既有建筑增設(shè)懸挑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計

晉哲鋒 （安徽省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230022）

1 概述

隨著我國科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，生活水平不斷提高，人們越來越重視建筑物是否安全環(huán)保、美觀實用。隨著社會的進步和時間的推移，許多建筑物的結(jié)構(gòu)和功能已無法滿足要求，因此如果可以有效解決既有建筑物的加固、改造、修復(fù)等方面面臨的問題，將為這個社會的發(fā)展提供更好的機遇[1]。根據(jù)現(xiàn)狀情況對建筑物進行加固和改造，使其能夠滿足正常使用和安全性的要求或?qū)崿F(xiàn)“舊建筑、新功能”的目標，已經(jīng)成為目前諸多工程設(shè)計人員和研究團隊重要課題方向。

2 工程概況

該工程為某基地綜合業(yè)務(wù)用房，位于合肥市濱湖新區(qū)，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，于2013年底竣工并投入使用至今。主體結(jié)構(gòu)地上8層，無地下室，除首層為業(yè)務(wù)用房，層高3.90m外，其余以上各層均為單人宿舍，層高3.60m，結(jié)構(gòu)總高度29.10m。工程結(jié)構(gòu)安全等級二級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0，設(shè)計使用年限50年，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度（0.10g），地震分組第一組，風(fēng)荷載0.35 kN/m2，框架抗震等級二級，建筑場地類別為Ⅱ類。

3 改造加固的范圍和內(nèi)容

由于該工程2～8層原先按照單人宿舍設(shè)計的使用面積已不能滿足業(yè)主要求，為擴大使用面積同時實現(xiàn)對原外墻保溫、隔音品質(zhì)等提升的需求，針對建筑物現(xiàn)狀涉及的改造內(nèi)容有：①該工程2～8層南北兩側(cè)均外挑1m，如圖1所示；②原南北兩側(cè)煤矸石空心磚砌筑外墻統(tǒng)一拆除，為減輕自重改用蒸壓加氣混凝土砌塊砌筑。

圖1 新增懸挑平面圖

4 改造加固的技術(shù)原則

①整體考慮，全面分析的原則[2]，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)該工程原設(shè)計采用的是現(xiàn)行規(guī)范，施工及驗收資料齊全，因此判定該結(jié)構(gòu)整體符合原設(shè)計要求；②局部與整體加固的原則[3]，通過計算控制柱軸壓比、基礎(chǔ)承載力等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足規(guī)范限值的情況下，推算出結(jié)構(gòu)的最大外挑長度為1m，擴展后的空間經(jīng)業(yè)主單位確認能夠滿足使用要求，所以僅需局部加固，既充分發(fā)揮原有結(jié)構(gòu)的整體性能，又避免對整體結(jié)構(gòu)進行加固，對改造成本的控制及施工具有重要意義[4]；③混凝土改造加固需與施工方法緊密結(jié)合，把握對原有結(jié)構(gòu)不動或少動的原則，盡可能減少對原有結(jié)構(gòu)的破壞和損傷，同時采取有效措施，確保新增結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的連接可靠。本工程改造加固設(shè)計、施工過程中多次召開專家會，并和施工單位充分溝通，優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案。

5 加固改造的技術(shù)措施

①整體指標驗算：經(jīng)過改造前后計算模型的對比分析可以得出整體參數(shù)變化不大，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，如下表所示。由于增加結(jié)構(gòu)懸挑，2層及以上各層自重有所增加，剛重比略有下降，自振周期、彈性層間位移角稍有增大，改造前后最大層間位移與平均層間位移的比值完全一致，與該工程豎向抗側(cè)力構(gòu)件未做任何改造加固調(diào)整的實際工況是相符的。

②承載力驗算：通過比較分析，增加結(jié)構(gòu)懸挑后由于外邊柱梁端彎矩加大，分擔了更多的內(nèi)力，因而外邊柱軸壓比增加明顯，內(nèi)排柱軸壓比略有降低，外邊柱最大軸壓比由0.68增至0.74，內(nèi)排柱最大軸壓比由0.70降至0.67。通過調(diào)整結(jié)構(gòu)外挑尺寸滿足抗震等級為二級的框架柱軸壓比不超過0.75的規(guī)范限值，最終確定結(jié)構(gòu)外挑尺寸1m。該工程采用柱下獨立基礎(chǔ)，持力層為粘土層，地基承載力260kPa，竣工投入使用7年，未發(fā)現(xiàn)由地基承載力不足或不均勻沉降造成的結(jié)構(gòu)缺陷。經(jīng)過驗算除局部外邊柱下基底平均壓力值超過地基承載力外，其余大部分基礎(chǔ)能夠滿足承載力驗算要求，且超出的幅度亦在5%范圍內(nèi)，考慮地基土的“壓密效應(yīng)”地基承載力可予以提高[5]，使其增加的荷載由原地基土承擔，因此在施工過程中采用沉降觀測進行動態(tài)跟蹤，輔助設(shè)計判斷基礎(chǔ)是否安全。

改造前后結(jié)構(gòu)參數(shù)對比

圖2 加固改造后結(jié)構(gòu)整體模型

6 關(guān)鍵節(jié)點設(shè)計

改造工程中新增梁、板節(jié)點均有比較成熟的做法，采用植筋等技術(shù)成熟、施工方便可靠。但該工程新增部分由于是懸挑結(jié)構(gòu)，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范、圖集等成熟的設(shè)計方法。按照以往類似工程案例，懸挑結(jié)構(gòu)可分為混凝土懸挑和鋼結(jié)構(gòu)懸挑，鋼結(jié)構(gòu)懸挑造價較高，對施工安裝精度要求高，在框架柱上固定懸挑鋼梁預(yù)埋板的植筋數(shù)量多，對原結(jié)構(gòu)有一定損傷，且后期墻體砌筑及裝修工序繁瑣，隔音吸聲效果不理想，因此該工程擬采用混凝土懸挑的做法。在后加懸挑結(jié)構(gòu)中，混凝土懸挑梁與原結(jié)構(gòu)框架柱的連接節(jié)點是懸挑設(shè)計的關(guān)鍵節(jié)點。前期設(shè)計方案中，采用后錨固植筋與柱子直接連接的常規(guī)做法，但在設(shè)計方案的討論過程中，提出梁柱節(jié)點核心區(qū)位置原有鋼筋接頭數(shù)量較多，植筋施工較困難，且柱子在植筋方向上高度亦不能滿足植筋深度的要求。因此，經(jīng)過多次修改完善懸挑節(jié)點方案后確定采用上翻懸挑梁+鉆孔+柱墩的做法，節(jié)點如圖3、圖4所示。

圖3 新增混凝土懸挑梁與原框架柱連接節(jié)點平面圖

圖4 新增混凝土懸挑梁與原框架柱連接節(jié)點剖面圖

加固改造節(jié)點中受力復(fù)雜，鋼筋交叉多，施工難度大，做好關(guān)鍵節(jié)點的設(shè)計是加固改造的重點。該種節(jié)點設(shè)計避免了在梁柱節(jié)點核心區(qū)鉆孔植筋，同時選擇在柱子4根縱筋間鉆孔布置懸挑梁頂部的3根受力主筋，由于柱子在懸挑方向高度不滿足植筋深度要求，因此在柱子背面設(shè)置一個柱墩，和原有梁柱綁在一起，懸挑梁的3根受力主筋均錨固在柱墩內(nèi)，確保了懸挑結(jié)構(gòu)工作機理的牢固可靠，同時采用高壓注漿封閉孔洞，與新增柱墩一起降低由于穿筋開孔后造成柱子損傷的不利影響。綜合來說，此方案受力直接，做法可靠，施工方便，得到了業(yè)主和施工單位的高度認可，取得了較好的社會效益。

7 結(jié)語

我國建筑業(yè)隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，在經(jīng)歷大規(guī)模的建設(shè)之后，也將進入改建與新建并重時期。對已有建筑物結(jié)構(gòu)的鑒定、加固和改造已成為國內(nèi)外建筑工程界普遍關(guān)注的熱點問題。本文結(jié)合實際工程簡要介紹了懸挑結(jié)構(gòu)加固改造的基本原則和技術(shù)措施，但由于改造加固項目現(xiàn)況的不確定性，因此加固方法及加固工藝也不盡相同。隨著經(jīng)濟及技術(shù)的不斷發(fā)展進步，結(jié)構(gòu)加固理論及加固材料也在逐漸完善和創(chuàng)新，加固改造越來越顯示出其社會和經(jīng)濟效益。