采用PKPM软件进行结构加固设计

1、采用 PKPM软件进行结构加固设计采用 PKPM 软件进行结构加固设计任思泽【摘要】现有建筑加固应遵循的原则是：结构安全、经济、有效、实用。合理利用 PKPM 结构计算软件对建筑结构加固进行有效分析并完成加固设计是这一原则的体现，本文中分别以单个构件加固、局部新增构件加固为例，结合本人的设计分析经验以供参考。单个构件加固由于现有建筑局部使用功能发生改变，导致现有建筑仅某个或某几个结构构件设计承载力不满足后续使用要求， 同时又在结构的整体承载能力和抗震能力范围之内。对于这种情况则只需对单个构件进行结构加固即可。设计步骤：1.1收集该建筑结构施工图。根据施工图中结构构件数据建立 PKPM 简易（一

2、个结构层）结构分析模型。为分析局部使用功能改变对同层相邻结构构件的影响，分析模型应包含使用功能改变区域相邻至少 1 个结构跨度范围内的结构构件。2.1输入该区域原建筑使用结构荷载， 完善各项计算参数 （材料强度参数设置同施工图说明；由于是局部加固计算，从偏安全考虑，各项参数原则上不应考虑折减） 。然后在 SATWE 计算模块中进行第一次计算，得出计算结果。最后将模型中所有正截面受弯构件计算梁配筋面积 As1 与原结构施工图中梁实际配筋面积As0 进行对比：如 As1 As0 ，则应考虑计算中是否有荷载参数出错，或该区域原使用荷载已经超出设计承载力要求。说明不再属于单个构件加固，应将其按结构区段

3、加固另行考虑。如 0.9 As0 As1 As0 ，则可将本次计算模型直接作为参考模型，进行下一步计算。如 As1 0.9 As0 ，则应考虑计算中是否有荷载参数出错。如已确认各项计算计算荷载参数正确。方可将本次计算模型作为参考模型，进行下一步计算。其中： As0 为原梁正截面受弯抗拉实际配筋面积； As1 为第一次参考模型计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积。1.3保留参考模型计算结果， 然后在参考模型中将原结构荷载改为建筑使用功能改变后的结构使用荷载。在不改变其余参数设置的情况下进行第二次 SATWE 计算，得出计算结果。将计算模型中框架柱轴压比 U c2 与参考模型中对应框架柱轴压比U

4、c1 进行对比分析。如U c 2U c10.05 ，可不考虑使用功能改变对建筑结构竖向作用力的影响；否则应建立多个结构层分析对下层结构的影响。1.4将模型中所有正截面受弯构件计算梁配筋面积As 2 与原结构施工图中梁实际配筋面积As0 进行对比，再结合结构构件特性选取加固方法：B1.4.1如所有构件 As 2 As0 ， 则表示该构件使用荷载在原构件设计承载力范围之内，不需加固。如模型中边跨梁构件 A As0 As2 ，则说明本次使用功能改变对相邻区域构件影响较大，则应扩大结构分析模型范围。1.4.2如 As0 As2 1.4 As0 ，该梁跨高比大于4，且长期使用的环境温度不高于 60，不处

5、于特殊环境 ( 如高温、高湿、介质侵蚀、放射等 ) 时，采用碳纤维布的方法对其进行加固。首先，采用差值法 AfeAs2 f y0As0 f y 0 初步计算加固ff f碳纤维布有效截面面积Afe 。其次，采用 xf y0 As0f f f Afef y0 As0 , 计算出梁加a1 fc0b固后混凝土受压区高度x 。然后，验算加载后该梁最大正截面弯矩作用力M 2 a1 f c0bx hxf y0 As0 h af y0 As0 h h0 。2最后，将 Afe 带入混凝土结构加固设计规范GB50367-2006）中第条计算实际应粘贴碳纤维布截面面积 Af ，并根据梁截面尺寸和市场材料提供信息选择

6、碳纤维布加固宽度和层数。其中： f 0.9 为考虑二次受力碳纤维布强度折减系数； Afe 为加固碳纤维布有效截面面积； f y0 为原钢筋强度设计值； As2 为加载后第二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积； As0 、As0 为原梁正截面受弯抗拉、抗压实际配筋面积； f f 为碳纤维布抗拉强度设计值； M 2 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值； fc0 为原梁混凝土抗压强度设计值； b 、 h 分别为矩形截面梁的宽度和高度； h0 为加固前截面有效高度； a 为纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离。如 As0 As2 1.4As0 ，长期使用的环境温度不高于60，不处于特殊环境 (

7、 如高温、高湿、介质侵蚀、放射等 ) ，且不宜采用碳纤维布加固时，采用可粘贴钢板的方法对其进行加固。首先，采用差值法 AspAs 2 f y 0As 0 f y 0 初步计sp f sp算加固钢板有效截面面积 Asp 。其次，采用 xf y0 As0sp f sp Aspf y0 As0 , 计算出a1 f c0b梁加固后混凝土受压区高度x 。然后，验算加载后该梁最大正截面弯矩作用力M 2 a1 f c0 bx hxh af y0 As0 h h0f y0 As02。最后，根据 Asp 、梁截面尺寸和市场材料供应情况选取加固钢板厚度及宽度。其中： sp 0.9 为考虑二次受力钢板强度折减系数；

8、 Asp 为加固钢板截面面积； f y0 为原钢筋强度设计值； As2 为加载后第二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积； As0 、As0 为原梁正截面受弯抗拉、抗压实际配筋面积； fsp 为加固钢板抗拉强度设计值； M 2 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值； fc0 为原梁混凝土抗压强度设计值； b 、 h 分别为矩形截面梁的宽度和高度； h0 为加固前截面有效高度； a 为纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离。1.4.4 如 As0 As2 1.4As0 ，且不宜采用粘贴碳纤维和钢板的方法加固；或1.4 As0 As2 。则该梁宜采用梁底加大截面的方法进行加固处理（新增混凝土强度

9、比原构件强度提高一个等级）。首先，采用差值法 AsAs2 f y0As0 f y 0初步计as f y算新增钢筋有效截面面积As增 。其次，采用 xf y0 As0as f y As增 f y0 As0，计a1 f c0b算出梁计算出梁加固后混凝土受压区高度x 。然后，验算加载后该梁最大正截面弯矩作用力M 2 as f y As增xxxah0la1 fc 0bx h0f y0 As0222。最后，根据 As增 、梁截面尺寸和市场材料供应情况选取加固梁截面配筋。其中： as 0.9 为新增钢筋强度利用折减系数； As增 为新增受拉钢筋截面面积； f y0 为原钢筋强度设计值； As2 为加载后第

10、二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积； As0 、As0 为原梁正截面受弯抗拉、抗压实际配筋面积； f y 为新增钢筋强度设计值； M 2 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值； fc0 为原梁混凝土抗压强度设计值； b 、 h0 分别为加固前矩形截面梁的宽度和有效截面高度； h0l 为加固后梁截面有效高度； a 为纵向受压钢筋合力点至截面近边的距离。1.5如果在第二次 SATWE计算结果出现超配筋现行， 则需在第二次计算模型中将该构件截面尺寸加大。然后再其余计算参数不变的情况下在 SATWE计算模块中进行第三次计算。【实例】：成都某购物中心财务办公室重要设备放置位置结构加固工程概况：

11、该购物中心为地下 1 层，地上 6+1 层框架结构，建于 2001 年，建筑面积达 26000 平方米。现需在原结构五层某两根主梁（图 1 中梁 A、梁 B）上分别放置 1 个和 9 个重要设备，单个设备最大使用荷载达 20kN（设备自重10kN，最大使用活载 10kN）。由于缺乏原结构设计计算数据，受设备加载直接影响的结构构件为一般构件且占整个建筑中同类结构构件的比例非常小，因此不便于也没必要对整个建筑结构进行抗震鉴定分析。本次加固亦属于构件加固，同时，不改变现有建筑结构的抗震设防等级、构造以及后续使用年限等。设计步骤：根据施工图中结构构件数据建立 PKPM 简易结构分析模型。图 1 某购物

12、中心结构加载区域简易分析模型根据建筑该区域原使用功能，输入结构使用荷载，并完善各项计算参数后，在然后在 SATWE 计算模块中进行第一次计算，得出计算结果。然后将各梁正截面受弯构件计算梁配筋面积 As1 与对应原结构施工图中梁实际配筋面积 As0 进行对比。得出 0.9 As0 As1 As0 ，故可将本次计算模型作为参考模型。图 2. 某购物中心参考模型中梁、楼面荷载平面图在参考模型中输入新增重要设备使用荷载。在不改变其余参数设置的情况下进行第二次 SATWE 计算，得出计算结果。最后将正截面受弯构件计算梁配筋面积 As2 与原结构施工图中梁实际配筋面积 As0 进行对比。发现除梁 B 以外

13、，其余梁配筋信息满足As 2 As0 ，不需加固。图 3 某购物中心新增设备荷载平面图梁 B 的加固计算：已知条件：梁宽 b=450，梁高 h=700，梁跨 l=8200mm，原梁混凝土抗压强度设计值 fc 014.3 N mm2 ，原梁钢筋强度设计值f y0 300 M mm2 ，原梁底实际配筋 As02944 mm2 ，原梁顶实际配筋 As01963mm2 ，加固计算梁底配筋 As2 4042mm2 。由于 As0 AS2 1.4As0 且处于 长期温度不应高于 60的 正常使用环境，故选择采用梁底粘贴碳纤维布（取f f2300 M mm2 ）的方法对其进行加固处理。首先，采用差值法求的加

14、固碳纤维布有效截面面积：AfeAs2 f y0As0f y 0404230029443002f f f0.92300159.2mm其次，计算梁加固后混凝土受压区高度：f y0 As0f f f Afef y0 As0 xa1 fc0b30029440.92300159.2300196396.9mm1.014.3450然后，验算加载后该梁最大正截面弯矩作用力：M2 635106a1 fc 0bxhxf y 0 As0 haf y 0 As0h h021.014.345096.9 70096.919637002530029447006353002746.4106 N mm ，满足要求。最后，根据碳

15、纤维单层厚度t f 0.167 ，碳纤维弹性模量 E f2.5 105 ，假设梁底粘贴碳纤维布层数 n f3。计算碳纤维布厚度折减系数 :kmn fE f t f32.5 1050.1670.750.91.161.1630800030800计算粘贴碳纤维布宽度：bf159.2424mm，取碳布粘贴宽度 b=450。30.750.167直径结构局部新增构件加固由于现有建筑平、立面发生改变，在现有建筑结构中新增部分结构构件，导致现有建筑结构局部区域构件荷载效应发生变化。对于此种情况应对建筑结构进行整体承载能力和抗震能力进行验算分析，并确定具体加固方案。设计步骤：2.1 收集该建筑原结构施工图。 根

16、据施工图中结构构件数据， 建立 PKPM 整体分析模型（模型中材料强度等参数等应参考该建筑原结构施工图说明）。2.2 为满足建筑平、 立面发生改变需求， 在 PKPM 整体模型中对应位置输入新增结构构件。2.3 根据建筑使用功能要求，在模型中输入结构使用荷载。2.4 在 SATWE 计算模块中进行计算，并得出计算结果。根据计算结果进行分析如下： 根据文本文件输出数据，分析结构局部新增构件后，建筑整体抗震能力是否满足抗震规范要求。若满足抗震要求，则进行下一步分析；若不满足，则通过调整模型中的构件尺寸或改变新增构件布局等方式解决。 在结构整体满足抗震要求的基础上， 查看构件配筋验算简图中是否有超配

17、筋现象。若无超配筋现象直接进行下一步分析；若有超配筋现象则应通过调整模型中的构件尺寸或改变新增构件布局等方式解决。查看构件配筋验算简图中新增构件与原结构构件连接处结构配筋。如配筋合理，便于通过植筋达到配筋要求，则以此次计算结果为依据选择选择新增构件结构配筋；如配筋较大，不易通过植筋达到配筋要求时，则减小模型中该处节点负弯矩调幅系数甚至将该处节点设为铰连接，然后再次计算得出结论并对其进行重新分析。新增构件与原构件连接处植筋计算。已知连接处设计配筋计算面积As计，连接处设计配置钢筋d 和根数 n 。根据混凝土结构加固设计规范 （ GB50367-2006）中第条计算植筋基本锚固深度：ls0.2aspt df