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。

1. 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1s A 与原结构施工图中梁实际配筋面积0s A 进行对比：

1.2.1 如1s A ＞0s A ，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，应将其按结构区段加固另行考虑。

1.2.2 如0.90s A ≤1s A ≤0s A ，则可将本次计算模型直接作为参考

模型，进行下一步计算。

1.2.3 如1s A ≤0.90s A ，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：——0s A 为原梁正截面受弯抗拉实际配筋面积；

——1s A 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2c U 与参考模型中对应框架柱轴压比1c U 进行对比分析。如

05.012≤-c c U U ，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2s A 与原结构施工图

中梁实际配筋面积0s A 进行对比，再结合结构构件特性选取加固方

法：

1.4.1 如所有构件2s A ≤0s A ，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0s A ≤2s A ，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0s A ≤2s A ≤04.1s A ，该梁跨高比大于4，且长期使用的环境温

度不高于60℃，不处于特殊环境(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f f y s y s fe f f A f A A ψ0002-=

初步计算加固碳纤维布有效截面面积fe A 。

其次，采用b f a A f A f A f x c s

y fe f f s y 010000'-+=ψ,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

()()000000122h h A f a h A f x h bx f a M s y s y c --'-'+??

? ??-≤。 最后，将fe A 带入《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）

中第9.2.4条计算实际应粘贴碳纤维布截面面积f A ，并根据梁截

面尺寸和市场材料提供信息选择碳纤维布加固宽度和层数。

其中：——9.0=f ψ为考虑二次受力碳纤维布强度折减系数；

——fe A 为加固碳纤维布有效截面面积；

——0y f 为原钢筋强度设计值；

——2s A 为加载后第二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积；

——0s A 、0s A '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； ——2M 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值； ——0c f 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； ——0h 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。 1.4.3 如0s A ≤2s A ≤04.1s A ，长期使用的环境温度不高于60℃，不处于特殊环境(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sp sp y s y s sp f f A f A A ψ0002-=初步计算加固钢板有效截面面积sp A 。 其次，采用b f a A f A f A f x c s y sp sp sp s y 010000'-+=ψ,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()()000000122h h A f a h A f x h bx f a M s y s y c --'-'+??? ??-≤。 最后，根据sp A 、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：——9.0=sp ψ为考虑二次受力钢板强度折减系数； ——sp A 为加固钢板截面面积； ——0y f 为原钢筋强度设计值； ——2s A 为加载后第二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积； ——0s A 、0s A '为原梁正截面受弯抗拉、抗压实际配筋面积； ——sp f 为加固钢板抗拉强度设计值；

——2M 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值； ——0c f 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； ——0h 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0s A ≤2s A ≤04.1s A ，且不宜采用粘贴碳纤维和钢板的方法加固；或04.1s A ≤2s A 。则该梁宜采用梁底加大截面的方法进行加固处理（新增混凝土强度比原构件强度提高一个等级）。 首先，采用差值法y s y s y s s f a f A f A A 0002-=初步计算新增钢筋有效截面面积增s A 。 其次，采用b f a A f A f a A f x c s y s y s s y 010000'-+=增，计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??? ??'-'+??? ??-+??? ??-≤a x A f x h bx f a x h A f a M s y c l s y s 2220000102增。 最后，根据增s A 、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：——9.0=s a 为新增钢筋强度利用折减系数； ——增s A 为新增受拉钢筋截面面积； ——0y f 为原钢筋强度设计值； ——2s A 为加载后第二次计算时，梁正截面受弯抗拉钢筋计算面积； ——0s A 、0s A '为原梁正截面受弯抗拉、抗压实际配筋面积； ——y f 为新增钢筋强度设计值； ——2M 为加载后第二次计算时，梁正截面最大弯矩值；

——0c f 为原梁混凝土抗压强度设计值；

——b 、0h 分别为加固前矩形截面梁的宽度和有效截面高度；

——l h 0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：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： 1) 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 某购物中心结构加载区域简易分析模型

2) 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1s A 与对应原结构施工图中梁实

际配筋面积0s A 进行对比。得出0.90s A ≤1s A ≤0s A ，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

3) 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2s A 与原结构施工图中梁实际配筋面积0s A 进行对比。发现除梁B 以外，其余梁配筋信息满足2s A ≤0s A ，不需加固。

图3 某购物中心新增设备荷载平面图

4) 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203.14mm N f c =，原梁钢筋强度设计值20300mm M f y =，原梁底实

际配筋202944mm A s =，原梁顶实际配筋201963mm A s

='，加固计算梁底配筋224042mm A s =。由于0204.1s S s A A A ≤≤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22300mm M f f =）的方法对其进行加固处理。

首先，采用差值法求的加固碳纤维布有效截面面积： 20

0022.1592300

9.030029443004042mm f f A f A A f f y s y s fe =??-?=-=ψ 其次，计算梁加固后混凝土受压区高度： b f a A f A f A f x c s y fe f f s y 010000'-+=

ψ mm 9.96450

3.140.119633002.15923009.02944300=???-??+?= 然后，验算加载后该梁最大正截面弯矩作用力：

()()000000162210635h h A f a h A f x h bx f a M s y s y c --'-'+??

? ??-≤?= ()()635700294430025700196330029.967009.964503.140.1-??--??+??

? ??-???= mm N 6104.746?=，满足要求。

最后，根据碳纤维单层厚度167.0=f t ，碳纤维弹性模量5105.2?=f E ，假设梁底粘贴碳纤维布层数3=f n 。

计算碳纤维布厚度折减系数: 9.075.0308000167.0105.2316.13080016.15≤=???-=-=f

f f m t E n k 计算粘贴碳纤维布宽度： mm b f 424167

.075.032.159=??=，取碳布粘贴宽度b=450。

2. 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：

2.4.1 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。

2.4.2 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。

2.4.3 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。

2.4.4 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计s A ，连接处设计配置钢筋直径

d 和根数n 。

根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2006）中第12.2.3条计算植筋基本锚固深度：bd y spt s f df a l 2.0=

计算钢筋最小植筋深度： {}10010max 42

min ；计d l d n A l s s ≥=π 2.4.5 参考单个构件加固步骤第1.4步，确定原结构梁构件是否需要加固

以及加固结果计算。

2.4.6 新增构件后原结构框架柱截面加固分析。

2.4.6.1 如框架柱各项配筋计算值小于原施工图实际配筋，则不需加固。

2.4.6.2 如框架柱仅箍筋计算值大于原施工图实际配筋，则可采用环向围

束碳纤维布得方法对其进行加固。

2.4.6.3 如框架柱仅角筋计算值大于原施工图实际配筋，则可采用外粘角

钢的方法对其进行加固。

2.4.6.4如框架柱轴压比计算值超出规范限值，则采用加大框架柱截面的

方法进行加固且需在计算模型中加大框架柱截面后重新计算。