高层建筑框架柱加固计算原理及实例

高层建筑框架柱加固计算原理及实例

作者：张艳基

来源：《管理观察》2009年第08期

摘 要：当高层建筑中框架柱混凝土的强度等级达不到设计要求时,常采用柱外包混凝土加固的方法,但加固设计如果不合理,将造成较大浪费。在分析了新老两部分共同工作的条件并做了基本假定后,提出了加大截面法的计算原则,并推导了需增加截面积的计算公式。 关键词：高层建筑 框架柱加固

1.1框架柱加固结构受力特征

加固结构属二次受力结构,加固前原结构已经承受部分荷载(即第一次受力)。柱加固后,新加部分和原柱截面部分一起分担新增荷载(即第二次受力)。当原结构达到规定的轴压比时,新加部分的应力应变可能仍很低,尚未发挥自身的承载能力。新老两部分混凝土能否整体工作共同受力,主要取决于结合面的构造处理及施工方法。 1.2新老两部分混凝土共同工作的条件

根据中国建筑科学研究院结构所的试验研究,混凝土加固结构结合面的受剪承载力,可按下式计算。

对于四面采用混凝土围套加固的柱,由于配置有贯穿结合面的封闭式箍筋,(1)式一般自然满足[3]。(1)式满足是新老两部分混凝土能共同工作的必要条件,但非充分条件。实用设计中加固结构承载力要降低,这一降低因素可采用截面组合系数ψ(或称共同工作系数)予以考虑。当结合面经凿毛清洁处理,且柱采用封闭式钢筋混凝土围套加固时,可取ψ=1.0,即完全可以共同工作。 1.3基本计算假定

由于ψ=1.0,新老两部分混凝土能共同工作,柱截面计算可作如下假定。 (1)截面变形保持为平面。

(2)混凝土的轴心压应力?滓ck与应变?着c关系为抛物线,按下式计算:?滓ck=[2(?着c/0.002)-(?着c/0.002)2]fck。

(3)钢筋应力暂不考虑,按全截面均为混凝土考虑。

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(4)加固结构承载能力极限状态,以柱原截面部分的轴压比不超过原设计图纸的轴压比的轴压比限值为依据。

(5)设计时新加混凝土比原柱实测混凝土强度高1或2个等级,可认为新老混凝土的弹性模量Ec相等,新老混凝土的轴心拉压强度设计值相等,均等于fc测。 1.4公式的推导

σ0=1.25?滓0k,又由假设(2)知,柱原截面应力标准值:?滓0k=[2(?着0/0.002)-(?着0/0.002)2]fck测,故柱原应力设计值为: 式(2)~(8)中

A0———加固前柱截面面积;

N———柱原设计时的最大组合轴力设计值;

无关,故使用十分方便。现对式(9')作以下讨论:当式(9')中A0的系数≥1,即fc测/fc设≤(1+?琢)/2时,按(9')计算不合理,不采用(9'),而用全托换法;当fc测/fc设-?琢≤0时,表明已有荷载太多,不能用加大截面法加固,宜采用预应力加固法。显然,从式(9')可以看出,若fc测=fc设,A1=0,表明不需加固。?琢值越小,A1值也越小。这与实际是相符的。同时应指出,经过计算可以证明采用线性计算结果偏于安全。 2.工程实例

某高层建筑,地下1层,地上18层,是一幢以框架结构为主的框剪结构综合楼。其1~6层28根柱的截面分别为Z1:800mm×1000mm;Z2:800mm×900mm。原设计混凝土强度等级为C45,施工到11层时,经回弹检测并取芯修正,发现其混凝土强度等级仅达C35。轴压比超过规范的限值,故需加固。采用外包混凝土加大截面法进行加固,分别用式(9)及式(9')计算需加大的截面面积,结果见表1。

在表1计算过程中,取?琢=(11/19)×0.8=0.4632,根据SATWE计算结果,Z1和Z2的最大N值分别为12420kN和10402kN。应该指出,当采用加固后的截面尺寸重新输入计算机,经TBSA计算后发现:(1)柱最大组合轴力进行了重新调整,增加最多的柱轴力分别为Z1增加8.3%,Z2增大7.4%,轴力调整幅度在±10%范围内;(2)柱最大组合剪力几乎没有重新调整,增减量不到2%;(3)梁端弯矩及跨中弯矩几乎不变,或略有减少,这是由于梁端净跨减小和柱刚度增大的缘故。 另外,若本工程采用外包钢法进行加固设计,计算表明其角钢的轴向应力最大值为34.6MPa,角钢作用发挥太小,故很不经济,不宜采用。 3.几点讨论

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(1)式(9')比式(9)方便,其计算结果A1线比A1非约大15%,但考虑轴力的重新调整幅度±10%,故实际需加固增加的面积取A1线仍偏于安全。但用式(9)可算出?着0、?着1、?着2,故可较精确地估算出钢筋的受力(应力)。

(2)对于围套加固的框架柱,由于封闭箍筋的作用,原混凝土的侧向变形受到限制,其轴心抗压强度可以提高。清华大学的试验研究表明,核心区的轴心抗压强度fc甚至可增加30%。若考虑此因素,设计时可取A1=0.8A1线,或将fc测提高20%后再计算A1。

(3)由于式(9)、式(9')均是在假定新老混凝土能共同工作的基础上推导出来的,为保证此假设成立,新老混凝土结合面需凿毛清洗或使用界面剂等方法进行处理。

(4)由于抗震区的框架柱节点区受力十分复杂,故框架柱节点区应采取一定的加强构造措施,如外包钢板或用角钢加强节点区等,以达到“强节点”的抗震设计目的。◆

作者单位：茂名市城建设计院