北京某框架结构混凝土加层加固改造技术？

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我院于2005年1月承揽设计了北京某地锅炉房加层加固改造工程。该工程始建于1994年，主体为框架结构，基础为扩底灌筑桩，梁、柱、基础均为现浇钢筋混凝土。一层～二层为现浇钢筋混凝土楼板。三层为预制混凝土空心楼板。由于扩建要求需对该楼局部加高两层，为此对建筑主体结构进行加固处理。该工程主要技术难点是保证新旧混凝土结构共同作用和减少锅炉附属管沟的开挖对桩基础的影响。
一、结构计算及加固方案的设计
根据原有设计图纸，本楼原初设计采用的是扩孔灌注桩，桩基础考虑桩侧摩擦力，桩身长度9.5米。地质勘察报告显示，桩端持力层为粉砂层，容许端承载力400Kpa.主体为框架结构空心砖墙填充，层高分别为4.5m，3.5m，3.5m，原有结构混凝土强度等级C25，抗震设防烈度为8度。
根据工艺要求，原二层附加钢制设备需要移动位置。因为此钢制设备重量较大，将近35吨，利用原有屋面无法固定，所以必须重新浇筑混凝土梁，预埋埋件才能固定。因此设计小组商议决定将原有屋面整体揭除，重新浇筑梁板。
我们采用了中国建筑科学研究院编制的satwet三维空间结构计算软件对加层加荷后结构整体计算。（计算时根据规范我们将混凝土和钢筋的强度乘以0.9的折减系数）。结果显示自震周期、层间位移均、底层柱轴压比均达不到设计要求，说明加层，加荷后建筑物整体的承载力，抗震能力不能满足要求，必须处理。
因此我们对底层柱采用加大截面，外包钢处理，并在4.5米柱中部增植混凝土梁（原设计4.5米柱内侧无梁拉接），以此增加结构整体性。并将整体加固模型用三维空间结构软件分析计算，计算结果显示各项指标均满足设计要求。通过核算，本建筑物虽然局部加高了两层，附加设备荷载增大了，桩顶附加内力却没有显著的变化。工程小组分析，原有工程中附加设备荷载校大，受力分布点距离单柱较近，所以大部分荷载通过单柱传递到基础上。新增两层后，附加设备荷载受力点进行了调整，改变了荷载分布状况、传力途径，使力均匀传递到周围的基础，所以桩顶附加外力没有显著变化。原有桩基础满足使用要求，不需要处理。
总结分析结果我们确定了加层加固整体方案：
1、将原有屋面揭除，重新浇注梁板，预埋埋件。
2、从基础顶底起将底层柱截面加大，其余柱截面外包钢加固。整个工程采取减轻结构体系自重，加层不加荷的原则，采取相应措施。我们更换了墙体材料采用较轻的加气混凝土块砌筑，屋面采用轻钢屋面。新浇筑的混凝土，比原有混凝土高一个标号。
二、地基土的加固处理
根据工艺要求，将在桩基础之间挖一条深3米宽一米的除灰混凝土水沟。桩中心间距6.6米，根据规范要求水沟底部水平连线与桩顶侧壁连线必须小于土壤内摩擦角。而且本工程的桩是考虑桩侧壁摩擦阻力的，水沟的开挖必然影响到粉土对桩的摩擦力。我们考虑受水沟影响的此排桩所承担的轴力较小，水沟中心距桩中心距离满足3倍桩径要求，如果注意施工工艺，对桩周围土壤进行固化加固处理，可以开挖。针对水沟开挖我们设计了施工方案如下：首先我们对受影响的桩基周围土壤进行加固处理。我们采用化学浆液注入法处理桩周围3米深度4.5米范围内地基。根据地质勘察报告，此区间内土壤为粉砂，所以采用水玻璃系或硅酸钠化学浆液注入土壤中，化学反应形成硅酸凝胶，短期内土壤强度可以达到1-1.4兆帕，且具有不透水性。水沟的施工采取垂直开挖，侧壁加固支护，分段开挖浇筑，每段长度不大于2米。
三、柱加固加层施工方法
根据计算我们将底层边柱，原500×500柱加大为800×800.柱采用湿式包角钢加固法，加固配筋见1-1剖面图。施工方法：
（1）先将有裂缝部位和酥松混凝土剔除，抹成原形，不需剔除的柱表面应先凿毛增糙，四角磨出圆角，并用钢丝刷刷毛，用压缩空气吹净，然后在处理好的原有柱外表面涂刷结合界面剂。
（2） 绑扎新钢筋，浇注混凝土。
（3）柱四角外包75×6角钢，角钢之间用75×6钢板连接，沿柱纵向间距750mm加固处理。
为了加层并重新浇筑挂设备的大梁，我们没有采取一般混凝土结构的加层法，将屋盖揭除植筋柱加高，而是从顶层柱中部计算弯距最小处截断。为了使减小施工对原有柱强度产生的不利影响，我们将所以加高柱分三批从不同地方截断加高，柱截断时采用无损静力机械截断。新老柱混凝土浇注前，界面用钢丝刷刷毛，用压缩空气吹净，然后涂刷界面结合剂。钢筋连接采用与原有钢筋直径相同的钢筋机械挤压套筒连接，满足接头错开的要求。混凝土浇注完毕后，柱相应外包750mm长，10mm厚钢板加固处理。这种方法可以有效的提高截断处混凝土柱抗剪切力。
在整个加固，加层工程施工前，必须拆除所以墙体，设备，和屋盖。这样可以减轻结构自身重力。我们的设计思想是揭除屋盖梁板-卸载-柱加固-加层-轻屋盖代换。
通过此项工程，我们设计小组在加层加固方面做了一些有益的探索。总结混凝土结构加层加固我们认为：
1、加层工程必须仔细核算原有建筑物的地基，主体结构才能实施。
2、旧有建筑物，通过先进的设计计算理论，有效改变力的传递体系，减轻结构自重，采用轻质高强材料可以为加层创造实施的可能性。
3、在混凝土结构加固工程中，尽可能使新增结构和原混凝土结构融为一体，共同发挥作用。
4、结构的保护性拆除是改造工程的难点，风险极大，需反复斟酌设计和施工方案，综合运用现场一切手段，如动态监测、临时支撑等技术措施，避免突然加载和卸荷冲击结构。
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