某商業(yè)建筑的改造和加固設(shè)計

張小連

（上海天華建筑設(shè)計有限公司， 上海 200235）

1 項目簡介

本項目原為商業(yè)用樓，位于上海市中心商業(yè)氣息濃厚、人流量大的某商圈，總建筑面積約為13000㎡。既有主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建造于1993年，地下一層，地上六層，地上標準層層高3.90m，總高度23.670m；平面尺寸為31.5m×46.0m，典型柱網(wǎng)尺寸為6.0m×6.0m，典型柱截面500mm×500mm，典型框架梁截面 250 mm *600 mm；次梁基本采用十字梁布置方案，主要截面為 250mm×400mm。采用樁筏基礎(chǔ)，200mm×200mm混凝土預(yù)制方樁，底板厚度450mm，基礎(chǔ)梁截面為600mm×1250mm。

1995年進行過增層擴建施工（如圖1.1），擴建后地下一層，地上七層，七層層高7.3m，局部含3.6m高的七夾層，現(xiàn)有建筑總高度31.0m，增加的七層混凝土框架柱與原框架柱進行剛性連接，屋頂為螺栓球鋼網(wǎng)架，網(wǎng)架與混凝土柱柱頭采用預(yù)埋件的平板支座方式進行連接。增層擴建后，房屋被出租給商戶使用，在租用過程中，房屋租戶根據(jù)其使用需求陸續(xù)在其租用空間內(nèi)進行過局部的結(jié)構(gòu)改造。

圖1.1 1995年增層擴建示意

項目本次改建后，主要用途為商業(yè)+辦公，地下室功能基本不變，一～四層作為商業(yè)，五～七層作為商務(wù)辦公區(qū)。原有框架柱網(wǎng)及大部分框架梁均保留；主要改建內(nèi)容如下：增設(shè)樓梯及電梯洞口；個別樓層中庭開洞范圍增大；原有洞口（如舊電梯、租戶私自改造開洞等）封堵；平面西南角建筑輪廓調(diào)整；七層平面局部立面收進。典型平面簡圖如圖1.2（三層平面）。

圖1.2 三層平面布置圖

2 既有設(shè)計資料及結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn)存的原有設(shè)計資料

現(xiàn)存的原有設(shè)計資料如下：1993年結(jié)構(gòu)施工圖；1995年加層改建后的結(jié)構(gòu)施工圖；缺少結(jié)構(gòu)計算書、地質(zhì)勘察報告、樁基承載力說明、小部分改建圖紙資料等。

2.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

檢測單位與設(shè)計單位對房屋當(dāng)前狀況進行了現(xiàn)場勘查與檢測，檢測結(jié)果表明：

（1） 房屋當(dāng)前平面布置及層高與原設(shè)計圖紙基本一致；

（2） 租戶在使用過程中進行過部分樓板開洞、增設(shè)樓梯等改造情況；

（3） 梁板柱配筋與原設(shè)計圖紙基本一致；

2.3 抗震鑒定報告

應(yīng)業(yè)主要求，上海市建筑科學(xué)研究院房屋質(zhì)量檢測站按照丙類建筑、7度抗震設(shè)防、B類建筑、三級框架的要求，對建筑物進行了相關(guān)鑒定，主要結(jié)論及建議如下：

（1） 樁基承載力：裝修改造后房屋使用功能未發(fā)生改變，使用荷載基本保持不變，沉降基本穩(wěn)定且無明顯不均勻沉降發(fā)生，可認為房屋樁基承載力滿足要求。

（2） 屋面鋼網(wǎng)架上下弦桿及腹桿強度、穩(wěn)定及長細比等基本滿足規(guī)范要求。

（3） 主體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施基本滿足《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）中B類建筑抗震性能標準的要求。

（4） 1～6層混凝土強度等級滿足原有設(shè)計C30的要求，擴建時加層部分實測混凝土強度等級C25，小于原設(shè)計強度標準值C30；

（5） 本次改造方案可行，建議改造時對結(jié)構(gòu)原有的抗震薄弱環(huán)節(jié)及抗震承載力不足的構(gòu)件進行改善和加固處理。

（6） 本次結(jié)構(gòu)改造后的設(shè)計使用年限為40年。

3 原結(jié)構(gòu)抗震性能計算

為進一步明確既有結(jié)構(gòu)的實際抗震能力，采用北京盈建科軟件股份有限公司編制的 YJK系列分析軟件，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）、《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JCJ3-2010）對房屋改造方案進行抗震分析，得到如下結(jié)果：

3.1 周期與位移計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)自振周期（選取前3個振型）：

T1 T2 T3 Tt/T1 1.4939(0.45) 1.4065(0.00) 1.3556(0.51) 0.91

最大層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比：

X向位移角 Y向位移角 X向位移比 X向位移比1/370 1/329 1.11 1.4

由上述表格可看出，第一周期扭轉(zhuǎn)因子較大，結(jié)構(gòu)抗扭較弱；X向及Y向位移角與現(xiàn)行規(guī)范限值差值較大，房屋整體抗側(cè)剛度較小。

3.2 內(nèi)力計算結(jié)果

計算發(fā)現(xiàn)，改造后大部分框架梁及樓板配筋基本滿足要求，部分框架柱軸壓比偏大且配筋不足，局部框架梁變?yōu)閼姨袅汉笈浣畈蛔恪?/p>

4 結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計

4.1 整體加固方案思路

根據(jù)原結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果，為提高結(jié)構(gòu)的整體抗扭剛度及抗側(cè)剛度，結(jié)合建筑室內(nèi)設(shè)計效果，對梁板柱構(gòu)件分別采取如下加固方案：

（1） 框架柱：建筑外圍框架柱及軸壓比不滿足規(guī)范要求的框架柱采用加大截面法進行加固；其余框架柱存在少許配筋不足時采用碳纖維加固的方法；

（2） 框架梁：外圍框架梁采用加大截面法進行加固；其余框架柱梁當(dāng)許配筋不足時采用植筋或碳纖維加固的方法；

（3） 樓板：采用碳纖維加固方法；

4.2 西南角圓柱加固方法

此次改建，商業(yè)西南角A～B軸交1～2軸區(qū)域，地上各層平面調(diào)整較大：原有旋轉(zhuǎn)樓梯封堵且建筑輪廓調(diào)整較大，相關(guān)區(qū)域梁板宜拆除重建，如圖4.2.1中所示。由圖可知，重建區(qū)域主要豎向構(gòu)件為一根地上直徑φ800mm的圓柱（地下一層直徑φ1000mm），考慮現(xiàn)場施工難度，如圓柱雙向布置框架梁，新建框架梁支座縱筋較多，若采用鉆孔植筋的方式錨入圓柱，則圓柱因為鉆孔導(dǎo)致其原有混凝土剝落、損傷比較厲害，且另一方面無法確保懸挑梁根部內(nèi)力的有效傳遞。

圖4.2.1 平面西南角梁板重建區(qū)域

經(jīng)研究討論，梁柱節(jié)點位置采用環(huán)梁的方式，基本避免圓柱因植筋產(chǎn)生的損傷，又能確保梁內(nèi)力的有效傳遞，相關(guān)節(jié)點詳圖4.1.2。

此外，考慮到圓柱僅單方向框架梁拉結(jié)，為加強垂直方向?qū)A柱的相關(guān)約束，相關(guān)區(qū)域新建樓板加厚至 150mm；同時，板配筋加強，確保垂直方向水平地震力的有效傳遞。

圖4.2.2 環(huán)梁與圓柱節(jié)點示意

4.3 框架梁變懸挑梁加固方法

根據(jù)本次裝修改造方案，七層建筑立面收進半跨變?yōu)槁杜_，原有6m框架梁現(xiàn)變?yōu)?.2～4.0m的懸挑梁，原有梁頂鋼筋遠遠不滿足承載力設(shè)計要求；又因現(xiàn)場施工無法滿足保證懸挑梁頂植筋深度的要求，且植筋無法確保支座處內(nèi)力的有效傳遞，故對其采用扁鋼加固的方式，如圖4.3.1。

圖4.3.1 平面西南角梁板重建區(qū)域

4.4 改造加固后的抗震驗算結(jié)果

根據(jù)柱梁板構(gòu)件各自的加固方式，調(diào)整結(jié)構(gòu)計算模型，修改采用截面加大法的梁柱截面尺寸，重新進行結(jié)構(gòu)驗算，加固后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足承載力的相關(guān)要求。主要整體計算指標如下：

結(jié)構(gòu)自振周期（選取前3個振型）：

T1 T2 T3 Tt/T1 1.2140(0.00) 1.1956(0.00) 1.0805(0.99) 0.89

最大層間位移角及扭轉(zhuǎn)位移比：

X向位移角 Y向位移角 X向位移比 X向位移比1/609 1/563 1.09 1.25

上述結(jié)果表明，經(jīng)加固改造后的結(jié)構(gòu)整體驗算指標（位移角、位移比等）滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

5 樓板應(yīng)力分析

三層中庭部位根據(jù)方案效果改建后，樓板開洞增大（詳圖1.2），x向有效樓板寬度小于該層典型樓板寬度的50%；95年改建后的七夾層，僅局部存在樓板，樓板開洞面積大于本層面積的 30%；上述兩層均屬于平面不規(guī)則情況。設(shè)計中將三層和七夾層定義為彈性膜，進行樓板應(yīng)力分析。

分析結(jié)果表明，在設(shè)防地震作用下，三層x向和y向的最大樓板拉應(yīng)力分別為0.9N/mm2和1.0 N/mm2，小于C30混凝土樓板的抗拉強度標準值ftk=2.01N/mm2，仍能滿足彈性設(shè)計的要求；七夾層除凹角區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中外，大部分區(qū)域 x向和y向的樓板拉應(yīng)力分別小于1.6N/mm2和0.6N/mm2，小于C25混凝土樓板的抗拉強度標準值ft=1.78N/mm2，基本滿足中震彈性設(shè)計的要求。

由上，三層及七夾層大部分樓板應(yīng)力處于可控制范圍，設(shè)計對洞口周邊薄弱部位樓板采取粘貼碳纖維方法進行加固加強，同時采取考慮七夾層和取消七夾層兩種電算模型，進行構(gòu)件承載力包絡(luò)設(shè)計。

6 結(jié)論

對原有結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度及抗扭剛度較弱的問題，結(jié)合構(gòu)件實際承載力的要求，同時兼顧建筑室內(nèi)效果，可采用增大截面法加大外圈框架梁柱的措施。

對特殊部位構(gòu)件加固的處理，可結(jié)合規(guī)范、圖集及現(xiàn)場實際情況，采用合理可靠的加固方式。