多种加固方法在工业建筑改造中的综合应用

王 强

0 引言

随着国家大力推进钢铁行业结构调整和产业转型，钢铁企业淘汰落后产能、节能减排的技改工程逐步增多，工业建筑结构的改造工程也越来越多。如何选择合适的加固方法对旧有工业建筑结构进行改造，节约工程投资，缩短建设周期，减少施工对正常生产的影响，为用户带来最大的经济效益是结构设计人员面临的新问题。本文以工程实例对工业建筑改造的加固方法综合应用进行探讨。

1 工程概况

本工程为某钢铁厂原料场工程转运站的改造，转运站设计完成于2003年。建筑平面较为规则，长为26.3 m，宽为9.0 m，地上6 层，高25.95 m，总建筑面积约 727.7 m2。

转运站为钢筋混凝土框架结构，结构安全等级为二级，基础采用桩基，基础埋深为2.100 m，梁柱混凝土强度等级为C30(局部楼层为C35)，桩采用直径800的钻孔灌注桩，桩长45 m，桩基持力层为③8层粉细砂层。

2 改造的主要内容

1)转运站内新增一台振动筛，由于旧有转运站的空间有限，无法满足新设备的布置，故在旧有框架⑥轴线外侧扩建一个柱距，柱距为4.500 m;2)拆除转运站内现有F104胶带机的重锤拉紧装置平台，增设振动筛平台(见图1);3)对原转运站内筛上漏斗进行改造，改造后的筛上漏斗与原有的框架梁干涉，需拆除此处的框架梁;4)增设振动筛的检修单轨吊和屋面围护结构。

3 改造中存在的问题

通过与生产厂相关人员的交流和施工现场结合，本工程改造存在以下问题:

1)在旧有框架⑥轴线外侧扩建一个4.500 m的柱距，建设场地上方为现有的F104胶带机，桩基施工有一定困难;2)拆除F104胶带机的重锤拉紧装置平台，改造筛上漏斗，此两处涉及原有框架梁的拆除，框架柱的计算长度增加;3)增设振动筛平台和振动筛的检修单轨吊，增加了原有框架柱的荷载，须对原有结构仔细核算;4)业主要求设备的停机、与新系统的切换只能利用工厂定修时间进行，故施工周期比较短。

图1 转运站改造平面布置图

4 加固方法的选择及运用

目前钢筋混凝土结构常用的加固方法有增大截面加固、外包型钢加固、粘贴纤维复合材料加固、粘贴钢板加固、置换混凝土加固、改变结构传力途径等方法。针对转运站改造中存在的上述问题，经过仔细的研究和分析，认为:唯有多种加固方法综合应用，使结构改造分步实施才能有效的解决改造中最为突出的施工时间短的问题。

采用增大截面加固法、置换混凝土法进行加固，施工工艺虽比较简单成熟，但现场的湿作业工作量大，养护时间较长，对生产有一定影响，故不适合本工程。采用粘贴纤维复合材料加固法进行加固，该法虽然施工周期较短，但须由专业的施工人员施工，并且纤维复合材料不能直接暴露于阳光中，其表面应进行专门的防护，也不适合本工程。经比较采用外包型钢加固法和改变结构传力途径法的联合运用是最好的选择。原因如下:1)外包型钢加固法是通过在钢筋混凝土梁、柱四周包以型钢来提高构件的承载能力，具有施工简便，施工工期短的特点;2)采用改变结构传力途径法，尽量用新增的结构构件承担主要的荷载，减少加固构件的数量;3)在拆除旧有框架梁之处的附近新增框架梁，通过改变结构传力途径，给原有框架柱提供侧向支撑，解决因为框架梁的拆除造成框架柱计算长度增大，内力增加的问题。

故本工程采用了以下结构措施:1)桩型选用φ800的钻孔灌注桩，扩建的场地上方有12.0 m高的空间，能够满足施工机具施工的空间;2)拆除标高17.470 m平台，在标高15.470 m处新增振动筛平台;拆除标高21.970 m处与筛上漏斗干涉的框架梁，在其上方标高22.870 m处增设新的框架梁，在上述两处给原有框架柱提供侧向支撑;3)屋面的检修单轨吊和振动筛均由新增的框架梁、柱承担主要的荷载，部分直接由新增框架梁传递给原有框架柱;4)构件加固采用外包型钢加固法，给结构改造分步实施提供可能。

5 结构分析

5.1 计算参数

根据本工程的实际要求并结合现场实际情况，采用中国建筑科学研究院PKPM系列软件(2008年版)进行内力计算分析。抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.10g，建筑场地类别为Ⅲ类场地，框架抗震等级:三级。基本风压:0.40 kN/m2，地面粗糙度类别为B 类;基本雪压:0.65 kN/m2，其余荷载取值按工艺资料。

5.2 计算结果

1)结构自振周期及振型。采用satwe整体分析，结构自振周期 T1=1.2767 s，T2=1.0158 s，T3=0.8226 s。第一、二振型为平动，第三振型为扭转。最大扭转周期与最大平动周期之比为0.64，满足现行规范要求。

2)结构位移。在X方向地震力作用下的楼层最大位移角为1/1091，在Y方向地震力作用下的楼层最大位移角为1/1097，满足现行规范要求。

3)结构构件的配筋验算。计算结果表明，原有框架柱的轴压比及配筋均能满足要求，仅部分框架梁和楼面梁的抗弯承载力不足。由此可说明，另新增的框架梁能给原有框架柱提供足够的侧向支撑，减少由于部分框架梁拆除对框架柱的影响。用新增的结构构件承担主要的荷载后，需要加固的梁数量不多。通过采用改变结构传力途径的方法进行加固发挥了较大的作用，可分步实施，对生产影响最小。

6 加固节点构造

6.1 框架梁、楼面梁的加固

根据SATWE计算结果对抗弯承载力不足的框架梁、楼面梁采用外包型钢法进行加固，外包型钢加固后，用改性环氧树脂胶粘剂进行灌注。为了保证力的可靠传递，加固钢筋混凝土梁的型钢通长设置，并设置钢板箍或螺杆箍(见图2，图3)，既提高了钢筋混凝土梁的斜截面抗剪承载力，又对加固型钢起到了附加锚固的作用。为了保证加固效果，本工程灌浆胶采用A类胶。加固完成后，在外包型钢的表面抹25 mm厚水泥砂浆作为防护层。

图2 框架梁的加固详图一

图3 框架梁的加固详图二

6.2 框架梁、柱节点连接

加固结构新旧两部分整体工作的关键，主要在于结合面能否有效地传递和承担剪力和拉力。在框架节点核心区外包封闭的钢板箍，并设置化学螺栓，利用化学螺栓所产生的被动剪切—摩擦力来抵抗结合面处出现的剪力和拉力(见图4)。框架柱外包钢板箍加固后，用改性环氧树脂胶粘剂进行灌注，对框架梁两端型钢与框架柱上的钢板箍焊接。为更好的传递框架梁端的负弯矩，在梁端上表面焊有负弯矩加固钢板带与框架柱上的钢板箍连接。

图4 框架梁、柱的连接示意图

6.3 植筋技术的应用

根据《混凝土结构加固设计规范》第12.2.3条，植筋的基本锚固深度ls可按下式确定:

式中考虑混凝土劈裂影响的计算系数αspt主要与植筋直径、混凝土保护层厚度及箍筋设置情况有关，粘结强度设计值fbd主要与基层混凝土的等级、植筋间距和边距有关。由《混凝土结构加固设计规范》表12.2.3及12.2.4 可以看出，植筋的直径越小，考虑混凝土劈裂影响的计算系数就越小，从而基本锚固深度越小;植筋的间距和边距越大，胶粘剂粘结强度设计值就越大，从而基本锚固深度越小。为了保证植筋的施工质量，本工程采用A级植筋胶，植筋选用直径小于20 mm的带肋钢筋，配筋设计上选用植筋数量少，间距大的方案。

7 结语

工业建筑的设计涉及专业比较多，设备比较多，空间关系比较复杂，结构加固改造设计较之普通结构设计更复杂也更有难度。通过本工程的设计可得到如下结论:

1)工业建筑的结构加固改造须密切与工厂生产、施工现场相结合，根据实际情况选用合适的加固方法;

2)通过改变结构传力途径，可以有效的减少加固过程中局部构件拆除和新增载荷对原有结构的影响;

3)唯有多种加固方法相结合，才能找到对工厂生产的影响最小、给用户带来经济效益的最佳结合点。

[1]GB 50367-2006，混凝土结构加固设计规范[S].

[2]GB 50011-2001，建筑抗震设计规范(2008年版)[S].

[3]06SG311-1，混凝土结构加固构造[S].

[4]卜良桃，周 靖，叶 蓁.混凝土结构加固设计规范算例[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[5]卜良桃.建筑结构加固工程设计与施工质量验收手册[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.