某中學(xué)教學(xué)樓的改擴(kuò)建加固優(yōu)化設(shè)計(jì)

郎婷 惲波

(浙江工業(yè)大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州 310014)

1 工程概況

工程為一中學(xué)教學(xué)樓，位于浙江省杭州市，建于2003年，為現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，無(wú)地下室，地上5層，底層層高4.2 m，以上各層3.8 m，建筑總高度約19.400 m，總建筑面積約 8 690 m2，基礎(chǔ)形式為人工挖孔樁基礎(chǔ)。按2002系列規(guī)范(非抗震)進(jìn)行設(shè)計(jì)，建成后使用至今。根據(jù)現(xiàn)行2010版抗震規(guī)范，該地區(qū)設(shè)防烈度為6度，第一組。

圖1為原建筑平面圖，圖2為改擴(kuò)建后的建筑平面圖。改擴(kuò)建加固設(shè)計(jì)后續(xù)使用年限為50年。本工程主要的建筑改造內(nèi)容如下:

1)整體建筑改造成單廊式教學(xué)樓。

2)原有建筑外立面改造。

3)西面兩處從1層～5層各新增1個(gè)樓梯，北面和南面新增辦公房間。

4)拆除走廊以南和走廊以西的教室。

5)東北面1層～5層新增廁所。

6)屋頂增設(shè)坡屋面。

圖1 原教學(xué)樓平面布置圖

圖2 改擴(kuò)建教學(xué)樓平面布置圖

此改擴(kuò)建工程不僅改變了平面形狀、功能布置還包括立面加層，同時(shí)又涉及抗震規(guī)范的交替，使得需處理的情況和未定因素較多。

2 加固改造設(shè)計(jì)思路

1)在確定改造加固方案前，必須對(duì)已有結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查和可靠性鑒定分析，全面了解已有結(jié)構(gòu)的材料性能、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系以及缺陷和損傷等結(jié)構(gòu)信息，分析結(jié)構(gòu)的受力現(xiàn)狀和持力水平。

2)結(jié)構(gòu)改造加固方案的選擇應(yīng)充分考慮建筑、設(shè)備各工種的具體要求以及已有結(jié)構(gòu)實(shí)際現(xiàn)狀和加固后結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，盡可能實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計(jì)概念，保證加固后結(jié)構(gòu)體系方便使用，傳力線路明確，結(jié)構(gòu)可靠。

3)在確定加固方案時(shí)，盡量減少對(duì)原有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的拆除和損傷，對(duì)已有結(jié)構(gòu)或構(gòu)件，在經(jīng)結(jié)構(gòu)檢測(cè)和可靠性鑒定分析后，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和承載能力等有了全面了解的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量保留并利用其作用。拆除原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)保留的原有結(jié)構(gòu)部分可能帶來(lái)較嚴(yán)重的損傷，必須進(jìn)行拆除工作時(shí)，需制訂拆除方案和配備專業(yè)的施工人員，必要時(shí)需對(duì)方案進(jìn)行專家論證。

3 結(jié)構(gòu)整體抗震性能分析

本工程同時(shí)涉及改建和擴(kuò)建，如果考慮老規(guī)范是無(wú)法滿足要求和統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的，所以必須按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行擴(kuò)建和加固設(shè)計(jì)。根據(jù)抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，高中教學(xué)樓屬于重點(diǎn)設(shè)防類，應(yīng)按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度1度的要求加強(qiáng)其抗震措施，也就是說(shuō)在原非抗震構(gòu)造的基礎(chǔ)上要提高兩級(jí)到三級(jí)抗震設(shè)防來(lái)進(jìn)行構(gòu)造措施。

提高抗震性能最直接的方法是減小自重，原填充墻墻體材料使用的是非輕質(zhì)墻體，不利于抗震，同時(shí)由于平面隔墻位置變化以及立面效果的改變，處理方式是把原結(jié)構(gòu)的所有內(nèi)隔墻和外墻全部拆除，采用輕質(zhì)砌塊，要求容重不大于7.0 kN/m3。

結(jié)構(gòu)整體抗震性能最直觀的體現(xiàn)在建筑物布置的規(guī)則性上，原建筑為L(zhǎng)形的平面不規(guī)則建筑;改建方案為“口”形平面，“口”形平面中包含了改建和新建兩部分，為了使結(jié)構(gòu)平面強(qiáng)度和剛度勻稱而不出現(xiàn)特別薄弱的部分，采用設(shè)置抗震縫的方法來(lái)對(duì)平面進(jìn)行劃分，把“口”形平面分成四個(gè)部分(見(jiàn)圖2)，使各個(gè)部分的平面和立面規(guī)則，利于抗震?？拐鹂p的設(shè)置也把原本繁雜的改造內(nèi)容分區(qū)分塊，變得易于實(shí)現(xiàn)。

對(duì)分縫后的結(jié)構(gòu)用SATWE有限元軟件進(jìn)行抗震性能整體分析，對(duì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、梁、柱、板等構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，情況如下:

1)原結(jié)構(gòu)梁布置不變處，板配筋基本能滿足要求，但是在改建部分和原結(jié)構(gòu)的交界處，會(huì)有個(gè)別板支座負(fù)筋不夠。

2)原框架梁的縱筋配筋富余較大，新增隔墻處下的次梁擱置處，以及使用功能改變處，部分框架梁的箍筋不夠。

3)柱軸壓比基本能滿足要求，但分兩種情況，部分是抗彎縱筋和箍筋都不足，部分是縱筋滿足要求但箍筋不足。

4)柱位不變處，原人工挖孔樁承載力能滿足要求;柱位變化較大處，需增加樁數(shù)，但是在新舊結(jié)構(gòu)交接處，如何利用原樁成為一個(gè)問(wèn)題。

抗震加固的目的不僅僅是為了使各個(gè)構(gòu)件的配筋能夠滿足要求，更重要的是提高構(gòu)件的抗震性能，而抗震性能體現(xiàn)在強(qiáng)度、延性、整體性以及傳力途徑四個(gè)方面，所以在選擇加固方法的時(shí)候需要更多的比較與分析。

4 加層方案的選擇

屋頂增設(shè)坡屋面方案采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)，比較如下:

1)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)剛度統(tǒng)一，造價(jià)低，堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)，但是自重增加較大，可能會(huì)引起基礎(chǔ)承載力不夠和下部的柱子軸壓比不足的問(wèn)題。

2)鋼結(jié)構(gòu)自重小，施工周期短，但是可能會(huì)有剛度突變等不利影響。

從對(duì)原結(jié)構(gòu)影響較小的角度出發(fā)，本工程的加層采用鋼結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)，鋼構(gòu)件與混凝土連接處的尺寸必須進(jìn)行測(cè)量，量體裁衣。為了減小對(duì)原建筑構(gòu)件的影響，鋼柱布在框架柱上，柱腳采用鉸接，避免對(duì)原框架柱產(chǎn)生附加彎矩和剪力。

5 加固設(shè)計(jì)

5.1 三種常用加固方式的比較

1)外粘型鋼法(即濕式外包鋼法);2)粘貼鋼板法;3)粘貼碳纖維法。

從20世紀(jì)90年代國(guó)家就已發(fā)布有關(guān)加固的推薦性標(biāo)準(zhǔn)，在這期間不斷有新的加固技術(shù)面世，以混凝土的直接加固法而論，濕式外包鋼法與粘貼鋼板法以及粘貼碳纖維法這三種加固方法效果好，應(yīng)用廣泛且技術(shù)相對(duì)成熟，在混凝土結(jié)構(gòu)的加固工程中，往往不可避免的采用這三種方式中的一種或幾種。但是一個(gè)加固工程如何真正能做到合理、經(jīng)濟(jì)、適用，還需要靈活的應(yīng)用。

表1從各角度對(duì)比了濕式外包鋼法與粘貼鋼板法以及粘貼碳纖維法這三種加固方法各自的特點(diǎn)，為選用提供依據(jù)。

表1 三種常用加固方式對(duì)比

5.2 碳纖維加固對(duì)大偏壓柱的影響

從表1可以看出，碳纖維加固能夠增加延性的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)很突出，但是否也能對(duì)大偏壓柱的軸壓比和配筋產(chǎn)生影響，本人認(rèn)為至少可以從以下幾點(diǎn)來(lái)闡述:

1)約束混凝土可使混凝土強(qiáng)度提高，因?yàn)樘祭w維的高強(qiáng)度決定了最終圍壓的大小，高彈性模量決定了提供圍壓的剛度。

2)約束混凝土可使混凝土極限變形提高。

3)柱的抗剪承載力可以提高(尤其對(duì)于短柱和抗震非常有用)。這三點(diǎn)的提高，可使柱中的混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系發(fā)生變化，變高，變長(zhǎng)，體現(xiàn)在截面設(shè)計(jì)中就是構(gòu)件的極限曲率大了，軸壓比限值和相對(duì)受壓區(qū)高度限值都能夠相應(yīng)放松;混凝土強(qiáng)度提高，柱配筋也相應(yīng)減小。

5.3 柱、梁、板的加固

1)部分框架柱在地震作用下抗彎縱筋不足，且實(shí)際配筋面積與驗(yàn)算所需配筋面積差距較大，因而采用外包鋼法，用角鋼的有效截面面積代替需要增加的縱筋面積?？v筋能夠滿足要求的情況下，尚有箍筋不夠的情況則采用碳纖維加固的方法。

2)主梁的加固。12 m跨度的框架梁，截面400×960，原次梁位置不變，增加分隔墻，不影響使用功能的前提下，新增次梁采用鉸接支座，植筋僅作為固定作用，避免了采用剛接節(jié)點(diǎn)時(shí)的種種弊端，見(jiàn)圖3?？蛄涸浣顫M足梁受彎承載力要求，但次梁擱置處需進(jìn)行抗剪加固，U形箍?jī)啥送赓N100 mm寬壓條進(jìn)行錨固，見(jiàn)圖4。

3)板采用碳纖維加固，出現(xiàn)在新舊結(jié)構(gòu)交界附近的支座處，采用單層碳纖維布粘貼于板面，寬度為100 mm，軸線距離為500 mm。

圖3 新增次梁與框架梁的搭接

圖4 碳纖維加強(qiáng)箍

5.4 基礎(chǔ)的加固設(shè)計(jì)

在本次的加固改造中，人工挖孔樁是一個(gè)有利的條件，直徑較大，抵抗側(cè)向變形能力較強(qiáng)，具有較好的穩(wěn)定性，承載力也有富余，但個(gè)別位置的樁位布置在改造設(shè)計(jì)中也有新的問(wèn)題，見(jiàn)圖5?！?2軸～○13軸間為走廊，○12軸和○13軸上有填充墻，如果僅僅在原基礎(chǔ)平面上增大基礎(chǔ)面積，承載力沒(méi)有問(wèn)題，但是在拆除填充墻的卸載過(guò)程和以后的加載過(guò)程中如何保持結(jié)構(gòu)的自穩(wěn)定成為一個(gè)新的問(wèn)題，兩柱一樁如天平般的平衡狀態(tài)勢(shì)必會(huì)被破壞。為解決這一問(wèn)題，圖6的改造方案在原承臺(tái)兩側(cè)各增設(shè)人工挖孔樁，增大承臺(tái)范圍，形成聯(lián)合承臺(tái)。

圖5 原基礎(chǔ)平面

圖6 改造基礎(chǔ)平面

圖7 新老承臺(tái)的連接

圖8 抗剪槽的做法

5.5 新舊承臺(tái)的連接以及抗剪槽

結(jié)構(gòu)加固的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是新舊結(jié)構(gòu)之間的協(xié)同工作以及新舊結(jié)合面的連接問(wèn)題。

與天然基礎(chǔ)的按地基承載力計(jì)算底面積不同，多樁承臺(tái)的底面積一般按構(gòu)造要求，對(duì)承臺(tái)高度則需進(jìn)行沖切和抗剪驗(yàn)算。在條件允許的情況下，新舊承臺(tái)的連接可以在不進(jìn)行鋼筋錨固的情況下實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也避免了新樁與老承臺(tái)的連接問(wèn)題。本工程原承臺(tái)標(biāo)高－2.900，室外地坪的設(shè)計(jì)標(biāo)高－0.900，在舊承臺(tái)頂面上重新增加新承臺(tái)不影響使用功能，如圖6，圖7所示。

混凝土規(guī)范中的抗剪驗(yàn)算，是解決斜截面抗剪的問(wèn)題，新舊混凝土面的連接不是斜截面抗剪的問(wèn)題，而是直截面“抗滑移”的問(wèn)題，規(guī)范沒(méi)有解決，但是在加固設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這個(gè)問(wèn)題。新舊混凝土界面設(shè)置“抗剪鍵”，做法是新增界面的中部位置老界面鑿毛時(shí)向內(nèi)鑿出200寬25深的抗剪槽，界面鑿毛后清除浮灰及松動(dòng)殘?jiān)?，涂刷混凝土界面劑后澆筑新增混凝土，新增梁混凝土?qiáng)度等級(jí)比原結(jié)構(gòu)大一級(jí)，見(jiàn)圖8。

6 結(jié)語(yǔ)

此項(xiàng)改擴(kuò)建工程的改造內(nèi)容較多，以擴(kuò)建為主，但擴(kuò)建部分又摻雜在改建的部分里面，看起來(lái)似乎各個(gè)部分的設(shè)計(jì)細(xì)碎而無(wú)規(guī)律，但是在明確了改造思路和改造目標(biāo)后，設(shè)計(jì)主要圍繞抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)、加固方式的合理選擇和原結(jié)構(gòu)的利用三個(gè)方向來(lái)進(jìn)行，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程簡(jiǎn)化而有序。

［1］史鐵花.《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》疑問(wèn)解答［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［2］劉 春，李克讓，孫長(zhǎng)水.建筑加固改造工程案例分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［3］GB 50367-2006，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.