某銀行辦公樓主體結(jié)構(gòu)安全性鑒定及改造加固設(shè)計(jì)

安貴倉(cāng)，唐曉琳，魏常寶，楊士豹，劉恒鎮(zhèn)

（甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司蘭州730020）

0 引言

本文通過對(duì)某銀行辦公樓檢測(cè)鑒定及改造的實(shí)踐，提出了一些經(jīng)濟(jì)合理的改造措施，既滿足了業(yè)主的需求，又避免了大拆大建造成的不必要浪費(fèi)。經(jīng)過對(duì)建筑主體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定，并結(jié)合建筑改造后使用功能的改變，對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加固和改造設(shè)計(jì)，以達(dá)到新業(yè)主的使用要求。針對(duì)本工程的檢測(cè)、鑒定、改造與加固設(shè)計(jì)工作流程，歸納總結(jié)了從整體結(jié)構(gòu)的檢測(cè)鑒定到局部結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計(jì)思路和流程，通過計(jì)算結(jié)構(gòu)在加固前后的指標(biāo)并進(jìn)行比較，結(jié)構(gòu)加固后，結(jié)構(gòu)的剛度有了較大幅度的提高，抗震性能得到了較大的改善，為同類工程的鑒定和加固提供一定的參考［1］。

1 工程概況

某銀行辦公樓始建于1996 年，原建筑功能為辦公、餐飲、住宿為一體的綜合樓，因該建筑地處某商業(yè)繁華區(qū)域，擬對(duì)該樓進(jìn)行加層改造后作為某銀行辦公樓使用。該樓為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)45.7 m，寬24.7 m，建筑高度71.70 m，平面布置呈矩形，地下2層，地上21層，其中1～4 層帶裙房，20 層、21 層為局部?jī)蓪?，建筑面積為21 300 m2。擬將該建筑局部20 層（原19 層屋面）處增加1 層，作為多功能會(huì)議室使用，其余各層均按銀行辦公樓的建筑功能要求進(jìn)行改造。該樓原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為箱型基礎(chǔ)，持力層為卵石層。該樓結(jié)構(gòu)布置平面圖如圖1所示。

2 結(jié)構(gòu)鑒定

2.1 結(jié)構(gòu)抗震整體計(jì)算分析

圖1 辦公平面布置Fig.1 Floor Plan of the Office Building

該樓抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8 度（0.20g，第三組），特征周期0.45 s，多遇地震影響系數(shù)最大值0.16，周期折減系數(shù)0.9，結(jié)構(gòu)阻尼比0.05，考慮偶然偏心，剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，地面粗糙度為C類。

計(jì)算荷載根據(jù)原建筑功能和做法，結(jié)合現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［2］取值。因該樓混凝土強(qiáng)度實(shí)測(cè)滿足設(shè)計(jì)要求，故抗震承載力復(fù)核驗(yàn)算時(shí)，混凝土強(qiáng)度按原設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)取值。

對(duì)該樓改造前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震整體計(jì)算分析與抗震鑒定，驗(yàn)算分析與鑒定結(jié)果如表1、表2 所示，柱抗彎、抗剪、抗壓承載力，梁抗彎、抗剪及板抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果均滿足現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］要求。

2.2 安全性鑒定

對(duì)該樓整體傾斜進(jìn)行檢測(cè)，整體傾斜在現(xiàn)行《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［4］允許范圍內(nèi)，上部結(jié)構(gòu)在目前荷載狀況下未發(fā)現(xiàn)沉降裂縫、變形和位移，地基基礎(chǔ)現(xiàn)狀完好；基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度均滿足原設(shè)計(jì)要求，依據(jù)文獻(xiàn)［4］，該樓地基基礎(chǔ)安全性鑒定評(píng)級(jí)為Au級(jí)。

表1 改造前承載力驗(yàn)算結(jié)果Tab.1 Checking Calculation of Bearing Capacity and Results of Seismic Appraisal before Transformation

依據(jù)文獻(xiàn)［4］，先對(duì)各類型構(gòu)件的各項(xiàng)安全性鑒定指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定，再對(duì)構(gòu)件集進(jìn)行評(píng)定，再次對(duì)上部承重結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行綜合評(píng)定，得到該樓上部承重結(jié)構(gòu)的安全性為Cu級(jí)。

該樓主體結(jié)構(gòu)的安全性鑒定評(píng)級(jí)，應(yīng)根據(jù)地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)的安全性評(píng)定結(jié)果進(jìn)行評(píng)級(jí)。因此該樓結(jié)構(gòu)安全性評(píng)級(jí)評(píng)為Csu級(jí)，即安全性不符合文獻(xiàn)［4］對(duì)Asu級(jí)的規(guī)定，顯著影響整體承載，應(yīng)采取措施進(jìn)行處理。

3 加層改造結(jié)構(gòu)的整體抗震計(jì)算分析

3.1 加層改造設(shè)計(jì)

根據(jù)業(yè)主的使用要求，對(duì)該樓進(jìn)行建筑功能整體改造，20 層（原19 層屋面）擬增加1 層，改造為大空間多功能會(huì)議室，其余均按銀行辦公樓功能進(jìn)行改造。為達(dá)到業(yè)主需要的使用功能，對(duì)新加層結(jié)構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)考慮到工期短、重量輕和地震作用影響小等優(yōu)點(diǎn)，加層部分的大空間房屋采用單層門式剛架結(jié)構(gòu)進(jìn)行，加層改造結(jié)構(gòu)布置如圖2所示。

3.2 加層改造設(shè)計(jì)分析

圖2 新增鋼結(jié)構(gòu)改造平面布置Fig.2 Plane Layout of New Steel Structure Reform

表2 改造前柱、梁抗震構(gòu)造措施鑒定結(jié)果Tab.2 Identification Results of Seismic Measures for Columns and Beams before Reconstruction

加層的鋼結(jié)構(gòu)柱布置在下部鋼筋混凝土框架柱頂，盡量避免新增鋼結(jié)構(gòu)放置在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁頂，不能將新增鋼結(jié)構(gòu)布置在鋼筋混凝土屋面板頂。加層鋼結(jié)構(gòu)柱腳與下部混凝土柱頂采用螺栓加外包鋼筋混凝土柱帽鉸接柱腳的連接方案，并且在加層結(jié)構(gòu)外圍設(shè)置縱橫向鋼筋混凝土“地梁”，該“地梁”除與加層鋼結(jié)構(gòu)柱腳可靠連接，還應(yīng)與原結(jié)構(gòu)周邊屋面梁頂面可靠連接。加層改造后對(duì)該樓的整體結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算與分析［1］。

3.3 加層改造后的結(jié)構(gòu)性能分析

建筑各層改造部位建筑功能和內(nèi)部布局發(fā)生變化。建筑加層處使用功能發(fā)生了變化，樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值增大為3.5 kN/m2，其余新增荷載為加層結(jié)構(gòu)柱腳內(nèi)力。加層后整體結(jié)構(gòu)實(shí)際為混合結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將局部加層簡(jiǎn)化為各種“荷載”，加到結(jié)構(gòu)頂部。因加層面積所占全樓面積很少，故結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)仍按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行，將加層結(jié)構(gòu)根據(jù)實(shí)際荷載簡(jiǎn)化為柱頂集中荷載（包括恒荷載和活荷載）。改造后的結(jié)構(gòu)抗震承載力計(jì)算與抗震鑒定結(jié)果如表3、表4所示。改造后柱抗彎、抗剪、抗壓承載力，梁抗彎、抗剪及板加層處抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果部分不滿足文獻(xiàn)［3］的要求。

該樓19層屋面加層及改變了部分使用功能后，經(jīng)分析下部結(jié)構(gòu)抗震整體性滿足規(guī)范要求，但下部結(jié)構(gòu)局部框架梁、框架柱承載能力及加層部位屋面現(xiàn)澆板受彎承載力不滿足要求。因此，該樓必須先對(duì)結(jié)構(gòu)加固處理后方能進(jìn)行加層改造。

4 加固方案

選取按照經(jīng)濟(jì)、安全、適用的原則，在加固設(shè)計(jì)中應(yīng)有效利用原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的富余量，充分發(fā)揮原有構(gòu)件的潛力，采用材料具有與原結(jié)構(gòu)相同并有效地進(jìn)行連接、造價(jià)低、堅(jiān)固耐用及盡量減少濕作業(yè)等特點(diǎn)，更加符合改造加層結(jié)構(gòu)的使用性［5］。針對(duì)承載力不滿足要求的下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件，綜合應(yīng)用粘貼碳纖維布加固法、粘貼鋼板法、外粘型鋼法加固以及增大截面法等技術(shù)。

表3 改造后承載力驗(yàn)算結(jié)果Tab.3 Checking Calculation of Bearing Capacity and Results of Seismic Appraisal after Transformation

4.1 框架梁的加固方法

對(duì)受彎、受剪承載力不滿足的部分框架梁根據(jù)不同情況，采用粘貼碳纖維布加固法、粘貼鋼板法、外粘型鋼法、加大截面法加固梁，用以補(bǔ)充梁的配筋量不足，達(dá)到提高梁的正截面受彎承載力和斜截面受剪承載力的目的［6，7］。梁加固做法如圖3所示。

圖3 框架梁加固示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Frame Beam Reinforcement

表4 改造后柱、梁抗震構(gòu)造措施鑒定結(jié)果Tab.4 Identification Results of Seismic Measures for Columns and Beams after Reconstruction

4.2 加層部位梁板加固方案

針對(duì)19 層屋面加層部位，因改變使用功能新增荷載后，使該部位原結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆板的受彎承載力不滿足。加固時(shí)對(duì)該部位原屋面防水、保溫層做法均應(yīng)清除至現(xiàn)澆板結(jié)構(gòu)層，然后采取對(duì)加固面層除塵、接觸面清理、表面打磨平整的措施。因該現(xiàn)澆板屬連續(xù)雙向板，加固主要采取雙面雙向加固，加固方法采取板頂加大截面法（即新增疊合層），板底粘貼碳纖維加固的方法。板頂新增40 mm 厚鋼筋混凝土疊合層，疊合層布置如圖4 所示，板底碳纖維加固示意圖如圖5 所示。對(duì)加層改造部位的框架梁采用增大截面法進(jìn)行加固處理［8］，做法如圖6所示，次梁承載力不采用補(bǔ)強(qiáng)鋼筋的方式進(jìn)行加固處理，做法如圖7所示。

4.3 框架柱加固方案

對(duì)承載力不足的框架柱，采用外粘型鋼法進(jìn)行加固處理，做法如圖8所示。

圖4 板頂增澆疊合層平面Fig.4 Layer Plane of Increased Casting on Plate Top

圖5 板加固示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Plate Reinforcement

圖6 板頂增澆疊合層主梁增大截面加固示意Fig.6 Strengthened Sketch of Enlarged Cross-section of Main Girder with Additional Pouring Composite Layer on Top of Slab

圖7 板頂增澆疊合層次梁加固示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Reinforcing Laminated Beam with Additional Pouring at the Top of Slab

圖8 柱加固示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Column Reinforcement

5 結(jié)構(gòu)加固前后的主要整體指標(biāo)對(duì)比

由于結(jié)構(gòu)改造加固后，上部結(jié)構(gòu)荷載部分相應(yīng)增大，為了確保其安全性，對(duì)加固后結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體驗(yàn)算復(fù)核。經(jīng)對(duì)加固前后計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，該樓加固后相比加固前構(gòu)件承載力均有所提高，結(jié)構(gòu)的安全性也有提高，抗震性能也得到了改善，結(jié)構(gòu)滿足構(gòu)造也能夠滿足抗震要求。結(jié)構(gòu)加固前后整體抗震驗(yàn)算對(duì)比結(jié)果如表5所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本工程在改造與加固設(shè)計(jì)中綜合考慮結(jié)構(gòu)的功能要求及力學(xué)性能，充分利用原結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，選擇了多種結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)方案，盡量使結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化狀態(tài)。本工程采用的結(jié)構(gòu)加固方法通過再次整體抗震驗(yàn)算，證明了此次結(jié)構(gòu)加固能夠全面提高該樓結(jié)構(gòu)的整體承載，其抗震性能也有了較大程度的增強(qiáng)［8，9］。該樓改造與加固后投入使用6年多，經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)查看，該樓未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象及結(jié)構(gòu)裂縫、變形，改造及加固結(jié)構(gòu)連接牢固，該樓的加固方案合理有效。改造設(shè)計(jì)滿足了該建筑新的使用功能要求，加固設(shè)計(jì)滿足了改造建筑的安全［11］使用要求，可為今后同類工程的鑒定、改造與加固提供借鑒［1］。

表5 結(jié)構(gòu)加固前后技術(shù)指標(biāo)對(duì)比Tab.5 Comparison of Technical Indicators before and after Structural Reinforcement