钢筋混凝土框架结构钢结构加层加固设计

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义
结构加固是随着建筑业的不断发展产生的一门新兴学科，其定义为对可靠性不足或业主要求提高可靠度的承重结构、构件及其相关部分采取增强、局部更换或调整其内力等措施，使其具有现行设计规范及业主所要求的安全性、耐久性和适用性。
我国作为一个发展中国家，近几年来经济快速发展，城市面貌日新月异，但是城市发展过快也显现出一些问题，例如一些建筑还在使用期限内便已经不能满足业主对建筑的功能要求，而建造新的建筑物又会产生大量的经费，原有建筑物弃之不用更是一种浪费，于是就出现了对现有结构进行改造的一举两得的方法。改造的方式主要表现为对原结构进行加层。但是对既有建筑加层后，结构发生改变，建筑功能也随之改变，原结构的部分构件不能满足设计要求，如何使改造后的建筑即满足新功能要求又能满足安全可靠的指标成为不可避免的问题。同时，我国正处于土木工程建设领域三阶段中的第二个阶段——新建与旧房改造并重阶段，并向以维修和现代化改造为主的第三阶段过渡。据统计，我国现有建筑中有一半已经进入老龄化阶段，其中约有20%到40%经过加固改造后才可以继续使用，这都促进了建筑加固改造业的成长。加固改造理论的研究与技术推广迫在眉睫。
钢筋混凝土结构自诞生到现在仅有一百年左右的历史，但已成为当今应用最广泛的结构类型。随着建筑行业的蓬勃发展，各种各样的原因使既有建筑物需要鉴定加固，以保证建筑物的安全和使用功能。因此进行加层加固技术的理论研究和技术推广具有重要的理论意义和实用价值。

1.2 国内外研究现状
很多发达国家在建筑发展方向的蓬勃发展始于第二次世界大战以后，首先是战后重建，接着将旧房的维修和新房的建设提到了同等重要的地位，然后是对旧有房屋进行改造。进入二十世纪以后，各国逐步步入了对旧有房屋进行加层改造的阶段。二十世纪八十年代，该方面所消耗的费用占建设总投资的七成以上。之后的十年里，对既有房屋的维修改造投资以六到十个百分点的速度逐年递增，旧房维修改造在总建设量中所占的比例不断增大。根据资料记载，瑞典 1983年用于旧房的维修改造投资已占建筑工程总投资的 50%，美国和英国在既有建筑增层改造方面发展很快，二十世纪八十年代就已进入鼎盛时期，其改造对象从最开始的低层建筑，逐步向高层结构的改造靠拢。近几十年，在既有建筑的改造加固的理论研究与实际应用方面，国内外均发展迅速，获得了良好的经济效益和社会效益。美国、日本、丹麦、加拿大、等国家已制定完备的既有建筑维修改造方面的规范和政策，美国将改造旧建筑和建造新建筑列为同等重要的位置。以意大利、希腊、美国为代表的一些欧洲国家，在建筑物的维修、增层、加固的研究方面很活跃，定期出版学术期刊，并召开学术会议。总之，进入二十世纪九十年代，建筑物新建的发展速度逐步减缓，对既有建筑的增层改造业成为建筑行业中的重要组成部分，在建筑市场中所占比例不断增长，必将成为带动国家经济一个新增长点。
我国作为发展中国家，虽然幅员辽阔，但庞大的人口基数使资源紧缺，基础设施的不断建设和产生的工业垃圾占据了大量土地。我国现有的建筑物，很大一部分已经到达设计基准年限五十年的中后期，如果全部拆除重建，势必会浪费大量资源浪费，这样既不经济又不现实，但是如果对这些建筑进行加固改造，不但可以满足人们对建筑的新要求，而且能够节约资源，创造新的效益。增层改造技术在我国起步较晚，但是发展迅速，比如在二十世纪七八十年代，上海市以这种方式增加的面积已经达到五十八万平方米。

第2章 工程概况及加固构件判断

2.1 工程概况
某三层办公楼，设计于 1993 年，竣工并使用于 1994 年。采用钢筋混凝土框架结构，抗震设防烈度为8度（0.2g），地震设计分组为第一组。首层层高为4m，二、三层层高为3.6m。楼板及屋面板为现浇楼板，厚度均为120mm。现浇钢筋混凝土框架柱截面尺寸为 400mm×400mm，现浇钢筋混凝土框架横梁梁高 600mm，梁宽300mm，内纵梁梁高 550mm，梁宽250mm，外纵梁梁高 550mm，梁宽360mm。外墙为 360mm 厚混凝土空心砌块，内墙为 240mm 厚混凝土空心砌块。基础采用柱下现浇混凝土独立承台及混凝土灌注桩。根据业主于2010年提出的要求，由于原有三层已经不能满足使用的需要，故增盖三层，用途与原结构相同。原结构平面布置见图3-1。


2.2 抗震鉴定及增层可能性研究
(1)该房屋的设计及施工资料齐全。整个房屋各部分的外观质量情况均良好，设计时按照《建筑抗震设计规范》的规定进行了主体结构的抗震承载力验算并检查其抗震构造措施，结果认为：在不增层情况下，原房屋的质量完全符合规范要求。
(2)查阅该工程基础设计的原始资料后看出：在设计时未考虑群桩、土承台的相互作用效应，而且该房屋的地质和基础情况均符合《建筑桩基设计规范》中可以考虑上述相互作用效应的要求，表明还有一定潜力，可承受增层的荷载，此外考虑到该房屋使用15年后沉降均匀的实际情况，因此，经估算若控制增层后荷载的增加不超过原房屋总质量的30%，则基础可不必进行加固处理。
(3)为了减轻增层部分对原结构的荷载，加快施工速度，因而建筑和结构的构配件均应采用轻质高强的材料制作。
(4)经与建设单位共同协商和专家论证认为，将增层后房屋的“设计使用年限”定为 30 年是合适的，同时决定在 30 年后，由建设单位负责组织再对该增层工程进行检查与鉴定。

第3章 工程概况及加固构件判断 ..................... 17
3.1工程概况 ...................... 17
第4章 结构加固方案设计及计算 .................. 44
4.1该工程中所需加固构件及分类 .................... 44
4.2柱加固方案选择 ........................... 44
第5章 加固效果评估 ................... 63
5.1评估过程简介...................... 63

第5章 加固效果评估

5.1 评估过程简介
(1)根据不同的加固方法，对加固后梁柱构件进行刚度折算，把构件加固后的刚度折算为构件截面尺寸。
(2)用折算后的构件替换加层后结构的构件，建立模型进行整体计算分析。若分析后所得的各项参数均能满足规范要求，即证明加固成功。
(3)将加固前后结构的整体分析计算结果进行对比，整体评价加固效果。

结论与展望

结论
本文综合阐述了现行既有建筑加层及加固技术现状，结合某钢筋混凝土框架结构办公楼轻钢结构加层加固的实际工程，对增大截面加固法、外包角钢加固法、粘贴钢板加固法的设计理论和承载力计算原理进行了系统的总结。通过整个加层加固过程的详细叙述及大量数据的对比分析，可以得出以下结论：
(1)由于钢结构具有自重较轻、施工方便等优点，作为既有建筑增层部分的承重结构，可以降低原结构因为增层而承受的荷载，对生产生活影响较小，是一个比较合理的选择。
(2)在加层前，应该对既有建筑做出鉴定，然后本着安全、经济、实用的原则选择合理的加层方案进行加层。
(3)既有建筑加层后，原结构的构件往往因为上部荷载的增加而出现承载力不足的情况，应该对原结构和加层后结构进行整体对比分析，对相应的构件进行加固。
(4)在进行加固计算时，可根据加层前后构件配筋面积的差值估计加固面积，进行计算，避免了解高次方程，简单实用，适用于手工计算。
(5)在对柱构件进行加固时，采用增大截面加固法可以很好的解决柱轴压比超限及承载力不足的问题，且能大幅提高柱的刚度，所以在一定条件下，增大截面加固法是对框架柱加固比较经济合理的方法。
(6)采用外包角钢加固法和粘贴钢板加固法加固梁柱构件，可以很好的解决构件承载力不足的问题，而且对使用空间不会造成很大影响，但对结构整体刚度的增加贡献较小。
(7)对既有建筑加层加固后，结构整体的最大层间位移角位移角、自振周期均有一定的减小，刚度有一定的增大。
参考文献（略）