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轻型钢结构在房屋建筑加层中的应用

发表时间：2020/11/13 来源：《基层建设》2020年第21期作者：闫鹏

[导读] 摘要：本文介绍了某文体活动场建设工程，该工程为加层改造工程。对建筑加层后，由于上部荷载的增加以及结构的改变，原结构很多构件的承载力不能满足设计要求，因此对原结构进行加固，成为了增层改造中的重要部分。

        中石化石油工程设计有限公司成都分公司 610000
        摘要：本文介绍了某文体活动场建设工程，该工程为加层改造工程。对建筑加层后，由于上部荷载的增加以及结构的改变，原结构很多构件的承载力不能满足设计要求，因此对原结构进行加固，成为了增层改造中的重要部分。
        关键词：扩建；计算模型；加固方案
        在某已建一层车库的基础上，新增二层文体活动中心，对现有屋面梁、板采用了碳纤维加固的方法，不仅满足了建筑功能和承载力的要求，同时节省了投资。对房屋进行加层改造，既能增大房屋面积，充分发挥原建筑的使用价值，又不需要对现有建筑物拆除新建。采用轻钢结构加层，具有工程周期短、造价低的优势。
        1工程概述
        本工程为某文体活动场建设工程，在现有车库上加盖一层轻钢结构作为活动场，并对原车库进行相应的加固处理，原车库为单层现浇钢筋混凝土框架结构，2012年年初建成使用，长40.4米，宽17米，层高5.5米，新建轻钢结构最低点高度为7.85米。
        根据业主需求及建筑专业资料，新增二层结构为门式刚架轻型钢结构，功能为乒乓球、羽毛球运动场及健身场地。若加层后，楼面（现有车库屋面）恒载标准值为2.1kN/m2，活荷载标准值为4.0kN/m2；加层屋面的恒载标准值为0.5kN/m2，活荷载标准值为0.5kN/m2。
        2房屋改扩建项目的注意事项
        （1）改扩建前后建筑物用途是否改变；
        （2）改扩建方案对原有建筑物的影响，其中包括对规范的适用范围的影响、对使用
        功能上的影响、结构的影响等方面；
        （3）改扩建对外观的影响；
        （4）方案实施的可行性；
        （5）要按照现行的规范进行改扩建，尤其注意老建筑物采用的原有的老规范，可能
        不适用于现在的规范，改扩建后必须符合现行规范的要求。
        3 改建思路与结构设计
        3.1鉴定报告
        首先，根据《建筑抗震鉴定标准》（GB50023-2009）的规定，需要改变结构的用途和使用环境的建筑需要进行抗震安全评价和安全鉴定。建设单位委托某省建筑科学研究院对车库进行了安全性鉴定及抗震鉴定。
        鉴定报告结论如下：考虑在现有车库加盖一层轻钢结构，加层后该房屋的结构安全综合评定为Dsu级。经验算，现有车库地基基础及框架柱承载能力满足要求，部分屋盖梁、板承载能力不满足要求，应进行加固、维修处理。另梁底填充墙顶部裂缝、框架柱侧填充墙竖向裂缝、梁侧裂缝（主要系早起混凝土收缩、温度应力等因素综合所致，系非荷载原因引起）、门窗洞孔处墙体斜向裂缝均应进行加固维修。
        3.2计算模型
        通常情况，由于轻钢结构都是恒载、风载起控制作用，地震力不起控制作用；而一层钢筋砼框架结构地震力起控制作用，风载不起控制作用。那么，轻钢结构和钢筋砼框架的混合结构是很难在PKPM中采用SATWE进行模拟计算的，会出现失真的情况，因此无法真实模拟。
        所以，两个体系就需要剥离开来计算了。本工程的计算模型是：在一层车库钢筋砼框架模型中，通过柱顶节点增加恒载和风载形成的弯矩、剪力和轴力，来进行模拟计算。
        3.3加固方案
        本工程运用PKPM软件对原结构和拟加层后建筑进行建模，然后进行内力和配筋面积的对比分析，确定加固构件，根据构件加固原因的不同，通过方案比选，为不同的加固构件选择合理的加固方案，并进行截面计算。
        根据新的《建筑结构荷载规范》，由于改造后建筑的楼面荷载标准值大于原设计的活荷载标准值，使得原有的梁、板已经不能满足设计要求。本工程采用粘贴碳纤维等方法对不满足承载能力要求的屋盖梁、板进行结构加固。材料主要性能指标：碳纤维质量300g/m2，弹性模量≥2.4x105MPa，抗拉强度标准值≥3400MPa。伸长率≥1.7%，弯曲强度≥700MPa，层间剪切强度≥45MPa，仰贴条件下纤维复合材与混凝土正拉粘结强度≥2.5MPa，且为内聚破坏。
        3.4房屋结构方案
        原车库结构型式为钢筋混凝土框架结构，扩建部分结构型式为门式刚架轻钢结构。外墙面及屋面板采用0.6+120+0.6厚岩棉夹芯板，隔墙及隔间顶采用80厚岩棉夹芯板，钢板厚0.5mm。
        3.5加固计算
        根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）10.2.3条计算：
          （10.2.3-1）
               （10.2.3-2）
                （10.2.3-3）
                                      （10.2.3-4）
        式中：M——构件加固后弯矩设计值；
        x——混凝土受压区高度；
        b、h——矩形截面宽度和高度；
        fy0、f，y0——原截面受拉钢筋和受压钢筋的抗拉、抗压强度设计值；
        As0、A，s0——原受拉钢筋和原受压钢筋的截面面积；
        a，——纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离；
        h0——构件加固前的截面有效高度；
        ff——纤维复合材的抗拉强度设计值，应根据纤维复合材的品种取值；
        Afe——纤维复合材的有效截面面积；
        Ψf——考虑纤维复合材实际抗拉应变达不到设计值而引入的强度利用系数，当Ψf>1.0时，取Ψf=1.0；
        εcu——混凝土极限压应变，取εcu=0.0033；
        εf——纤维复合材拉应变设计值，应根据纤维复合材的品种，按规范取值；
        εf0——考虑二次受力影响时，纤维复合材的滞后应变，应按规范计算取值；若不考虑二次受力影响，取εf=0。
        （1）L1底部加固计算：
        1）荷载计算：
        弯矩值M采用PKPM计算，查的取进行设计。
        2）碳纤维布截面计算：
        由公式10.2.3-1得：

由公式10.2.3-3得：

        由公式10.2.3-2得：

        根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》可知，采用单位面积质量为的碳纤维布时，其两层计算厚度为0.334mm。
        实际应粘贴的纤维复合材截面宽度：
        （2）L2底部加固计算：
        1）荷载计算：
        弯矩值M采用PKPM计算，查的取进行设计。
        2）碳纤维布截面计算：
        由公式10.2.3-1得：

        由公式10.2.3-3得：

        由公式10.2.3-2得：

        根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》知，采用单位面积质量为的碳纤维布时，两层计算厚度为0.334mm。
        实际应粘贴的纤维复合材截面宽度：
        （3）横轴：
        1）荷载计算：
        弯矩值M采用PKPM计算，查的取进行设计。
        2）碳纤维布截面计算：
        由公式10.2.3-1得：

        由公式10.2.3-3得：

        由公式10.2.3-2得：

        根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》知，采用单位面积质量为的碳纤维布时，计算厚度为0.167mm。
        实际应粘贴的纤维复合材截面宽度：
        （4）纵轴：
        1）荷载计算：
        上部弯矩：弯矩值M采用PKPM计算，查的取进行设计。
        2）碳纤维布截面计算：
        由公式10.2.3-1得：

        由公式10.2.3-3得：

        由公式10.2.3-2得：

        根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》知，采用单位面积质量为的碳纤维布时，两层计算厚度为0.334mm。
        实际应粘贴的纤维复合材截面宽度：
        （5）板计算：
        跨中弯矩：

        1）碳纤维布截面计算：

        由公式10.2.3-3得：

         由公式10.2.3-2得：

        根据《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》知，采用单位面积质量为的碳纤维布时，其计算厚度为0.167mm。
        实际应粘贴的纤维复合材截面宽度：
        4 结束语
        已建建筑上方加盖轻钢结构，首先建筑需要进行抗震安全评价和安全鉴定，并对原结构和拟加层后建筑进行建模，然后进行内力和配筋面积的对比分析，确定承载能力不满足要求、需要加固的构件，并为不同的加固构件选择合理的加固方案。
        参考文献：
        【1】韦东.钢筋混凝土框架顶部钢结构加层柱脚节点设计.，2016年
        【2】曹曦.钢筋混凝土框架结构钢结构加层加固设计计.河北工程大学学报，2014年