大跨度混凝土結(jié)構(gòu)加層改造設(shè)計(jì)分析

賈傳勝，陳武雄

（深圳中建院建筑科技有限公司，廣東 深圳 518000）

隨著建筑工程的投入使用，其結(jié)構(gòu)會(huì)隨著環(huán)境、時(shí)間的變化而產(chǎn)生各種程度的損傷，從而極大地降低建筑的耐久性及可靠性。隨著人們對(duì)建筑的要求越來越高，就需要針對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)估，結(jié)合實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，制訂出合理的加層改造方案，進(jìn)而提高原建筑的使用質(zhì)量及安全性。

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)來說，其加層改造技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，改造方法也越來越多，加固的技術(shù)也越來越完善。但是，由于不同的方法有不同的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，且適用的范圍也不同，因此相關(guān)施工單位在對(duì)大跨度建筑混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加層改造時(shí)，應(yīng)充分結(jié)合建筑的實(shí)際情況，在保障建筑安全可靠的基礎(chǔ)上，最大限度地滿足加層改造的需求，確保施工方案的合理性。

1 項(xiàng)目工程簡(jiǎn)述

某建筑工程項(xiàng)目為綜合性寫字樓，其結(jié)構(gòu)包含了地下的2層，地上的22層，建筑面積共計(jì)為28721m2。該建筑的主體結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，以樁筏作為基礎(chǔ)，其局部結(jié)構(gòu)的平面圖如圖1所示。其中2-5-E-H表示的是新建的地上建筑部分，其他均為原有的建筑結(jié)構(gòu)。新建建筑部分為原先建筑中的地下2層，地上的部分為空地，現(xiàn)計(jì)劃新建3層鋼結(jié)構(gòu)，與建筑的主體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）及《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50367—2013）中的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，利用PKPM來進(jìn)行建模計(jì)算，發(fā)現(xiàn)原建筑的樁基承載力不足，地下2層中部分柱的承載力不足，嚴(yán)重影響建筑的整體安全性，需要進(jìn)行改造加固[1]。

圖1 某建筑結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2 原有建筑結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)加層改造項(xiàng)目，必須提前對(duì)原有建筑進(jìn)行鑒定，然后才能開展相應(yīng)的加層改造設(shè)計(jì)；先進(jìn)行加固，然后才能進(jìn)行加層。需對(duì)原有的建筑結(jié)構(gòu)的可靠性進(jìn)行鑒定，進(jìn)而判斷其加層改造的可行性，檢查是否存在加層的潛力，其中主要包括對(duì)建筑整體的施工質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，查看是否存在安全隱患、在后續(xù)的使用中是否存在異常情況、建筑整體的結(jié)構(gòu)是否能滿足加層改造的基本條件，鑒定的數(shù)據(jù)結(jié)果是開展加層改造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。為了讓加層改造設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，對(duì)原建筑的鑒定需從以下兩個(gè)方面進(jìn)行[2]。

2.1 調(diào)查分析地基性能

通過對(duì)目標(biāo)建筑的上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定發(fā)現(xiàn)，該建筑結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)開裂、位移等情況，進(jìn)而能夠判斷其地基足夠穩(wěn)定，不存在不均勻沉降的情況。隨后經(jīng)過鉆探得知，該建筑地基的承載力為150kPa，電氣室區(qū)域隨著加層，其荷載發(fā)生了上升變化，但經(jīng)過分析計(jì)算之后判斷建筑地基的承載能力符合要求，不需要對(duì)地基進(jìn)行加固[3]。其中變壓器室由于設(shè)備荷載相對(duì)較大，在加層之后經(jīng)過對(duì)荷載進(jìn)行計(jì)算，判斷地基承載力不足，進(jìn)而需要加固地基[4]。

2.2 檢測(cè)構(gòu)件承載能力

不管是直接對(duì)原有建筑進(jìn)行加層，還是先對(duì)原有建筑加固然后再加層，都需要檢驗(yàn)原建筑構(gòu)建的承載能力。為此必須結(jié)合原建筑構(gòu)件的實(shí)際情況，對(duì)其構(gòu)件承載能力進(jìn)行細(xì)致的檢測(cè)，例如梁、柱、板等部分。通過對(duì)該建筑結(jié)構(gòu)現(xiàn)階段實(shí)際情況的勘察發(fā)現(xiàn)，該建筑的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)完好；通過使用回彈、鉆芯取樣的方式對(duì)混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)分析后發(fā)現(xiàn)，該建筑的基礎(chǔ)、梁、柱等部分的混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到C20，符合進(jìn)行加層改造的強(qiáng)度要求。另外，通過檢測(cè)建筑中的鋼筋強(qiáng)度、鋼筋數(shù)量、鋼筋分布發(fā)現(xiàn)，也符合加層的要求?？偟膩碚f，通過對(duì)該建筑實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，該建筑中的主要承載結(jié)構(gòu)及構(gòu)建的承載能力符合加層改造的需求[5]。

3 加層改造方案設(shè)計(jì)

3.1 合理地選擇加層方案

對(duì)于大跨度混凝土結(jié)構(gòu)加層改造工程項(xiàng)目來說，經(jīng)濟(jì)、高效、安全、可靠的設(shè)計(jì)是改造成功的基礎(chǔ)。開展加層改造設(shè)計(jì)，必須在基于保障原結(jié)構(gòu)安全的前提下，確保新結(jié)構(gòu)的安全性[6]。在選擇加層改造方案時(shí)，必須嚴(yán)格遵守以下要求：（1）在對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造時(shí)，要盡可能地充分利用原先的結(jié)構(gòu)，結(jié)合建筑的實(shí)際情況對(duì)改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。需要注意的是，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，要盡可能降低改造工作量，在保障工程安全性的基礎(chǔ)上，合理地控制加層的高度，使用大開窗作為圍護(hù)墻體。（2）要盡量減少新建樓層樓面的荷載，加層的墻體等材料盡量使用輕質(zhì)材料。在對(duì)該建筑進(jìn)行改造施工的過程中，其底部的電氣室也需確保能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這表明在對(duì)原建筑進(jìn)行加層時(shí)，不能讓建筑施工影響電氣室的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因而在設(shè)計(jì)加層改造方案時(shí)，需充分考慮眾多可能出現(xiàn)的因素，逐一計(jì)算分析，得出最佳結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)而確保建筑的承載能力符合要求，同時(shí)還要便于施工，提高施工效率與質(zhì)量。

3.2 科學(xué)地進(jìn)行加層結(jié)構(gòu)連接

對(duì)于如何連接加層結(jié)構(gòu)，加層柱與下面部分進(jìn)行連接是最為重要的部分，由于原建筑框架中沒有預(yù)留鋼筋搭接，因此在加層改造過程中，確保夾層柱鋼筋連接的質(zhì)量是非常重要的。

首先，在設(shè)計(jì)方面，需確保鋼筋連接相關(guān)設(shè)計(jì)符合受力要求，確保垂直力能夠與水平力之間有效傳遞。在施工方面，需確保框架節(jié)點(diǎn)以及鋼筋密集區(qū)域的施工便捷性，如需使用鉆孔植筋，就要確保鉆孔的可行性，盡量避免對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)造成損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單、有效。

其次，對(duì)于鋼筋的連接方式，加層鋼筋與原建筑鋼筋連接可通過直接連接方式，也就是直接焊接鋼筋，也可以進(jìn)行間接連接，即在原建筑設(shè)置鋼牛腿之后焊接鋼筋。直接連接的方式可分為焊接連接、鉆孔植筋，其中焊接連接的使用最為廣泛，通過焊接鋼筋，能夠保障受力直接、穩(wěn)定；鉆孔植筋又可分為一般植筋、高性能植筋，一般植筋指的是利用水泥、微膨脹黏結(jié)劑來加固，高性能植筋是利用聚氨酯、甲基丙烯酸酯與水泥混合形成的黏結(jié)劑固定。高性能植筋在強(qiáng)度與性能等方面具有優(yōu)勢(shì)，在鋼筋連接中應(yīng)用相對(duì)廣泛。間接連接指的是利用焊接、脹錨螺栓固定鋼牛腿以后再焊接鋼筋，其中鋼牛腿能承擔(dān)一定的剪力，從而能夠有效解決剪力過大、結(jié)合面較弱的問題。

最后，對(duì)于建筑鋼筋連接方式的選擇，由于原建筑中的混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部分的鋼筋較多，且十分密集，在其頂部進(jìn)行鉆孔作業(yè)相對(duì)困難，因此建設(shè)使用鉆孔植筋的方法。在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需加固框架柱，在柱腳區(qū)域加設(shè)鋼板，并將鋼板焊接。

3.3 對(duì)建筑加層結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)核、加固

在實(shí)際加層過程中，經(jīng)常會(huì)遇到原建筑的結(jié)構(gòu)截面以及配筋在加層之后無法滿足荷載要求的情況，這便需要對(duì)原建筑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。最常見的加固方式有預(yù)應(yīng)力加固、加大截面加固、外黏鋼板加固等多種加固方式，每種加固方式都有其特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)以及適用的范圍，需結(jié)合實(shí)際情況來選擇加固方式[7]。由于該建筑在加層之后建筑的高度及荷載能力會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而使下部梁柱受力情況也發(fā)生了變化，因此在完成加層改造之后，還需對(duì)建筑中的柱、梁等變化進(jìn)行細(xì)致的復(fù)核，結(jié)合建筑框架計(jì)算原理，對(duì)建筑混凝土結(jié)構(gòu)中的梁柱內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而能夠按照原先建筑梁柱的截面配筋對(duì)承載力進(jìn)行復(fù)核。例如軸框架柱，在對(duì)其進(jìn)行加固處理時(shí)，利用角鋼L50×4選擇濕式外包鋼技術(shù)，對(duì)建筑中的原混凝土框架柱進(jìn)行加固。但在實(shí)際施工中，必須確保角鋼能夠與原建筑柱的混凝土進(jìn)行牢固的黏結(jié)，進(jìn)而保障角鋼與混凝土協(xié)同工作。對(duì)于加層的構(gòu)造來說，主要是通過建筑框架中的梁柱來完成對(duì)荷載的傳遞，對(duì)原建筑結(jié)構(gòu)中的樓板造成的影響要小許多。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，框架梁配筋符合加層截面配筋的需求，進(jìn)而無須再對(duì)框架梁進(jìn)行加固[8]。

4 結(jié)束語

對(duì)該建筑的加層改造已經(jīng)完成兩年，在這兩年的實(shí)際使用過程中，尚未發(fā)現(xiàn)安全方面的問題，實(shí)際加層改造的效果較為良好。經(jīng)過對(duì)該建筑的加層改造進(jìn)行設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，大跨度混凝土結(jié)構(gòu)在進(jìn)行加層改造的過程中，必須結(jié)合預(yù)期改造以及建筑的實(shí)際情況，在確保經(jīng)濟(jì)性、安全性的基礎(chǔ)上，合理選擇加層改造方案，不僅要考慮建筑的安全性，還要重點(diǎn)關(guān)注加固完成之后建筑的整體效果。

綜上所述，對(duì)舊建筑進(jìn)行加層改造是一項(xiàng)值得推廣、發(fā)展的技術(shù)，但在實(shí)際建設(shè)過程中需要注意的事項(xiàng)也很多，不僅需要對(duì)原建筑的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢驗(yàn)，判斷建筑加層改造的可行性，還需要高度重視實(shí)際施工中的各環(huán)節(jié)，從而避免造成安全事故，讓現(xiàn)有建筑的價(jià)值得到最大限度的開發(fā)。