南京市某教育建筑的框架柱加固方法探究

王怿凡 贾慧娟 徐千雅 阚扬

摘要：针对目前社会上普遍存在的教育建筑老化问题，作了有关柱加固的调研，选取实际工程案例进行建模与加固前后分析对比，提出柱的加固改造方法。改造后的建筑承载力变大，轴压比变小，有效提高了教育建筑结构的可靠性，延长了其使用寿命。

关键词：教育建筑； 加固改造； 框架柱

中图分类号：TU746.3文献标志码：A

0引言

日前，随着国家对教育重视程度的加深，校园内的基础教育建筑也得到了高速发展，但近年来，许多学校的教学建筑随着建校时间越来越久而产生了老化，建设标准低，规范相对滞后等问题。同时，因教育建筑所特有的地理位置和建筑性质，若对现有构造进行重新构建会严重影响其正常的使用周期，且对于轻微损坏构建也没有必要。所以在允许的范围内，对这些结构进行加固和改造，使其强度和刚度满足规范要求，既可以保证结构的安全性和正常使用，又可以节约资源。故教育建筑的加固改造与优化就显得尤为重要。柱作为重要的称重体系，随着时间推移以及周围环境的影响，其结构的安全性与耐久性可能会收到威胁，须要进行加固才能继续维持结构寿命。国内已有诸多学者对此展开了研究，如李京玲［1］等研究钢—混凝土组合结构在结构柱中的加固，有效提高了结构的承载力；欧阳伟波［2］关于钢筋混凝土柱加固技术研究现状和发展趋势的分析，介绍了一些提高延性的新型加固方法；贺康［3］等对大跨度预应力结构柱混凝土置换加固技术的研究，针对受压杆件提出了高效的加固处理。赵昱璐［4］对钢结构中梁柱节点的加固方法进行了总结。刘延峰［5］针对不同结构的不同特性，提出不同的加固改造方案。本文拟通过实际的工程案例分析，对现有的柱加固方式进行分析比较，以得出更为经济有效的加固方式。

1柱的加固方法及施工工艺

目前柱的主要加固方法有增大截面加固法、外粘型钢加固法、粘贴钢板加固法、粘贴碳纤维复合材料加固法。

1.1增大截面加固法

增大截面加固法，是以钢筋混凝土套包裹原结构构件来增大原构件截面面积及配筋面积，来提升承载能力。其优势是能够同时增大构件的刚度、承载能力和变形能力，改变其自振频率，使其正常使用阶段的性能得到提高，对柱的稳定性改善明显，质量好，可靠性强，安全性比较高。其缺陷是湿工作量大、养护期长、占用建筑空间较多且施工工艺较为复杂，需要支模、振捣、浇筑、养护等一系列混凝土施工相关程序，增加了施工的可变性（图1）。

1.2外粘型钢加固法

外粘型钢加固法是在钢筋混凝土柱周围包以型钢的一种加固方式，适用于需要大幅度提高承载力、增大延性和刚度的混凝土柱。外粘型钢加固法施工方便、现场的工作量少、减小了施工工期，一般情况下构件被加固后短时间便可以进行使用，特别适用于应急的加固工程加固，但后期的维修费用较高，对使用环境的温度有限制且所用材料多，经济效益相对不好（图2）。

1.3粘贴钢板法

粘贴钢板加固法，是用胶黏剂把薄钢板粘贴在被加固混凝土构件表面，薄钢板成为新加部分与原混凝土部分协同工作，提高混凝土构件性能的方法。其优点为施工工期短、加固后几乎不改变构件外形和使用空间；缺点是对使用环境的温度有限制，对弧形构件表面的粘贴不易吻合；且钢板较薄，需做防锈处理。另外，加固效果在很大程度上取决于胶粘工艺与操作水平，故对施工队伍素质要求比较高（图3）。

1.4粘贴碳纤维复合材料加固法

粘贴碳纤维复合材料加固柱，是利用碳纤维的拉应力，对混凝土柱进行约束，从而使混凝土柱三方受压，提高承载力和压缩能力。其优点有加固施工工艺流程简单，工期短、效率高，相对其他加固材料碳纤维复合材料本身重量轻，加固施工后几乎不改变原先结构的尺寸也不增加原结构自重。其缺点有碳纤维的抗拉弹性模量相对其强度过低，结构的适用荷载内无法充分利用碳纤维的强度，价格相对较高，对于一些特殊情况无法适用（图4）。

2结构加固对比研究

2.1工程案例

本工程是位于南京市某小学的教学楼，其建筑层数四层，主体结构为砖混结构如图5所示，平面呈长方形布置，总长度32.0 m，总宽度为8.48 m，教室区域主梁跨度为6.2 m，开间为4.0 m，总建筑面积为1 186 m2。该工程始建于20世纪70年代末，建造时间较长，但仍处于正常使用状态，经相关人员鉴定，该工程上部承重结构布置基本合理，墙体不空鼓、无严重酥碱和明显歪闪现象，支撑大梁的墙体无竖向裂缝，承重墙、自承重墙及其交接处无明显裂缝结构选型及传力路线正确，符合现行规范要求。经计算发现部分墙体承载力不足，外墙四角，错层部位横墙与外纵墙交接处，较大洞口两侧，大房间内外墙交接处，楼梯间四角缺乏构造柱，因此对该工程进行框架柱加固是必要的。

2.2选用的加固方式

选用新增柱法与粘贴钢板加固法进行加固。这两种方法均是较为传统的加固方法，施工技术娴熟，施工过程简洁明了，施工工艺简单，适应性强。而经济性方面，这两种方法所用建材原材料普遍，生产成本低，效益高，适用于教育建筑加固施工，故有很强的实际操作性。

2.3模拟计算

本文采用有限元软件对该工程进行模拟计算。先按照图纸建立五层框架结构的三维模型（图6），其次，在每层随机选择五根柱子1到5号用钢板加固法进行加固，再在如图7所示位置添加新的框架柱，最后对比分析加固前后的加固效果。

2.4结果分析

2.4.1承载力分析

该工程加固框架柱，观测单一柱构件数据变化并不明显，因此选择分析整个楼层加固前后数据进行分析。本文以建筑底层数据为例，加固前底层X向楼层抗剪承载力为8.675 8×103 kN，Y向楼层抗剪承载力1.0132×104 kN，X向楼層最大位移为0.77 mm，Y向楼层最大位移0.58 mm；加固改造后底层X向楼层抗剪承载力为8.7406×103 kN，Y向楼层抗剪承载力为1.0190×104 kN，X向楼层最大位移为0.79 mm，Y向楼层最大位移0.6 mm，满足规范不大于3600/550=6.5 mm要求。

从X向楼层抗剪承载力来看，加固前后变化不大；从Y向楼层抗剪承载力来看，加固后楼层承载力明显增大。楼层抗侧力结构的层间受剪承载力不小于其相邻上一层受剪承载力的80%，满足规范要求。表1为楼层承载力分析表。

2.4.2轴压比分析

以第一层为例，随机选取五根框架柱，对其轴压比进行加固前后对比分析，由表2可知为1-4号框架柱的轴压比在加固后均有不同程度的降低，5号框架柱的轴压比在加固前后变化较小。轴压比作为剪力墙抗震设计中的关键参数，反应了柱的受压情况，是衡量加固效果的重要标准。该建筑在经过改造加固后，抗震能力得到有效提升，根据GB 50010楼层最大位移0.58 mm0.6 mm-2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》中对框架结构的柱轴压比限值要求，该建筑在加固后达到一级抗震水平。

3工程经济分析

表3是对柱的两种不同加固方式在材料费用上的统计，新增柱法不仅需要大量混凝土和钢筋也对施工人員、施工技术有一定的考验，新增钢筋混凝土柱需现场浇筑，大量湿作业在改造中不方便施工，工期较长，耗费的人力物力较多，粘贴钢板法不仅在材料上相对简单，且钢板具有良好的延性几乎不改变原结构的荷载和截面尺寸，在施工技术上也相对成熟，现场制作方便简单，人工成本较低，工期相对较短。对于钢筋混凝土框架结构中柱的加固处理，本方案具有较高可行性，解决了此类建筑结构老化问题，延长了其使用寿命，提高了教育建筑的安全度，在经济上也乐观可行。

4总结

针对既有的教育建筑实际工程进行了两种加固方式的分析对比，现得出以下结论：

（1）从承载力角度来看，与加固之前相比较，新增柱法加固效果直接明显，该建筑承载力的提高以及轴压比的减小表明新增柱法和钢板加固法均在一定程度上对结构起到了有效的加固作用。

（2）从经济角度来看，对比粘贴钢板法，新增柱法消耗的人力物力较多，费用较高。

（3）从施工周期来看，由于该建筑为教育建筑，施工周期内无法满足教室的正常使用，而粘贴钢板法既能起到一定加固效果，且工期较短。若预算充足且施工时间充裕，则可选择新增柱法，若预算或施工时间有限，则可选择粘贴钢板法。

参考文献

［1］李京玲，宋伟.钢-混凝土组合结构在结构柱加固中的应用研究［J］.山西建筑，2011，37（27）：42-44.

［2］欧阳伟波. 钢筋混凝土柱加固技术研究现状和发展趋势［J］. 城市建筑， 2015（20）：2.

［3］贺康，邓志健.大跨度预应力结构柱混凝土置换加固技术方案与应用［J］.建筑结构，2021，51（S1）：1700-1703.

［4］赵昱璐，刘红波. 钢结构梁柱节点加固方法研究进展［C］//.第二十二届全国现代结构工程学术研讨会论文集.2022：178-181.

［5］刘延峰.混凝土结构、砌体结构、钢结构加固设计［J］.四川建材，2011，37（1）：57-58+60.

［作者简介］王怿凡（2002—），男，在读本科，研究方向为土木工程；贾慧娟（1985—），女，博士，讲师，研究方向为结构工程；徐千雅（2002—），女，在读本科，研究方向为土木工程；阚扬（2002—），男，在读本科，研究方向为土木工程。