某大型商業(yè)中庭托梁拔柱改造設(shè)計

魏志強

（佛山南方建筑設(shè)計院有限公司 廣東佛山528000）

1 工程概況

某大型商業(yè)體原設(shè)計為購物中心，主要經(jīng)營模式為大型百貨。商業(yè)體為地下4 層（B4 層～B1 層），地上6 層（Lg 層、L1～L5 層）?；A(chǔ)采用獨立基礎(chǔ)，持力層為中風化巖石。原設(shè)計的樓層功能如下：地下室B1 層以下為停車庫，B1 層為超市，Lg～L4 層為百貨商場，L5層為會所的大空間宴會廳。

商業(yè)體未改造之前已投入使用3年，由于近些年電商等線上銷售模式的沖擊，運營商根據(jù)市場需求把該商業(yè)體業(yè)態(tài)調(diào)整為餐飲、兒童娛樂場所，為了符合新的定位調(diào)整，商業(yè)體大規(guī)模增改了中庭動線，具體的建筑改造方案如圖1 所示。其涉及主體結(jié)構(gòu)方面的改造主要為拔柱、增擴中庭洞口、局部洞口封堵、廚房區(qū)域荷載等。

2 改造重點、難點

從圖1 可知，中庭洞口增擴范圍已包含了原結(jié)構(gòu)柱Z1（A-7 軸交A-K 軸）、Z2（A-10 軸交A-K 軸）,故需要拆除這兩根柱。由于建設(shè)方要求L4～L5 層樓屋蓋不能拆除，且不得影響中庭上方宴會廳的正常營業(yè)，因此不能采取“拆除改造涉及區(qū)域內(nèi)全部結(jié)構(gòu)梁板柱后新澆”的方案。受限于上述條件，本工程存在以下幾個改造難點和重點：⑴在不破壞中庭洞口周邊支撐柱的情況下，如何實現(xiàn)新方案中庭洞口形成的近10 m 懸挑；⑵如何保證中庭上方L5 層會所在拔柱后的正常使用；⑶如何設(shè)計改造加固施工順序以確保改造的可行性。

圖1 中庭改造前后建筑方案Fig.1 Architectural Plan before and after the Atrium Reconstruction

另外由于中庭洞口周邊支撐柱的受荷范圍增加，造成Lg 層部分型鋼轉(zhuǎn)換梁截面不滿足計算要求，需考慮如何在盡量不影響B(tài)1 層超市運營的情況下，完成型鋼轉(zhuǎn)換梁的加固設(shè)計。

針對改造加固中的重點、難點，本文進行了分析設(shè)計，具體詳見第3 節(jié)。

3 主要改造構(gòu)件的改造加固方法

3.1 基礎(chǔ)的加固

本工程基礎(chǔ)由于部分支撐柱受荷范圍增加，造成部分獨立基礎(chǔ)存在地基承載力滿足要求，但抗剪截面不滿足規(guī)范要求的情況。結(jié)合上述特點，采用增大柱截面的方式進行加固，該方案不但便于施工，還可避免擾動原地基持力層。經(jīng)計算，柱每側(cè)加大約100～200 mm 即可滿足計算要求，也能滿足建筑使用功能要求。

3.2 梁板柱的加固

梁板柱加固方式[1-3]主要有：增大截面加固法、置換混凝加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復(fù)合材料加固法、外包型鋼加固法和體外預(yù)應(yīng)力加固法等。

根據(jù)工程特點，本工程框架柱采用增大截面加固法以保證加固構(gòu)件的可靠性和耐久性；對于普通結(jié)構(gòu)梁的加固，根據(jù)實際情況分以下情形實施：⑴箍筋不足、截面不足、框架梁面筋不足時采用增大截面加固法；⑵框架梁底筋、次梁縱筋不足時，優(yōu)先采用粘貼鋼板加固法以便施工，根據(jù)文獻[1]要求，當加固后正截面承載力提高幅度需大于40%時，改用增大截面加固法。⑶對樓板采用粘貼鋼板加固法。

3.3 中庭新增大跨度懸挑梁的改造設(shè)計

中庭洞口形成的約6～10 m 懸挑，由于支撐柱不能鑿掉重做，如采用常規(guī)植筋方式，會存在以下問題：⑴植筋膠耐久性差，用于受拉縱筋錨固時可靠性差，業(yè)內(nèi)一般不用于結(jié)構(gòu)梁受拉縱筋的錨固，懸挑梁由于是靜定結(jié)構(gòu)更應(yīng)慎用植筋錨固；⑵如采用植穿結(jié)構(gòu)柱+緊固螺帽的錨固方式，由于內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)梁的存在會導(dǎo)致現(xiàn)場施工困難；⑶植筋錨固對結(jié)構(gòu)柱節(jié)點損傷大，按800 mm×1 600 mm 截面試算9～10 m 跨懸挑梁，其支座面筋計算值約100 cm2，約21 根φ25 鋼筋，在滿足植筋間距要求[1]的條件下，面筋層數(shù)多達4 層，其相應(yīng)的鉆孔將對結(jié)構(gòu)柱節(jié)點帶來很大損傷。

另外由于設(shè)備管線走線的要求，懸挑梁梁高應(yīng)控制在800 mm 以內(nèi)。擬采用方案如下：⑴預(yù)應(yīng)力懸挑梁；⑵端部加高的普通鋼筋混凝土變截面懸挑梁?？紤]到800 mm 梁高所能布置的預(yù)應(yīng)力筋角度小會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋效率低、預(yù)應(yīng)力施工困難等因素，本工程采用施工較簡單的方案2。方案2 變截面做法如下：梁端部約3～4 m 范圍梁高800 mm 以便設(shè)備管線鋪設(shè)；當懸挑跨度為6～8 m 時，梁根部約3～4 m 范圍加高至1 500 mm；當懸挑跨度為8～10 m 時，梁根部約3 m 范圍加高至1 600 mm，中間約3 m 范圍加高至1 200 mm。改造前后典型的中庭結(jié)構(gòu)布置圖如圖2 所示。

圖2 中庭改造前后典型結(jié)構(gòu)布置Fig.2 Typical Structural Arrangement before and after the Atrium Reconstruction

對于懸挑梁面筋錨固問題，經(jīng)調(diào)研和借鑒以往其他設(shè)計人員經(jīng)驗后，采用支撐柱端兩側(cè)加柱托后伸出雙懸挑次梁的改造方式。雙懸挑次梁以及柱托的做法如圖3 所示。此做法優(yōu)點如下：⑴懸挑梁面筋少，方便施工；⑵面筋錨入新增混凝土內(nèi)，可靠性高；⑶對支撐柱損傷小。

圖3 支撐柱柱托和懸挑次梁改造平面及剖面圖Fig.3 Reconstructive Plane Diagram and Profile Sample of Column Cap and Cantilever Secondary Beam

長懸挑構(gòu)件[4]除應(yīng)按承載力設(shè)計鋼筋外，還須重點驗算其撓度，根據(jù)文獻[4]3.4.3 條懸挑梁撓度應(yīng)小于l0/400（l0按實際懸臂長度2 倍計算）。本工程中庭長懸挑構(gòu)件的編號和彈性撓度如圖4所示。從計算結(jié)果可知，XL1～XL7 中彈性撓度與跨度的最大比值約為4.3/11 000=1/2 558。

圖4 準永久組合工況下中庭懸挑構(gòu)件的彈性撓度圖Fig.4 Elastic Deflection Diagram of Cantilever Members in Atrium Area under Quasi-permanent Combination Conditions

根據(jù)文獻[4]7.2.3-1 式，偏保守取鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)ψ=1.0，受拉鋼筋配筋率ρ=0.02，rf′=0，得BS=EsAsh02/2.15，結(jié)合文獻[4]7.2.2 以及7.2.5 條，不考慮受壓縱筋有利影響，懸挑構(gòu)件的長期撓度約為有限元計算彈性撓度的2.4×2.15=5.16 倍。綜上懸挑梁撓度與跨度的最大比值約為1/495，滿足規(guī)范要求，可知本工程采用的長懸挑構(gòu)件的設(shè)計是安全合理的。

為限制長懸挑構(gòu)件的撓度絕對數(shù)值，參考文獻[5]3.4.3 條，本工程對外挑長度大于4 m 的新增懸挑梁均要求按l0/600 進行起拱（含施工起拱）。此外為了施工安全，中庭洞口周邊懸挑梁均要求拆模后回頂。

3.4 轉(zhuǎn)換構(gòu)件的加固

由于中庭洞口周邊支撐柱的受荷面積增加，造成Lg 層有1 根變截面型鋼轉(zhuǎn)換梁KZL5a 截面尺寸、縱筋不滿足計算要求。KZL5a 梁原截面900 mm×1 200 mm，變截面加高范圍為900 mm×1 500 mm, 內(nèi)埋800 mm×400 mm×35 mm×50 mm 的Q345 型鋼。為盡量不影響B(tài)1 層超市凈高和運營，對其采用如下加固方式相結(jié)合的方案[6-8]：⑴增大截面，梁寬每側(cè)加寬150 mm，梁高統(tǒng)一加高至1 800 mm。⑵為控制梁底裂縫，在保證新增底部鋼筋滿足計算條件的情況下，對梁底部、側(cè)下方增設(shè)鋼板。具體的加高方案如圖5 所示。由于增加了梁高，混凝土內(nèi)型鋼布置由對稱變?yōu)榉菍ΨQ，原混凝土內(nèi)縱筋受力變小。為了考慮上述變化影響，安全經(jīng)濟的設(shè)計新增底部縱筋和鋼板，本文采用SAP2000[9]截面設(shè)計器進行了設(shè)計復(fù)核，并依據(jù)文獻[5-8]對梁底抗剪連接件承載力以及柱邊梁底受拉承載力進行了驗算。SAP2000 截面設(shè)計器是基于有限元的分析方式，能準確分析復(fù)雜截面（含組合截面）在各彎矩下的鋼筋、鋼材、混凝凝土應(yīng)力應(yīng)變，并給出截面的極限彎矩、設(shè)計彎矩。為節(jié)省篇幅，本文僅列出轉(zhuǎn)換梁原1 500 mm 高的梁端底筋的加固計算簡圖（見圖6）和復(fù)核結(jié)果（見圖7）。

圖5 KZL5a 梁加固方案示意圖Fig.5 Schematic Diagram of KZL5a Beam Reinforcement Plan

圖6 KZL5a 右側(cè)跨中加固計算簡圖Fig.6 Calculation Diagram of Reinforcement at the Bottom of KZL5a Beam

結(jié)果表明，新增底部縱筋和鋼板滿足受彎要求，栓釘、梁柱節(jié)點設(shè)計滿足受力要求。梁抗剪承載力驗算以STAWE 計算結(jié)果為主，并根據(jù)規(guī)范驗算截面尺寸的富裕度，結(jié)果表明轉(zhuǎn)換梁加固后截面尺寸富裕度不小于1.2。

圖7 KZL5a 梁跨中加固后受彎承載力復(fù)核結(jié)果Fig.7 Checking Results of Medium-span Flexural Bearing Capacity of KZL5a Beam after Reinforcing

3.5 屋蓋的加固

在拆除中庭結(jié)構(gòu)柱Z1 和Z2 之后，為確保上方L5 層樓蓋形成的18 m 跨大梁（見圖8）不出現(xiàn)影響使用和美觀的過大撓度裂縫，本工程采用增加大截面法和體外預(yù)應(yīng)力相結(jié)合的加固方法[10，11]。因原柱需待新梁施工完成后截斷，故原柱范圍內(nèi)的縱筋和預(yù)應(yīng)力筋需精心設(shè)計，采用原柱開圓孔穿筋的方式，具體做法如圖9 所示。預(yù)應(yīng)力筋、縱筋均按各自能滿足承載力要求設(shè)計，預(yù)應(yīng)力筋張拉應(yīng)力按截斷柱時待截斷柱內(nèi)力接近于零控制，且要求不得超張拉。

圖8 中庭上方大跨度梁加固剖面示意圖Fig.8 Section Diagram of Strengthened Long Span Beams Which is above the Atrium

圖9 原柱開圓孔穿筋做法示意圖Fig.9 Diagram of Drilling Round Holes and Reinforcing Bars on Columns

4 改造加固施工順序設(shè)計

結(jié)構(gòu)構(gòu)件在建筑建成之后都已進入受力狀態(tài)，對于主要受力構(gòu)件的改造加固往往是牽一發(fā)動全身，甚至引發(fā)安全事故，因此有必要在充分考慮結(jié)構(gòu)傳力路徑和施工條件的情況下，制定改造加固施工順序。在框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)以及框剪結(jié)構(gòu)或框支結(jié)構(gòu)中，主要的傳力路徑是自上而下：樓板→梁→墻柱→基礎(chǔ)→地基；對于這類結(jié)構(gòu)一般的改造加固順序自下而上：地基→基礎(chǔ)→墻柱→梁→樓板，橫向則需要針對不同的對象特點來具體安排。對于復(fù)雜改造加固項目應(yīng)制定改造加固施工順序圖，以正確指導(dǎo)施工，避免工程事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

本工程商業(yè)體中庭目前已順利完成結(jié)構(gòu)主體改造加固。通過該改造工程的設(shè)計，得出幾點建筑改造加固設(shè)計的心得，以供設(shè)計人員參考：

⑴由于現(xiàn)實條件制約，改造加固設(shè)計需綜合既有建筑原設(shè)計條件（圖紙）、建筑實際運營情況、建筑周邊環(huán)境以及施工可行性等因素開展，其設(shè)計難度遠大于新建建筑的設(shè)計，這就需要設(shè)計人員在熟悉現(xiàn)有改造加固技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合客觀條件充分發(fā)揮主觀能動性去解決其中難點重點。

⑵本工程中庭新增大跨度懸挑部分，采用柱端兩側(cè)加柱托后伸出雙懸挑次梁的改造方式，避免了支撐柱因大量植筋損傷結(jié)構(gòu)柱節(jié)點、面筋植筋可靠性低的情況。經(jīng)計算分析和現(xiàn)場施工反饋，該懸挑改造方式可行且可靠性較高。

⑶由于鋼筋混凝土構(gòu)件的受剪破壞往往是脆性的，作為關(guān)鍵構(gòu)件轉(zhuǎn)換梁的抗剪截面、新舊材料、不同材料之間界面抗剪承載力的驗算應(yīng)重點分析設(shè)計。對于特殊截面或組合截面的受彎承載力驗算應(yīng)采取有效分析方法復(fù)核。本文采用基于有限元的SAP2000 截面設(shè)計器進行受彎承載力分析復(fù)核，分析結(jié)果表明加固梁受彎承載滿足要求。

⑷涉及豎向構(gòu)件拆除的改造加固工程，設(shè)計人員應(yīng)分析豎向構(gòu)件拆除前后結(jié)構(gòu)的傳力順序和路徑，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計改造加固施工順序。對于復(fù)雜項目的改造，建議繪制改造加固施工順序圖以指導(dǎo)施工，避免工程事故的發(fā)生。