钢结构加层改造工程柱脚节点处理与组合楼板的应用

赵健

陕西冶金设计研究院有限公司（710032）

钢结构加层改造工程柱脚节点处理与组合楼板的应用

赵健

陕西冶金设计研究院有限公司（710032）

原厂房加层改造项目中，为保持结构整体性，需对柱脚进行加固。为获取较为理想处理效果，这里采用外粘钢板法，并结合工程实例，对压型钢板—混凝土组合楼板特点、分类、功能等进行系统论述。

钢结构；加层；柱脚连接；压型钢板；组合楼板

0 引言

工程位于陕西省西安市，对原厂房进行加层改造,用于商业广场。原厂房混凝土框架结构共三层，现设计对原结构二、三层各增加一层钢结构，即现为五层。抗震设防烈度为8度（设计基本地震加速度值为0.20 g，设计地震分组第一组）。抗震设防类别:丙类。防火等级:二级。地基基础设计等级:丙级。加建后商业广场底面积5 500 m2。

1 柱脚刚性连接设计

加层改造工程中，钢结构和混凝土结构水平荷载传递变化不大，竖向荷载传递钢结构相对较小。新加结构与原结构构件材料、截面惯性距、质量都不同，即存在各层竖向刚度突变，因此水平方向的风荷载在地震作用下会产生明显的鞭梢效应。为保证加层钢结构的抗震性能以及新旧结构的整体性，必须对钢框架柱脚节点进行加固处理。

1.1 框架柱加固方法

1）对框架柱常用处理办法为增大截面法和外包钢法。2）增大截面法特点:施工周期长，费用相对低，影响部分建筑观赏及使用功能。3）外包钢法的特点：施工周期短，费用高，增强结构的刚度、强度。

1.2 常用柱脚连接方法

1）化学螺栓连接。在原有柱头上直接钻孔，植入柱内与过渡钢板黏接，待结构胶硬化后安装钢柱。通过抗拉力值的检测，锚固钢筋主要损坏形式有三种:螺栓或钢筋损坏、胶体损坏和基材损坏。化学螺栓连接施工方便，但结构胶耐久性、施工质量的可靠性有待提高，节点抗震也没有增强。

2）U型箍连接。当增加一层或加层内力较小，可以采用U型螺栓连接法。即在钢柱下部梁用U型螺栓，梁顶跟钢板用螺栓连接或钻孔塞焊。U型箍连接施工方便，但不提高节点受力能力。

3）柱中钢筋直接连接。当原混凝土柱顶配筋密集，无法采用直接钻孔连接法，而用柱筋作为连接钢筋，即在柱内选择位置合适的主筋加热调正并提到地板上开孔塞焊,在柱底铺混凝土找平，钢板与底板螺栓连接。柱中钢筋直接连接不提高节点抗震性能，且钢筋数量通常有限。

本工程因上部加建房屋而对下部结构进行加固。经过反复计算核定和成本比较，对原混凝土框架柱均采用外粘钢板加固法，柱顶部、底部化学螺栓连接。（见图1）。具体施工应注意:钢筋化学锚固的钻孔间距及孔洞距构件边缘距离均不应小于100 mm或4 d;钢筋锚固前应将钻孔洗净;锚固材料（如建筑结构胶）未达到要求强度前，钢筋不得扰动；采用建筑结构胶锚固钢筋时，锚固深度均不得小于设计要求（大于150 mm）；施工中应采取措施避免钢筋锚固后结构胶受热（如焊接等），梁底柱顶通过箍板粘钢板固定，用化学锚栓连接。这种连接方式使上部结构内力有效地传递给下部结构，且对原节点三向受力得到加强,其抗震性能得到明显提高。

图1 JGZ加固施工实验

2 新加层组合楼板

2.1 压型钢板—混凝土组合楼板分为两类

1）压型钢板仅做施工模板，除满足施工荷载，板型无要求,施工完成后全部荷载由混凝土承受，这种楼板称为非组合楼板。计算方法、配筋构造完全遵照《混凝土结构设计规范》，压型钢板叠合面不需设计齿槽。

2）压型钢板不仅做施工模板，下部还充当混凝土的受力钢筋，与混凝土共同工作，这种楼板称为组合楼板。压型钢板表面必须设置抗剪齿槽，用来抵抗叠合面之间的纵向剪力或垂直掀起力。本工程采用此类型组合楼板施工，厚度140 mm。

本工程单向板与梁搭接，弯矩分布类似连续梁（图2），下部钢筋和钢板主要抵抗跨中弯矩，负筋主要抵抗支座处负弯矩，构造筋焊于压型钢板，抗剪齿槽、栓钉提高了组合板的整体性、抗震性。

图2 单向板与梁搭接关系图

2.2 压型钢板—混凝土组合楼板优缺点

优点:自重轻，钢材可回收利用，节省材料；施工速度快，楼板抗震性能、抗侧向风荷能力提高；高跨比大幅减小，减小楼层结构刚度，楼板与梁整体现浇，提高了梁刚度；建筑上增加了空间，压型钢板底部沟槽造型独特,可敷设室内管线或装饰吊顶，空间感美观。

缺点:混凝土与压型钢板黏合性不佳，压型钢板截面凹凸，极限状态截面部分屈服，强度不被完全利用。

3 结论

通过本工程的增层改造设计施工，可以得到以下几点体会:

1）为使加层后结构的整体性、抗震性有效提高，加层钢结构、原混凝土结构的内力有效传递,原混凝土框架柱脚节点处理,保证刚性连接是关键；对原混凝土框架柱均采用外粘钢板加固法，柱脚采用化学螺栓连接。该措施使上部结构内力有效传递给下部结构，且原节点三向受力得到加强，抗震性能得到明显提高。

2）考虑到设计、施工中，新规范对荷载要求的提高，加层新增钢构荷载、拆除部分对原结构的扰动等影响，需进行整体验算，提高抗震性能。为提高原结构强度、刚度，必须对原结构采取加固措施，常用外粘钢板法，部分施工情况应根据现场定。

3）结合工程实践，大部分压型钢板—混凝土组合楼板为连续板构造，这种构造具有良好的抗震性能。组合楼板结合了混凝土结构、钢结构优点，钢材环保可回收，经济效益好。压型钢板是未来建筑的发展方向。

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