商業(yè)綜合體的加固改造設(shè)計(jì)

徐 正，曹亮良

（華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，浙江 紹興312000）

商業(yè)綜合體自身具有建設(shè)周期長的特點(diǎn)，因此部分開發(fā)商開始轉(zhuǎn)入對(duì)已建項(xiàng)目進(jìn)行改造或合作開發(fā)。此類改造工程原有的建筑平面功能布局和立面造型與商業(yè)綜合體的要求相差較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加固工程量巨大。加固改造設(shè)計(jì)涉及對(duì)項(xiàng)目整體承載力及抗震性能重新計(jì)算復(fù)核、主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固改造設(shè)計(jì)、加固改造中的節(jié)點(diǎn)細(xì)部結(jié)合施工可行性優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)改造后出現(xiàn)的基礎(chǔ)承載力不足的加固方案比選設(shè)計(jì)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 基本情況

嘉興市某市場(chǎng)加固改造項(xiàng)目，原項(xiàng)目分南、北獨(dú)立兩個(gè)區(qū)塊，由6幢13～18層塔樓及其4～5層裙房組成，南北區(qū)通過連橋連接。項(xiàng)目設(shè)2層地下室（局部1層），地下1層層高6.40 m（室內(nèi)）／5.40（室外），地下2層層高4.60 m。

改造前，項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)已結(jié)頂，建筑墻體已砌筑完畢，設(shè)備管線基本安裝到位?，F(xiàn)需將裙房及地下區(qū)域進(jìn)行改造，總改造面積約142 000 m2，改造后需滿足商業(yè)綜合體的建筑造型和各項(xiàng)功能要求。見圖1。

圖1 改造后效果圖

1.2 改造內(nèi)容

根據(jù)商業(yè)綜合體的建筑要求，本項(xiàng)目重點(diǎn)改造的內(nèi)容包括：

1）業(yè)態(tài)調(diào)整，如增設(shè)大型超市賣場(chǎng)、真冰場(chǎng)、影院等；

2）設(shè)備用房及管道洞口調(diào)整，如增設(shè)配電房、泵房、空調(diào)機(jī)房等；

3）建筑動(dòng)線調(diào)整，如增加室內(nèi)步行街后原結(jié)構(gòu)樓面大面積開洞；

4）樓面行車路線調(diào)整，如增加室內(nèi)外消防車通道，地下室貨車通道和垃圾車運(yùn)輸通道等；

5）室外增設(shè)下沉式廣場(chǎng)；

6）新增消防疏散樓梯及建筑功能配套的自動(dòng)扶梯和電梯；

7）增設(shè)步行街采光玻璃頂及中庭整體改造；

8）局部結(jié)構(gòu)抽柱或梁柱轉(zhuǎn)換。

2 改造方案設(shè)計(jì)

2.1 改造后建筑抗震設(shè)防類別、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)及抗震等級(jí)確定

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50367—2013）》［1］明確：“加固后結(jié)構(gòu)安全等級(jí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后果的嚴(yán)重性、結(jié)構(gòu)的重要性和加固設(shè)計(jì)使用年限，由委托方和設(shè)計(jì)方按實(shí)際情況共同商定。”

本工程原結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防類別丙類。改造后為商業(yè)綜合體，根據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)（GB 50223—2008）》［2］6.0.5規(guī)定“商業(yè)建筑中，人流密集的大型多層商場(chǎng)抗震設(shè)防類別應(yīng)劃為重點(diǎn)設(shè)防類。當(dāng)商業(yè)建筑與其他建筑合建時(shí)應(yīng)分別判斷，并按區(qū)段確定其抗震設(shè)防類別”，其條文解釋明確“大型商場(chǎng)指一個(gè)區(qū)段人流5 000人，換算的建筑面積約17 000 m2或營業(yè)面積7 000 m2以上的商業(yè)建筑”，結(jié)合朱炳寅在《商業(yè)建筑及高層建筑的抗震設(shè)防分類問題與設(shè)計(jì)建議》［3］中的論述，對(duì)照本項(xiàng)目各建筑單體間均設(shè)有抗震縫，單體間連橋設(shè)計(jì)成鋼結(jié)構(gòu)，設(shè)滑動(dòng)支座，在后續(xù)的建筑改造中根據(jù)人流疏散增設(shè)了大量的疏散樓梯，使得各抗震縫中間的單體平面不符合“大型商場(chǎng)”的“密集人流”條件，因此建筑抗震設(shè)防類別仍為丙類。結(jié)論得到了項(xiàng)目論證專家和圖審機(jī)構(gòu)的確認(rèn)。

建筑抗震設(shè)防分類為丙類，本項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)安全等級(jí)仍為二級(jí)，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)同原抗震等級(jí)，但對(duì)于改造后出現(xiàn)的大跨度和大懸挑構(gòu)件應(yīng)按規(guī)范要求提高相應(yīng)構(gòu)件的抗震等級(jí)和構(gòu)造措施。

2.2 與建筑專業(yè)同步確定方案平面圖

從建筑方案階段開始，結(jié)構(gòu)加固從加固可行性和減少工程造價(jià)及后續(xù)加固工程量的角度會(huì)同方案單位對(duì)建筑平面提出優(yōu)化建議，并落實(shí)到建筑方案中。具體內(nèi)容如下：

1）對(duì)結(jié)構(gòu)整體規(guī)則性進(jìn)行概念設(shè)計(jì)控制。如：新開步行街洞口位置及大小是否合理；開洞后形成的大懸挑部位避免出現(xiàn)純懸挑結(jié)構(gòu)；影廳平面盡量結(jié)合原柱網(wǎng)布置，避免結(jié)構(gòu)柱高位轉(zhuǎn)換等。

2）對(duì)商業(yè)平面功能布置提出改造意見和建議。如將地下一層的超市區(qū)由原布置在普通樓面區(qū)調(diào)整到人防頂板區(qū)，避免了超市荷載增加導(dǎo)致的近萬平方米的加固改造等。

3）對(duì)于復(fù)雜的中庭及步行街洞口，與建筑溝通洞口輪廓線，盡量避免鑿除結(jié)構(gòu)柱，減少結(jié)構(gòu)懸挑。

4）對(duì)于需要設(shè)置排水溝的地下室設(shè)備用房和下沉廣場(chǎng)，以及落于基礎(chǔ)底板的電梯井道和電梯前室等，采用回填和抬高建筑標(biāo)高進(jìn)行處理，避免破壞地下室底板。

3 主體結(jié)構(gòu)加固改造

3.1 主要加固方法

主體結(jié)構(gòu)承載力不足時(shí)，本項(xiàng)目主要采取以下幾種加固方法：

1）梁主要采用粘鋼法和增加截面法。

2）框架柱主要采用外包角鋼和增加截面法，當(dāng)框架柱僅軸壓比或抗剪不夠采用粘貼碳纖維法。

3）板主要采用粘貼碳纖維法。

4）新增混凝土構(gòu)件鋼筋與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接采用植筋法。

5）新增隔墻荷載加固：首先將墻體重量按樓面恒載折算，并考慮樓板塑性設(shè)計(jì)，盡量發(fā)揮原樓板的承載能力，減小對(duì)樓板的加固；其次在有條件的樓面設(shè)置上翻梁或鋼梁，將荷載傳于兩側(cè)支座梁上來減少對(duì)樓板加固。

考慮施工進(jìn)度要求，盡量采用粘貼法加固。

3.2 主要加固部位與加固思路

3.2.1 地下超市貨車通道、卸貨區(qū)及新增下沉廣場(chǎng)區(qū)域

地下室超市貨車通道、卸貨區(qū)原建筑功能為機(jī)械停車區(qū)，樓面活載為5 kN／m2，按照新建筑功能，貨車通道活載為10 kN／m2，卸貨區(qū)的活載為20 kN／m2；新增下沉廣場(chǎng)區(qū)域需要新增300 mm厚建筑面層設(shè)置排水溝，并增加景觀荷載，總荷載會(huì)增加10 kN／m2。經(jīng)復(fù)算原梁、板承載力均不滿足要求，傳統(tǒng)粘貼法無法滿足加固要求，需加大構(gòu)件截面。增加截面法最大問題是需要把板底已有的管線進(jìn)行拆除，其加固工程量大、工期長。于是經(jīng)與業(yè)主及建筑專業(yè)協(xié)商后采用疊合梁板的方式進(jìn)行加固，即在原板面新澆筑300 mm厚混凝土板作為受力板，原樓板作為施工底模使用，不再考慮原次梁和樓板的承載，原主梁按照加高截面300 mm疊合梁進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核，這樣大部分加固均在板面進(jìn)行，個(gè)別主梁在梁底進(jìn)行粘鋼或加大截面加固（圖2）。

圖2 下沉廣場(chǎng)框架梁支座鋼筋遇柱錨固大樣

3.2.2 餐飲廚房區(qū)域

餐飲業(yè)態(tài)中廚房區(qū)域業(yè)主均要求墊高300 mm設(shè)置排水設(shè)施，新增荷載會(huì)造成結(jié)構(gòu)大量的加固，經(jīng)過和商管、設(shè)備專業(yè)等溝通后采取如下措施來減少加固工程量：

1）廚房區(qū)域回填高度減為200 mm（加上建筑面層50 mm總共高度為250 mm），回填材料采用輕質(zhì)泡沫混凝土，其容重不得大于5 kN／m3；

2）廚房區(qū)域樓面板底部粉刷取消，板面建筑面層恒載不大于1 kN／m2；

3）減輕廚房區(qū)域樓面板底部吊頂荷載，重量較大的設(shè)備管線避開廚房位置，管線及吊頂總荷載不得大于0.5 kN／m2。

綜合上述條件，廚房區(qū)域附加恒載為2.5 kN／m2，活荷載取值仍按原設(shè)計(jì)4.0 kN／m2取值。經(jīng)復(fù)核廚房區(qū)域基本不用加固。

3.2.3 影院看臺(tái)區(qū)域

為減小加固工程量，所有看臺(tái)均采用輕鋼結(jié)構(gòu)，上面鋪設(shè)花紋鋼板后再做50 mm厚的配筋混凝土面層，看臺(tái)下部無人區(qū)域建筑封堵后的活荷載不再考慮，影院區(qū)域的加固大幅減少。

3.2.4 屋頂新增大跨度懸挑梁

根據(jù)建筑條件室內(nèi)步行街部分屋面位置需要結(jié)構(gòu)懸挑梁板作為步行街屋頂，封口梁作為采光頂?shù)臄R置端，該部位結(jié)構(gòu)懸挑長度為6 m，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 50010—2010）》8.4.1條，在結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位，縱向受力鋼筋不宜設(shè)置連接接頭，為了保證挑梁鋼筋可以順利穿過框架柱和主梁，最終方案定位疊合上翻梁加固（圖3）。

圖3 屋頂新增大跨度懸挑結(jié)構(gòu)平面示意

3.2.5 新增室內(nèi)步行街連廊的抗震支座

單體間連橋設(shè)計(jì)成鋼結(jié)構(gòu)以減少加固量和方便施工，大跨度位置的主鋼梁（跨度大于8 m）一端按固定鉸支座設(shè)計(jì)，另一端按照雙向滑動(dòng)鉸支座設(shè)計(jì)?？紤]牛腿采用植筋做法難度較大、可靠性低，故將放置牛腿區(qū)域的梁混凝土鑿除，待牛腿鋼筋及埋件放入后再整體澆筑混凝土（圖4），牛腿寬度按大震作用下的主樓在該位置的節(jié)點(diǎn)最大位移確定。

圖4 大跨度鋼連橋抗震支座設(shè)計(jì)

跨度較小位置的鋼連橋與主體結(jié)構(gòu)采用后置埋件進(jìn)行連接，主鋼梁一端按固定鉸支座設(shè)計(jì)，另一端按照滑動(dòng)鉸支座設(shè)計(jì)。

4 基礎(chǔ)加固改造

4.1 基本情況

裙房區(qū)采用預(yù)應(yīng)力管樁當(dāng)抗壓兼抗拔樁，樁徑600 mm，樁長15 m（單節(jié)），單樁抗壓承載力特征值1 000 kN，抗拔承載力特征值550 kN；承臺(tái)為四樁承臺(tái)到八樁承臺(tái)，承臺(tái)厚度均為1 m；底板厚度600 mm。

場(chǎng)地地下水抗壓設(shè)計(jì)時(shí)按地表下0.3～1.3 m（相當(dāng)于黃海高程1.20～1.48 m）設(shè)計(jì)，抗浮設(shè)計(jì)時(shí)地下水位取黃海高程2.80 m。

場(chǎng)地±0.00 m標(biāo)高相當(dāng)于黃海高程4.40 m，抗浮設(shè)計(jì)水頭高度6.4＋4.6＋0.6＋2.8－4.4＝10 m。

改造后傳至基礎(chǔ)荷載有較大變化的位置有：地下室新增超市重荷載區(qū)（貨車通道、卸貨區(qū)、庫房、生鮮區(qū)等），新增室外下沉廣場(chǎng)區(qū)域，原下沉廣場(chǎng)封閉區(qū)域。

經(jīng)核算，抗浮工況下荷載增加最大的部位是新增下沉式廣場(chǎng)區(qū)域，原因是該處取消了1 m厚度的地下室頂板覆土及樓蓋，單柱下浮力最大為5 500 kN（原設(shè)計(jì)樁基抗浮承載力4 400 kN），抗壓工況下荷載增加最大的部位是南區(qū)原敞開式內(nèi)庭院增加屋蓋及大跨度梁處，單柱下最大受壓力為6 000 kN（已考慮部分有效水浮力作用，原設(shè)計(jì)樁基抗壓承載力4 500 kN）。

4.2 基礎(chǔ)抗壓不足的加固

基礎(chǔ)抗壓承載力不足時(shí)，常規(guī)做法是采用錨桿靜壓樁加固，但考慮錨桿靜壓樁承載力較低，且兩層地下室的地下水位較高，采用錨桿靜壓補(bǔ)樁時(shí)降水和施工極為困難，以及后期可能出現(xiàn)的滲漏質(zhì)量問題，故在評(píng)審會(huì)議中錨桿靜壓補(bǔ)樁加固方式被否決。本工程柱下抗壓不足的加固主要考慮了如下幾方面有利因素和方法：

1）考慮有利水頭因素：根據(jù)勘察報(bào)告歷史最低水位為黃標(biāo)－0.28 m，兩層地下室區(qū)域基礎(chǔ)底板底標(biāo)高為黃標(biāo)－7.7 m，有利水頭為7.42 m（原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)考慮了5 m有利水頭），基礎(chǔ)底板所在土層為④－2粉質(zhì)黏土地基承載力特征值較高，底板自重可由土層承受。抗壓樁基復(fù)核時(shí)可以適當(dāng)考慮2.4 m的有利水頭作用。

2）采用PMCAD豎向?qū)Ш刹⒏鶕?jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》［4］對(duì)商業(yè)建筑的活荷載乘以折減系數(shù)0.9。

3）考慮上述兩項(xiàng)有利作用后樁基抗壓承載力仍然不滿足要求的地方，采用設(shè)置柱間斜撐（兩端鉸接的受壓桿）的方式解決。設(shè)置斜撐后通過上部結(jié)構(gòu)整體剛度調(diào)節(jié)相鄰柱下樁基礎(chǔ)的變形協(xié)調(diào)，將柱下不足部分的力通過斜撐傳至相鄰柱下基礎(chǔ)。斜撐設(shè)置部位均在地下2層或地下1層，且多數(shù)藏于建筑隔墻里面，并且和建筑與設(shè)備專業(yè)溝通確認(rèn)后實(shí)施。為便于復(fù)核，此處假定相鄰柱下變形一致，按照材料力學(xué)的超靜定計(jì)算公式進(jìn)行手工計(jì)算斜撐處的內(nèi)力傳遞（圖5）。

圖5 基礎(chǔ)抗壓工況設(shè)置柱間斜撐計(jì)算簡(jiǎn)圖

1）平衡方程

2）變形幾何方程

3）物理方程

連解（1）（2）（3）式得出：

新加斜撐采用C45混凝土強(qiáng)度，E2＝E3＝33 500 N／mm2，截面均為600 mm×600 mm，原柱混凝土強(qiáng)度為C40，E1＝32 500 N／mm2，截面為700 mm×700 mm。

地下2層柱間支撐為ZC1：α＝β＝61.3°。

地下1層柱間支撐為ZC2：α＝β＝52.7°。

計(jì)算結(jié)果表明地下2層設(shè)置斜撐時(shí)可以將15%的柱下荷載傳遞至相鄰的柱下承臺(tái)，地下1層設(shè)置斜撐時(shí)可以將25%的柱下荷載傳遞至相鄰柱下承臺(tái)。

為保證斜撐的實(shí)際傳力效果，需要保證斜撐的施工質(zhì)量，在斜撐位置的梁端做好臨時(shí)支撐，斜撐上口的梁截面混凝土部分鑿除以保證斜撐的鋼筋植筋空間和混凝土澆筑。由于斜撐可以按照兩端鉸接的受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)，斜撐的植筋深度按照構(gòu)造就可以滿足要求。

4.3 基礎(chǔ)抗浮不足的加固

本工程是在原有主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的加固改造，建筑整體抗浮能夠滿足要求，只需對(duì)局部柱下抗浮不足的基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。此次加固方式主要采用局部增加配重（損失個(gè)別停車位，底板澆筑一定厚度的素混凝土）和設(shè)置斜撐（進(jìn)行傳力轉(zhuǎn)換）的方式。

4.4 基礎(chǔ)承臺(tái)抗沖切和抗彎不足的加固

柱下承臺(tái)抗沖切和抗彎不足的情況主要通過增加柱截面或在柱周邊設(shè)置混凝土短墻肢的方式解決（圖6）。

圖6 柱下承臺(tái)抗沖切和抗彎不足的加固方式

5 結(jié) 語

1）商業(yè)綜合體加固改造涉及到的改造內(nèi)容多且復(fù)雜，在制定加固改造方案時(shí)不僅要多專業(yè)協(xié)同，而且要盡可能通過多方案比選以減少改造量，優(yōu)化加固措施。

2）通過利用單體間原有的抗震縫，新增鋼連橋一端設(shè)置滑動(dòng)支座，根據(jù)人流合理設(shè)置疏散樓梯等措施，維持建筑抗震設(shè)防類別丙類，減少了加固工程量。

3）對(duì)于地下室部分面荷載增大較多的區(qū)域，采用新增疊合梁板的方式進(jìn)行加固，加快了施工進(jìn)度，也減少了對(duì)梁、板底的原有管線的拆除量。

4）通過在屋頂設(shè)置上翻柱帽，疊合上翻梁截面，挑梁上部鋼筋按現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接這些措施，實(shí)現(xiàn)了屋頂新增加的大懸挑結(jié)構(gòu)。

5）通過考慮有利水頭因素及活載折減，設(shè)置柱間斜撐（兩端鉸接的受壓桿）等多種方式解決了樁基抗壓承載力不足的問題。

6）采用局部堆載和設(shè)置斜撐（進(jìn)行傳力轉(zhuǎn)換）的方式可以解決樁基抗拔承載力不足的問題。

7）通過增加框架柱截面或在柱周邊設(shè)置混凝土短墻肢的方式可以解決柱下承臺(tái)抗沖切和抗彎不足的問題。