某办公楼加固设计的分析探讨
关键词:建筑工程;加固设计;碳纤维加固法
1工程概况
某办公综合楼工程,建于1998年,房屋分为南、北楼,平面形状呈“L”形。南楼为框架结构六层办公楼(局部三层),南北朝向。北楼为两层底框结构,上抬五层砖混结构(原设计为四层)宿舍楼,南、北楼间设变形缝,缝宽100mm,如下图1所示。
2建筑物存在的问题分析
2005年,根据《房屋安全鉴定报告》,该楼存在以下问题:南楼的南、北外纵墙上存在多道斜向裂缝,基本上随着楼层的增加,缝宽呈减小的趋势。南楼的三层西南角现浇楼板有斜裂缝。宽度3mm,西北角斜裂缝宽度0.8mm;四、六层西北角预制楼板斜裂缝宽度1.5mm～5mm;四～六层预制楼板有拼板缝,宽1mm～2mm;四层楼面局部下沉、楼板开裂,宽度2mm～4mm;三楼南侧外框架梁端部有斜裂缝,宽0.15mm;西侧外框架梁端部有斜裂缝。宽度0.2mm,个别框架柱有细裂缝;北楼住宅楼底层西纵墙有贯通性斜裂缝,宽约0.8mm;二层楼面设置大型浴池,增加了楼面荷载。
房屋的倾斜量为11.0mm～56.0mm,南楼向偏西、偏北方向倾斜,北楼向偏东、偏南方向倾斜,致使南、北两楼在顶部相碰。
现场观察可知,南楼墙体开裂较严重,北楼稍轻;两楼相碰处,在南楼西侧楼梯间顶层框架梁侧面有垂直裂缝;南楼过道处横向框架梁1/3跨度处侧面有垂直裂缝。
3建筑整体加固结构设计方案
(1)通过对原设计的验算,由于沉管灌注桩的桩端持力层强度不够,且分布不均匀,致使南楼基础存在变形不协调的问题。如1轴～2轴间的承台CT-3上荷载为5800kN,配20根桩,承载能力为8900kN;而4轴～10轴间的承台CT-1上荷载为6600kN,配16根桩,承载能力为7100kN。此外,南楼西侧三层～六层尚未使用,若使用后装璜荷载、活荷载作用,变形还会加大。因此,需对南楼的基础进行加固。使各承台变形基本一致,满足变形要求。而北楼问题较轻,仅对变形缝部位的基础进行加固。
(2)对于两楼倾斜相碰,由于其最大倾斜率为2.3‰,按国家规范≤4‰偏斜率允许值的要求,不需进行纠偏,采取拆除北楼相碰部分外墙并使南楼顶层切割缩进100mm。使变形缝宽度达到国家规范要求,同时减轻作用在基础上的荷载。
(3)对墙体开裂,楼板开裂及梁柱达不到设计和使用要求的部位进行加固补强处理。
4建筑物整体加固结构设计
4.1基础的加固设计与施工处理措施
根据《补充勘察报告》,原基础设计桩的持力层为③-2层粉质粘土,强度不够,且不均匀。因此加固时考虑在变形协调的基础上,将以后使用中的装潢荷载和活荷载由新增加的桩来承担。
基础加固:对沉降大的部位采用旋喷桩加固法,桩端进入④层粉砂层,位置为南楼4轴～12轴,及变形缝两侧E轴～G轴问承台,加固示意如图2所示。
旋喷桩采用高压喷射注浆,70年代以来在我国的岩土工程领域得到了广泛的应用和发展。具有加固体强度高、加固质量均匀、加固体形状可控的特点,已成为被国内工程界普遍接受的、多用、高效的地基处理方法。
在国家地基处理技术规范《JGJ79—2002》2002版中第12.1和12.2条规定:“高压喷射注浆法可用于既有建筑物和新建建筑物的地基处理。适用于处理淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑粘性土、粉土、砂土、黄土、索填土和碎石土等地基。”
旋喷桩的基本原理是利用高压水泥浆的喷射力将土体置换成水泥桩,这种置换是在瞬间完成的,因此在置换的过程中不会产生附加沉降。
高压旋喷注浆,先利用钻机把带有喷嘴的注浆管,钻入土层的预定位置,然后将浆液或水以高压流的形式从喷嘴里射出,冲击破坏土体,高压流切割搅碎的土层,呈颗粒状分散,一部分被浆液和水带出钻孔,另一部分则与浆液搅拌混合,随着浆液的凝固,组成具有一定强度和抗渗能力的固结体。当喷射流以360度回转,且喷射流自下到上提升时,固结体截面形状为圆形,故称为旋喷。
旋喷桩的喷浆由下而上进行,喷浆压力为20MPa。提升速度小于150mm/min,旋转速度取10r/min～20r/min。采用32.5级水泥,水灰比1∶1,桩长为28m,旋喷桩平面布置见图3。
4.2框架梁的加固设计与施工处理
梁的加固分以下三种情况采用不同的加固方法。
(1)对于梁端有斜裂缝的框架梁,主要是由于梁的抗剪能力不够。加固采用在梁侧粘贴碳纤维布的u形箍的加固方法,提高其抗剪能力。
(2)对于梁中有垂直裂缝的框架梁,主要是由于梁的抗弯能力不够。加固采用在梁底粘贴长条形碳纤维布的加固方法,提高其抗弯能力。
(3)对于由于南、北两楼碰撞造成的框架梁梁侧的垂直裂缝,加固采用在梁侧粘贴长条形碳纤维布的加固方法,提高其侧向抗弯能力。
(4)对于由于混凝土强度降低而造成抗弯、抗剪承载力不足的梁,采用在梁底粘贴长条形碳纤维布,在梁端粘贴碳纤维布的U形箍的加固方法见图4。
碳纤维布加固方法具有以下优点:
(1)具有很高的材料抗拉强度,且自重小,即比强度高。FRP的拉伸强度为钢材的10倍,而比重却只有其1/4。如用纤维复合材料对房屋结构进行加固,可基本不考虑纤维复合材料对原结构附加的荷载;
(2)具有很高的比刚度(弹性模量与密度之比)。高弹模碳纤维的弹性模量可达钢材的2倍～3倍,弹性变形能力强;
(3)抗腐蚀性能和耐久性好;
(4)结构外观和尽寸不会出现明显变化,修复加固效果好;
(5)施工过程简便,大部分为手工操作无需特殊的装备,工作量小,施工工期可以大大缩短;
(6)FRP体系的维修费用低。
4.3楼板的加固设计与施工
现浇楼板的角部斜裂缝主要是由于柱的不均匀沉降造成的,裂缝宽度较宽,最宽的有3mm。在基础加固沉降稳定后。用环氧树脂进行封缝、灌缝,再在板顶及板底贴碳纤维布进行补强。
预制楼板的斜裂缝,宽度达1.5mm～5mm。对于板端支座处有裂缝的预制板进行更换,若无预制板可换,可采用现浇单向板来代替,板筋植入框架梁内。对于预制板的拼板缝,采用环氧树脂灌缝。其它板缝,采用环氧树脂灌缝,然后在板底贴碳纤维布进行补强。
4.4柱的加固
对于柱的裂缝可采用贴碳纤维布进行补强。对于抗压强度、配筋数量及轴压比不满足设计要求的柱加固采用湿式外包钢加固法。经外包钢加固后,混凝土柱不仅提高了承载力,又由于柱的核芯混凝土受到型钢套箍和缀板的约束,柱子的延性也得到了提高,加固后柱的截面增加较小,不影响使用。
4.5墙体的加固设计与施工
(1)对裂缝宽度小于2mm的部位用双面钢丝网粉以高标号水泥砂浆进行加固。施工时应将原墙面的粉刷层铲去,然后将砖缝剔深10mm,用钢丝刷将墙面刷净,并洒水湿润。以保证水泥砂浆能与原砌体有可靠的粘结,水泥砂浆面层的厚度为30mm～40mm,分2次～3次压抹,砂浆强度等级不小于M10。
原则上,墙面应双面用钢筋网水泥砂浆面层加固。为保证墙两面的加固层共同工作,钢筋网在水平方向和竖向每隔600mm～900mm用Ф6钢筋拉结。
钢筋网遇到楼板时,应在楼板上每隔500mm～600mm凿一洞,放入Ф12钢筋。纵向钢筋应伸入室内、外地面以下400mm,用C15混凝土浇筑。钢筋网的钢筋直径为Ф4或Ф6,钢筋的间距300mm×300mm。在窗洞、门洞部位。钢丝网截断并作145°弯勾,同时在洞口四周每边各加2根Ф12的钢筋加强,见图5。
(2)对裂缝宽度大于2mm的部位,墙体进行拆除后重新砌筑。砖采用MU10的粘土空心砖,砂浆采用M7.5的混合砂浆砌筑。
4.6变形缝处碰撞处理
由于其最大倾斜率为213‰,小于国家规范≤4‰偏斜率允许值的要求,故不需进行纠偏,采取移动或拆除南北两楼相碰部分房屋,使变形缝宽度达到国家规范要求。拆除北楼顶层靠近变形缝外的一个单元,并将南楼顶层④～⑨XP轴间框架切割向南缩进100mm,见图6阴影所示,可增加缝宽约80mm。
5结语
综上所述,通过采取以上加固措施,该建筑结构受力性能得到了整体加强提升,经检测鉴定,加固改造设计与施工效果良好,建筑物地基沉降稳定,能满足使用要求,说明本次加固改造工程设计合理,施工技术措施得当,施工质量满足规范设计要求。经过近二年的使用,没发现任何异常现象,说明本办公综合楼加固改造取得了圆满成功,可为同类工程提供借鉴。
