基于后期加固改造的工業(yè)研發(fā)樓宇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐弘亮 長(zhǎng)沙億達(dá)創(chuàng)智置業(yè)發(fā)展有限公司工程師

2000年以后，全國各地出現(xiàn)了大量的工業(yè)地產(chǎn)項(xiàng)目，這些地產(chǎn)項(xiàng)目多用于工業(yè)制造廠房、物流倉庫和工業(yè)研發(fā)樓宇等。對(duì)于工業(yè)制造廠房和物流倉庫，后期入駐的企業(yè)比較明確，所以這類地產(chǎn)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段就能根據(jù)企業(yè)的需求進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)；對(duì)于工業(yè)研發(fā)樓宇，后期入駐的企業(yè)存在較大的隨機(jī)性，在對(duì)這類地產(chǎn)項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)無法做到個(gè)性化設(shè)計(jì)。企業(yè)在入駐后可以根據(jù)荷載等級(jí)需求進(jìn)行適當(dāng)改造。

本文以億達(dá)梅溪湖健康科技產(chǎn)業(yè)園中3#樓的改造為例，研究如何對(duì)工業(yè)研發(fā)樓宇建筑進(jìn)行加固，同時(shí)對(duì)工業(yè)樓宇建筑的樓面荷載與柱梁配筋取值進(jìn)行了一些探討，力爭(zhēng)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段盡量滿足大多數(shù)企業(yè)的需求。

1 工程背景

億達(dá)梅溪湖健康科技產(chǎn)業(yè)園位于湖南省長(zhǎng)沙市梅溪湖國際新城二期泉水路與金菊路交匯處，總建筑面積約300000 m2，容積率為1.5，多層辦公樓占主要部分，有少量的高層辦公樓。湖南省的一家本地企業(yè)購買了3#樓，該樓地上5層，地下1層，建筑高度21.45 m，總建筑面積6141 m2，單層建筑面積約1200 m2，可容納673人辦公，地下室層高3.9 m，首層層高4.5 m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2 m。

3#樓結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架、預(yù)制管樁基礎(chǔ)，抗震基本烈度6度，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，標(biāo)準(zhǔn)柱距為8.1 m×8.1 m。首層現(xiàn)澆樓板厚度為160 mm，樓面恒載1.5 kN/m2，樓面活荷載為6 kN/m2。標(biāo)準(zhǔn)層現(xiàn)澆樓板厚度為120 mm，樓面恒載1.5 kN/m2，樓面活荷載3.5 kN/m2。平面布置形式為相同截面尺寸的十字形次梁（250 mm×550 mm），主框架梁的截面尺寸300 mm×700 mm，采用中國建筑科學(xué)研究院空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件YJK 1.8.3設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)。建筑平面布置圖和結(jié)構(gòu)平面布置圖（如圖1、圖2）。

圖1 建筑平面布置圖

圖2 結(jié)構(gòu)平面布置圖

入駐企業(yè)需要一個(gè)兩層通高兩跨的入戶大堂，而原設(shè)計(jì)的入戶大堂在首層的左上角，橫向和縱向均為一跨，非通高。所以需要新增一部電梯，從地下室至5層?？俊?層放置一臺(tái)大型的機(jī)械設(shè)備，2層做實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有重型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，且規(guī)劃一個(gè)檔案室。3～5層為常規(guī)辦公空間。1層機(jī)械設(shè)備荷載為6.5 kN/m2，2層實(shí)驗(yàn)設(shè)備荷載如表1所示。

表1 2層實(shí)驗(yàn)設(shè)備荷載

據(jù)表1中的單位承重，機(jī)身負(fù)極涂布房活載為5kN/m2，機(jī)身正極涂布房活載為5kN/m2，SEM分析室活載為8.5kN/m2，全電組裝室的活載為4.7 kN/m2，結(jié)構(gòu)分析室的活載為3.15 kN/m2，表中XRD室的活載為4.73 kN/m2，扣電組裝室的活載為2.07kN/m2，電池檢測(cè)室活載為3 kN/m2。

2 改造方案

2.1 入戶大堂改造

由于3#棟北側(cè)位于園區(qū)內(nèi)部，南側(cè)靠近市政道路，因此將改造后的入戶大堂選擇在南側(cè)中部。改造后的入戶大堂，需要切除2層相應(yīng)位置的混凝土梁和樓板切除。原設(shè)計(jì)為十字型次梁，大堂的兩側(cè)需要將水平次梁切除一半，對(duì)原結(jié)構(gòu)具有一定的損傷。如果采用目字型的次梁布置形式，大堂的兩側(cè)只需要順著縱向次梁方向切除混凝土板。這樣一來切除的難度小，對(duì)原結(jié)構(gòu)的損傷也較少。

2.2 新增電梯改造

左側(cè)樓梯（LT1）處主梁和次梁的間距為2500 mm，滿足電梯轎廂的尺寸要求。新增電梯的位置安裝在此處，靠近樓梯和原有電梯，符合人流動(dòng)線的要求，而且對(duì)地下室車位的影響也較小。施工時(shí)只需要鑿除新增電梯位置的混凝土樓面，新增1根200 mm×400 mm混凝土梁即可。新的入戶大堂和新增電梯的平面位置如圖2所示，圖中陰影部分即為改造后的入戶大堂，云線圈起來的部分即為新增電梯，電梯凈空尺寸為2500 mm×2500 mm，符合大部分電梯品牌轎廂的尺寸要求。

2.3 2層實(shí)驗(yàn)室布置

根據(jù)企業(yè)的后期使用需求，將2層的平面劃分為上中下3個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域分別是縱向的1個(gè)柱距8100 mm。機(jī)身負(fù)極涂布房（編號(hào)①）、機(jī)身正極涂布房（編號(hào)②）和全電組裝室（編號(hào)③）分別布置在上部區(qū)域從左至右的位置。結(jié)構(gòu)分析室（編號(hào)④）、SEM分析室（編號(hào)⑤）和XRD室（編號(hào)⑥）分別布置在中部區(qū)域從左至右的位置。檔案室（活載5 kN/m2，編號(hào)⑦）、扣電組裝室（編號(hào)⑧）和電池檢測(cè)室（編號(hào)⑨）分別布置在下部區(qū)域從左至右的位置。實(shí)驗(yàn)室的具體布置如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室的具體布置

3 計(jì)算分析與加固

在原結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，在首層右上角的區(qū)域放置機(jī)械設(shè)備，此區(qū)域樓面的活荷載由6 kN/m2提高為6.5 kN/m2；切除2層平面的入戶大堂范圍內(nèi)的混凝土樓板和梁，新增電梯處增加1根200 mm×400 mm的混凝土梁（梁的兩端支座設(shè)置為鉸接），按照實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的荷載調(diào)整相應(yīng)樓面的活荷載。模型調(diào)整完畢后，進(jìn)行整體計(jì)算分析。

據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，柱底軸力出現(xiàn)一定程度增大，但未超過原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)承載力可不做處理。首層柱（±0.000～4.500 m標(biāo)高）的大部分配筋增大，軸壓比增大，2層梁板配筋增大，其他樓層的梁板柱配筋沒有顯著變化。

首層柱改造前后計(jì)算結(jié)果如表2所示，柱的縱向配筋顯著增大，主要分布在上部和中部區(qū)域，最大的增幅為33.3%，最小的增幅為6.3%。首層柱的加固補(bǔ)強(qiáng)采用柱四角新增受力角鋼（4L80×6或4L100×6），橫向新增綴板（80×4＠300），綴板與角鋼進(jìn)行焊接[1-2]。新增角鋼和綴板均為Q235鋼材，加固施工前需要鑿除矩形柱四角保護(hù)層，打磨成圓角，圓化半徑為25 mm。

表2 首層柱改造前后的計(jì)算結(jié)果

2層樓板原設(shè)計(jì)板底配筋為C8＠200單層雙向，配筋面積為251 mm2，板面配筋為C8＠200和C8＠150（配筋面積為335 mm2）。改造后的板底配筋面積均未超過251 mm2，板面配筋在平面的上部和中部區(qū)域有部分超原設(shè)計(jì)配筋，最大的計(jì)算值為454 mm2，增大幅度為35.5%，其余部分計(jì)算值均在268～407 mm2，增大幅度為6.8%～21.5%。板面采用高強(qiáng)度I級(jí)碳纖維布加固，碳纖維布厚度為0.167 mm，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為3400 MPa。在板面支座的兩側(cè)粘貼一層寬100 mm、間距400 mm的碳纖維布（1T-100＠400）[3]。碳纖維布在支座每側(cè)的長(zhǎng)度為相應(yīng)板跨的1/4。碳纖維布加固板面如圖6所示。

圖4 加固柱立面

圖5 加固柱平面

圖6 二層板面碳纖維加固示意圖

改造后的計(jì)算結(jié)果顯示，2層樓面實(shí)驗(yàn)室范圍的梁支座負(fù)筋和底筋均出現(xiàn)了一定程度的增大，梁支座負(fù)筋最大增幅為38.5%，梁底筋最大增幅為32%。梁的加固補(bǔ)強(qiáng)采用粘鋼板方式，梁支座的位置粘一層200 mm寬、3 mm厚的鋼板，鋼板長(zhǎng)度為梁跨度的1/3；梁底部粘一層尺度為200 mm寬、3 mm厚的長(zhǎng)鋼板，底部鋼板通過U型箍板、鋼壓條和化學(xué)錨栓固定[4]。粘鋼的鋼材均為Q235。粘鋼加固梁如圖7、圖8所示。

圖7 加固梁立面

圖8 加固梁1-1截面

根據(jù)上面的計(jì)算可知：一般工業(yè)研發(fā)樓宇的實(shí)驗(yàn)室布置在1層和2層，因此工業(yè)研發(fā)樓宇設(shè)計(jì)時(shí)，1層的樓面活荷載取值5～6 kN/m2，相應(yīng)豎向構(gòu)件的配筋放大1.1倍；2層的樓面活荷載取值3.5 kN/m2，相應(yīng)的梁配筋放大1.05倍；3層及以上的樓面活荷載取值2.0 kN/m2。這樣的設(shè)計(jì)不會(huì)大幅度增加建造成本，但有利于后期的加固改造。后期加固改造時(shí)可以采用較為方便快捷的粘碳纖維和粘鋼方式進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)，避免了采用增大構(gòu)件截面的方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)語

由以上分析可知，后期對(duì)樓板開洞、增加電梯或景觀樓梯等進(jìn)行改造時(shí)，相比十字型的結(jié)構(gòu)次梁，目字型的結(jié)構(gòu)次梁具有拆除工作量小、對(duì)原結(jié)構(gòu)損傷小的優(yōu)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)工業(yè)研發(fā)樓宇時(shí)，適當(dāng)提高1層和2層的樓面活荷載，并適當(dāng)提高豎向構(gòu)件和2層梁的配筋率，不會(huì)大幅度增加建造成本，有利于后期的加固改造。