某板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)書庫功能改造設(shè)計與施工控制

董賀勛，薛書洋

（南京大學(xué)建筑規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京210000）

1 工程概況

某高校圖書館書庫部分建成于1984年，地上部分為7層，其中1～6層層高2.400m,7層層高為4.800，室內(nèi)外高差1.200m，屋面結(jié)構(gòu)高度為20.400m，柱距為5.000m×5.000m，平面及剖面詳見圖1、圖2，結(jié)構(gòu)形式為板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，其中2、4、6層樓板為110mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆樓板，即為“軟板層”，該樓層通過設(shè)置1.250m×1.250m間距的方鋼管支撐于硬板層或建筑地坪，軟板與框架柱相連處采用鋼埋件連接。原設(shè)計3、5、7層及屋面板為采用升板法施工的200mm鋼筋混凝土樓板，即“硬板層”，原設(shè)計柱帽平面尺寸為1900×1900，錐形柱帽邊緣高度50mm，柱帽高度560mm，柱帽剖面詳見圖3，原設(shè)計混凝土墻、柱及樓板混凝土強(qiáng)度等級均為300號（相當(dāng)于C28左右），原框架柱尺寸500mm×500mm，基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ)。

2 加固方案的選擇

由于建筑功能的調(diào)整，該書庫部分調(diào)整為院系科研試驗樓，根據(jù)功能需求，原有凈高無法滿足科研設(shè)備的使用和安裝要求，用于科研區(qū)域則因其凈高過低，造成空間壓抑感。經(jīng)與建設(shè)方協(xié)商，決定拆除2、4、6層樓板，該房屋由改造前7層變?yōu)楦脑旌?層，各層層高均為4.800m，獲得了較好的使用效果。

圖1

圖2

圖3

拆除軟板層后，按照原有結(jié)構(gòu)尺寸建模計算，經(jīng)計算，層間位移角不滿足規(guī)范要求，框架柱截面及配筋不滿足計算要求，通過計算并考慮施工的便宜性，確定采用增大截面法對柱進(jìn)行加固，框架柱加固后截面為700mm×700mm，即每側(cè)加大125mm。加固實施結(jié)構(gòu)方案有如下兩種，方案1：維持原結(jié)構(gòu)形式，即仍為板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)；方案2：拆除柱帽，增設(shè)框架梁，將結(jié)構(gòu)形式改為框架-抗震墻。

方案1：進(jìn)行改造后仍為板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)，因進(jìn)行加固后框架柱縱向鋼筋需穿過原有柱帽，原設(shè)計柱帽為錐形，施工難度大，且在原有柱帽范圍內(nèi)無法設(shè)置箍筋，不能對增大截面部分的框架柱縱向鋼筋在梁、柱節(jié)點區(qū)形成有效約束；另，由于節(jié)點核心區(qū)混凝土為原有混凝土，強(qiáng)度等級較低，無法通過加固替換該部分混凝土，不符合強(qiáng)節(jié)點、弱構(gòu)件概念設(shè)計理論；該建筑設(shè)計完成于1983年，原有柱上板帶中未設(shè)置暗梁，不符合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于設(shè)置構(gòu)造暗梁的要求，即無防樓板脫落的措施，樓面荷載僅靠柱帽進(jìn)行傳遞，無延性防強(qiáng)震破壞措施。可知進(jìn)行加固改造，若仍維持原有板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)方案，因其存在多處不符合概念設(shè)計要求而不具備可行性。

方案2：若改造為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，則需要拆除柱帽，否則框架梁縱向鋼筋無法通過梁、柱節(jié)點區(qū)，經(jīng)計算，框架梁截面400×350即可滿足規(guī)范各項指標(biāo)要求，由于框架柱內(nèi)縱向鋼筋需要穿越節(jié)點核心區(qū)，并繞開原框架柱所在位置，在梁柱節(jié)點處通過設(shè)置水平加腋的做法保證縱向鋼筋在節(jié)點區(qū)通過，如圖4.a，由于鋼筋需在加腋處進(jìn)行彎折，對應(yīng)縱向鋼筋在節(jié)點核心區(qū)內(nèi)兩個方向鋼筋交叉處需再次彎折，鋼筋加工和鋼筋的就位都存在較大困難。考慮到施工因素，框架梁截面調(diào)整為750×350，見圖4.b做法，此時鋼筋僅需在梁柱節(jié)點核心區(qū)鋼筋交叉處彎折即可，施工方便構(gòu)造簡單。

圖4 （a）

圖4 （b）

為了混凝土梁澆筑施工方便，在梁頂對應(yīng)于新增梁位置沿梁凈跨等間距開設(shè)3個200mm×300mm混凝土澆筑孔，為增加新增梁與原有樓板的受力及變形協(xié)調(diào)，在澆筑孔內(nèi)設(shè)置抗剪鋼筋，在無澆筑孔位置按200mm間距設(shè)抗剪鋼筋，并將板底鑿毛方便新老混凝土更好的結(jié)合。

3 施工方案

由于改造建筑為升板結(jié)構(gòu)，各層樓板僅靠承重銷和后澆筑柱帽與預(yù)制柱間齒槽將樓層荷載傳給框架柱，柱帽是傳遞荷載的唯一構(gòu)件，因其施工年代久遠(yuǎn)，柱帽內(nèi)構(gòu)造無法檢視，拆除柱帽前必須對柱帽進(jìn)行完全卸載，并保證在框架柱加固和新增框架梁施工期間樓板變形控制在允許范圍內(nèi)，合理制定施工方案，并對施工過程中樓板的變形進(jìn)行監(jiān)測十分必要。

施工方案以兩個樓層作為一個施工流水段，按如下步驟進(jìn)行加固施工：①建筑地坪以下框架柱截面加固和地坪施工；②設(shè)置支撐，實現(xiàn)柱帽卸載，并設(shè)置變形檢測裝置；③間隔軸線拆除柱帽；④施工拆除柱帽軸線梁、柱。

①建筑地坪以下框架柱截面加固和地坪施工。因框架柱需進(jìn)行增大截面法加固，加固框架柱前需對各框架柱周圍逐個開挖至承臺頂，將原框架柱表面鑿毛，將框架柱新增縱筋植入原有承臺，縱筋預(yù)留至非連接區(qū)段以上標(biāo)高，并合理設(shè)置鋼筋連接區(qū)段，將框架柱加固至建筑地坪標(biāo)高以上并預(yù)留施工縫，對柱周圍開挖范圍采用3∶7灰土分層夯填至建筑地坪底。由于該建筑首層需布置大量試驗設(shè)備基礎(chǔ)，地坪基層采用配有雙層鋼筋的加厚結(jié)構(gòu)板，待地坪基層達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度之后兼作施工支撐的可靠支撐面。

②設(shè)置支撐，實現(xiàn)柱帽卸載，并設(shè)置變形檢測裝置。為實現(xiàn)柱帽的完全卸載，并考慮到兩個樓層作為一個施工流水段，施工支撐選擇了格構(gòu)柱式施工支撐，即每個柱帽處設(shè)置一根格構(gòu)柱，格構(gòu)柱由4個HW200×200工字鋼柱肢，L56×36×5角鋼綴條構(gòu)成，實現(xiàn)對原結(jié)構(gòu)的脫換，為實現(xiàn)格構(gòu)柱頂部與樓板的完全頂緊，在格構(gòu)柱每個柱肢頂設(shè)置帶絲扣可調(diào)柱肢長度的托板，通過調(diào)整絲扣實現(xiàn)每個柱肢對樓按的完全頂緊，該機(jī)構(gòu)也可根據(jù)變形監(jiān)測的反饋情況對格構(gòu)柱的各柱肢長度進(jìn)行調(diào)節(jié)。支撐柱柱肢底設(shè)置化學(xué)錨栓與樓板或結(jié)構(gòu)地坪可靠相連。

按照施工活荷載取1.5kN/m2，恒荷載按實際計算值取用，經(jīng)驗算格構(gòu)式施工支撐最大彈性變形為1.16mm，格構(gòu)式支撐具有足夠的剛度。

③間隔軸線拆除柱帽。拆除過程采用同層間隔軸線、同一施工段的兩個樓層也按間隔軸線拆除柱帽的施工順序。由于格構(gòu)式施工支撐較無變形的原有柱帽存在變形上的差異，托換過程會使樓板產(chǎn)生附加變形和應(yīng)力水平的變化，采用該施工順序拆除柱帽減小了樓板產(chǎn)生附加變形的的應(yīng)力疊加效應(yīng)，避免出現(xiàn)格構(gòu)式施工支撐同時承受兩個樓層荷載的工況，不同施工段間也按此方法設(shè)計施工順序。

④施工拆除柱帽軸線梁、柱。在拆除柱帽之后進(jìn)行柱、梁施工，垂直于該軸線方向的框架梁，間隔軸線分別施工至對應(yīng)跨度的1/3和2/3,再施工相鄰跨的后澆梁，實現(xiàn)新增框架梁截面不在同一位置設(shè)置施工縫，后施工的垂直方向框架梁段采用微膨脹混凝土，實現(xiàn)對已澆筑梁段混凝土的收縮補(bǔ)償。

4 變形控制和變形調(diào)節(jié)

為了監(jiān)測樓板的變形情況，在每層樓面上設(shè)置10個變形監(jiān)測點，用以檢測樓板的豎向變形，布點位置如圖5所示，變形檢測數(shù)值以5d為一個監(jiān)測周期，檢測結(jié)果顯示一個監(jiān)測周期內(nèi)相鄰監(jiān)測點的變形差最大值為0.20mm，施工過程中通過調(diào)整柱頂絲扣對各點的變形實施反向調(diào)節(jié)，即對變形較大點格構(gòu)柱長度伸長，減小變形，對于豎向變形較小點適當(dāng)縮短格構(gòu)柱柱長，使對應(yīng)點變形適度放大，從而達(dá)到控制樓板變形差的目的。整個檢測周期內(nèi)累計沉降變形差最大值為3.55mm，其變形允許值參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》相鄰框架柱地基允許沉降差，樓板變形值均小于規(guī)范限值。

圖5

5 結(jié)語

文章通過某板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)加固項目的加固設(shè)計過程，對于板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)加固過程中結(jié)構(gòu)形式的選擇、梁截面形式的確定進(jìn)行了論述；通過對加固施工過程關(guān)鍵步驟的解析，闡明了各步驟中的要點，通過變形檢測對施工全過程的變形進(jìn)行了動態(tài)檢測和反向調(diào)節(jié)，使樓板的變形始終在控制范圍內(nèi)。