程；徐千雅（2002—），女，在讀本科，研究方向為土木工程；闞揚（2002—），男，在讀本科，研究方向為土木工程。