某商场板柱结构建筑改造的结构设计

摘 要：从板柱结构房屋改造抗震加固实际工程遇到的问题出发，对板柱结构房屋改造的抗震加固进行探讨，提出解决方法，为今后设计人员解决类似问题提供参考素材。

关键词：板柱结构 板柱-剪力墙结构 结构改造 抗震加固

中图分类号：TU753.8 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）007-006-02

1 工程概况

湖北省荆州市某大型商场为三层板柱结构房屋，建于1982年。该建筑柱网8m，层高6m，基础为桩基础，桩型为预制方桩，桩承台之间无基础连梁。2010年底，因发展需要，业主拟将该建筑加至五层，并进行相应的加固处理。检测单位提供的检测鉴定结果显示，该建筑主体结构混凝土强度基本达到C20以上，有条件进行加层改造。受业主委托，我们对其进行加层改造加固设计。

2 抗震结构类型

该建筑加层以后，房屋高度超过24m，适用于《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的规定。经对规范仔细研究，钢筋混凝土房屋的结构类型，均不包括板柱结构，说明板柱结构由于自身抗震缺陷，已被现行规范排除在适用的抗震结构之外。板柱结构不适合作为建筑抗震结构类型，抗震结构类型成为我们遇到的第一个需要解决的问题。

由于该房屋作为商场使用，需要比较规则且较大的空间，限制了竖向构件的位置和数量。基于规范规定和建筑功能限制，我们挑选出了两个可行的抗震结构类型方案：框架结构和板柱-剪力墙结构。经对两个方案进行比较：（1）将板柱结构改造为这两种结构都是可以实施的；（2）框架结构类型的结构简单，板柱-剪力墙结构类型的结构相对复杂；（3）框架结构需要增加大量框架梁。如果梁设置在楼层，则施工时柱帽会受到较大的破坏，如果要保护柱帽，则梁只能设置在层间。板柱-剪力墙结构只需要增加部分剪力墙，施工时仅对少数柱帽节点造成破坏；（4）板柱-剪力墙结构需要增加剪力墙间连梁；连梁部分端部纵筋需要采用植筋锚固。框架结构的框架梁纵筋全部需要采用植筋锚固；（5）板柱-剪力墙结构新增的剪力墙竖向钢筋在楼层处能够贯通。

经过综合比较和专家论证，我们最终选择了板柱-剪力墙结构类型方案。

3 基础加固方案

3.1 桩型选择

该建筑原桩基础的桩型为预制方桩，根据新老桩型宜相同的选择原则，加固桩型仍然选择预制桩为宜。由于建筑室内一层层高和柱网的限制，无法采用大型设备进行沉桩施工。经对地勘报告进行详细分析，场地持力土层层顶埋深约为15m，持力层以上各层土的压缩模量均在10MPa以下，多在5～6MPa，小型压桩设备可以使桩穿透这些土层；同时我们按2500方桩估算桩侧阻力，单桩侧阻力特征值约240kN。据此，我们选择了锚杆静压桩作为基础加固桩型，桩尖持力层与原预制桩持力层相同，单桩承载力特征值取300kN，最大压桩力要求大于600kN，采用桩长和压桩力双控进行压桩施工。考虑到桩长较长，设计要求采用焊接接桩确保接桩质量。

3.2 基础传力

确定桩型后，需要确保上部结构增加的荷载能够有效的传递到新的静压桩上去，以保证基础加固的成功。通常有两种做法来处理基础传力：（1）将增加的桩布置在原桩承台周围，原桩承台加大加厚，这样上部荷载通过柱传递到承台，再传递到新老桩上；（2）将增加的桩布置在承台周围，采用包柱式承台将柱荷载传递到新桩上。本工程中，原基础采用桩承台，但没有基础连梁。我们考虑到：如果把桩承台加大加厚，不外乎向上加厚和向下加厚，则要么向上加厚时承台底部钢筋不能通长，只能采用植筋或焊接接长底部钢筋，所有接头均在同一截面；要么向下加厚保证承台底部钢筋通长，但把承台底部挖空施工难度极大，且难以保证施工质量和安全。结合原基础桩承台之间无基础连梁、基础整体性较差、加固设计考虑增加基础连梁的情况，我们决定将桩布置于新增基础梁下，基础梁纵横全部拉通，形成类似于无板的桩筏基础。基础梁受弯剪较大，采用了800mm0mm的大截面尺寸，设计的基础梁底标高与原承台面相同，如图1所示。

图1 基础梁与柱及承台连接

这样处理有如下好处：（1）新增桩位置易于布置，可以保证与原桩之间的桩间距；（2）新基础梁宽度比加大截面后的柱大，梁纵筋大部分可以通过柱侧，中间少量纵筋可植入柱中，新增柱纵筋可以锚固在基础梁内；（3）新基础梁可以完全包裹柱根，传力合理有保证；（4）基础梁底与原承台连接面凿毛植筋连接，新老基础共同作用效果好；（5）新增剪力墙下无需另设基础；（6）基础整体性大大增强。

4 节点处理

板柱结构房屋改造的另一个难点在于柱帽结点的处理。柱帽节点一般面积大，厚度大，剖面边缘线处于非水平或竖直位置，给改造增加梁或墙的连接增加了难度，之前有关的加固项目中采用加大截面对柱帽进行加固处理，取得了较好的效果。在本工程中，柱帽的处理主要涉及柱帽与新增墙的连接、柱帽与新增梁的连接、柱帽与上部加层接长柱的连接、以及柱帽本身的加固处理等。下面对本工程处理以上连接或加固的方式进行逐一介绍。

4.1 柱帽与剪力墙连接节点

根据结构的平面布置和建模试算，本工程确定新增12处“L”形布置的剪力墙，其转角处为原结构柱。为保证尽可能多的剪力墙纵向钢筋的上下贯通，设计采取了如下措施：（1）将剪力墙截面范围内原楼板的混凝土凿除，钢筋保留，方便楼板范围内剪力墙钢筋贯通施工；（2）由于柱帽分为两节，上节厚度较小，平面尺寸大，下节厚度较大，而平面尺寸小。设计中综合考虑结构安全和施工方便，要求对柱帽上节部分按板处理，凿除剪力墙截面范围内混凝土，保留钢筋，下节则视为柱的一部分，不得破坏。这样做，保证了绝大部分剪力墙纵向钢筋的一下贯通，柱帽下节范围内剪力墙纵向钢筋不能贯通，但数量较少。同时，对于凿除了两个方向部分上节混凝土的柱帽，又可以通过合理的支撑，确保结构安全。柱帽与剪力墙连接处理如图2所示。

图2 剪力墙、连梁与柱帽连接节点

剪力墙水平钢筋均采用植筋锚入柱内，柱则采用加大截面进行加固，便于处理转角处边缘构件钢筋。

4.2 柱帽与梁连接节点

本工程新增梁主要为将剪力墙纵横拉通的连梁，该连梁平时除自重外基本不承担任何荷载，在地震时则主要承受剪力。根据其受力特点，经专家论证，为方便施工和保证新老连接的加固效果，连梁设置在楼面以下，高度位于柱帽下节范围内。这样做的目的，是为了既方便施工，不致因连梁设置在楼面，将楼板和柱帽大面积凿除混凝土而损坏，又使连梁与柱帽连接面的倾斜不大，可靠传递剪力。

为了保证梁在柱帽处的锚固，设计将梁的纵筋植入柱帽，同时在梁截面中间无纵筋的空白处，增加了6根直径18mm的抗剪短钢筋，也采用植筋锚入柱帽内，如图2所示。特别的，所有有梁相连的柱帽，其下节还采用加大截面进行加固处理，进一步加强连接锚固效果。柱帽下节加大截面的钢筋，环向箍筋要求封闭，倾斜的纵向钢筋锚入柱加大截面混凝土内，另设置梅花形布置的植筋拉筋，保证新老混凝土的结合。

4.3 柱帽与上柱连接节点

加层结构与原结构除剪力墙可保证纵向钢筋贯通外，柱纵筋基本上都无法贯通，只能依靠植筋等后锚固技术将加层柱纵向钢筋锚入原柱帽内。为增强连接效果，设计上采取了三个措施：（1）研究表明，钢筋植筋的极限拉拔力随钢筋直径的增大呈线性增长趋势，说明多根小直径钢筋比同样截面积的大直径钢筋植筋的极限拉拔力要大。因此设计要求在严格控制柱纵向钢筋植筋深度、质量和保证植筋间距的前提下，多采用直径16～18mm的钢筋而不采用直径20～25mm的钢筋，保证植筋效果；（2）要求对新老混凝土接触面进行凿毛处理，在浇筑混凝土前按要求涂刷界面剂，增强混凝土结合，同时在柱截面中间空白处，增加6根直径18mm的抗剪钢筋；（3）在柱下部加密箍高度范围内，设置钢板方筒（兼作模板），方筒钢板上按拉筋位置钻孔，拉筋穿孔塞焊，筒底设置钢板底座，采用锚栓锚固在柱帽上，如图3所示。

图3 加层柱与柱帽连接节点

4.4 柱帽加固

由于该建筑使用已30年，为保证安全，设计决定对柱帽进行加固。所有柱帽上节，均采用6mm钢板包裹，设置梅花形布置的锚栓，钢板与混凝土接触面采用包钢工艺处理，用专用包钢灌浆料灌实。柱帽下节则根据柱的加固情况分为两种情况，当柱采用加大截面加固或是剪力墙转角时，柱帽下节也采用加大截面进行加固；如果柱采用包钢加固时，则柱帽下节也采用和上节相同的方式进行加固处理。

5 结语

该工程于2011年底建成投入使用，目前使用状况良好，沉降基本稳定，无明显沉降不均引起开裂等现象，得到了业主的好评，说明该工程的改造加固是合理、有效的。

通过本工程的实践，展示了板柱结构房屋改造的潜力，为类似工程的改造加固提供了参考实例。

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