舊廠房改造為教學(xué)樓的探究與實(shí)現(xiàn)

康國(guó)飛 中山市建筑工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查中心有限公司

1 前言

原廠房概況：該廠房位于廣東省中山市三角鎮(zhèn)高平村，原廠房A幢由車(chē)間一（100m×30m），車(chē)間二+辦公樓+定型車(chē)間（229.5m×32m）兩個(gè)長(zhǎng)方形組成，通過(guò)一個(gè)8m×24.75m走廊連接，總建筑面積為41075.08m2。結(jié)構(gòu)體系為四層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，基本地震設(shè)防烈度7度，地震動(dòng)加速度0.1g，場(chǎng)地類別為Ⅲ類。原設(shè)計(jì)抗震類別為丙類廠房。主跨為10m×10m×10m，11m×10m×11m，開(kāi)間尺寸為6m?；A(chǔ)采用A型400×95PHC管樁基礎(chǔ)，單樁豎向承載力特征值1400kN。2001年建成竣工。

圖1平面布置位置示意

在進(jìn)行改造的過(guò)程中，主體結(jié)構(gòu)的95%都得到了保留，在原有廠房中最大限度地利用了已有結(jié)構(gòu)構(gòu)件。例如原有基礎(chǔ)以及承重柱和梁，在大體不變的情況下切割了少數(shù)梁、樓板。也就是在建筑物內(nèi)保留了原有的承重構(gòu)件，然后通過(guò)對(duì)隔墻的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)內(nèi)部空間的重新劃分。

2 改造要求

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)環(huán)保要求的提高，這一工業(yè)廠區(qū)周邊都是生活居住區(qū)，工廠需要搬遷，該廠區(qū)改為學(xué)校用地，將舊廠房改造為適應(yīng)新時(shí)代的教學(xué)樓，更好地融入人們的生活，繼續(xù)更好地服務(wù)社會(huì)。

3 前期資料的收集

由于檔案管理不當(dāng)，廠房的建筑施工圖和竣工驗(yàn)收資料大部分缺失。因此，要求建設(shè)方委托專業(yè)單位進(jìn)行既有建筑物結(jié)構(gòu)可靠性鑒定，檢測(cè)現(xiàn)有建筑的整體傾斜度、構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)、構(gòu)件配筋等，并給出各部分構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的推定値。同時(shí)又進(jìn)行了場(chǎng)地巖土補(bǔ)充勘察和建筑物梁柱布置和構(gòu)件尺寸的全面測(cè)繪。

4 改造方案優(yōu)化

首先利用廣廈GSSAP21.0版軟件進(jìn)行了既有建筑結(jié)構(gòu)在原有使用用途工況的整體結(jié)構(gòu)計(jì)算，結(jié)合保留的部分原施工資料，進(jìn)行了原結(jié)構(gòu)施工圖的復(fù)原，繪制出原結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置、構(gòu)件配筋圖紙。并取得原構(gòu)件的內(nèi)力，為改造方案提供可靠的數(shù)據(jù)，尤其是柱底內(nèi)力數(shù)據(jù)，在滿足建筑功能的前提下，上部多采用輕質(zhì)材料，最大化減少構(gòu)件的加固數(shù)量，在進(jìn)行多方案對(duì)比時(shí)，需要盡量控制柱底內(nèi)力不增加，使得基礎(chǔ)不需要加固改造，以減少改造費(fèi)用和工期。

5 改造計(jì)算

依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》第6.0.8條，中學(xué)教學(xué)樓抗震設(shè)防類別為乙類，抗震等級(jí)為二級(jí)，結(jié)合《結(jié)構(gòu)可靠性鑒定及抗震鑒定報(bào)告》給出的材料強(qiáng)度等級(jí)，《補(bǔ)充場(chǎng)地巖圖勘察報(bào)告》給出的場(chǎng)地類別，采用廣廈GSSAP21.0版軟件進(jìn)行改造后整體空間模型（原有構(gòu)件尺寸）計(jì)算，

依據(jù)《結(jié)構(gòu)可靠性鑒定及抗震鑒定報(bào)告》、模擬復(fù)原結(jié)構(gòu)圖紙和上面的計(jì)算資料，對(duì)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行逐一校核，加大不滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面（軸壓比大于0.75的柱，縱筋相差大于800mm2的柱，縱筋相差大于650mm2的梁）尺寸后，重新進(jìn)行空間模型復(fù)核計(jì)算。

6 構(gòu)件加固設(shè)計(jì)

依據(jù)上述最后計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行逐一復(fù)核，針對(duì)不同的不足采取對(duì)應(yīng)的加固措施。

（1）框架柱軸壓比不足

依據(jù)《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，抗震二級(jí)，框架柱軸壓比不宜大于0.75，對(duì)于軸壓比不足的框架柱采取加大截面加固處理，

N為地震作用組合的柱軸壓力設(shè)計(jì)值；A1、A2分別為原柱截面面積、新加截面面積；fc1、fc2為原柱混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、新加混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（2）框架柱配筋不足

1）配筋相差不大于800mm2的柱，采取四角粘貼4L75×5角鋼加固處理，

采用等強(qiáng)代換原則復(fù)核，考慮應(yīng)力滯后按0.8的折減，L75×5截面面積：As=741mm2，設(shè)計(jì)強(qiáng)度215N/mm2，柱每邊角鋼2條L75×5：As=1482mm2，等代鋼筋面筋：1482×215×0.8/310=822mm2大于800mm2，滿足要求。

2）配筋相差大于800mm2的柱，按照加大截面加固處理，鋼筋按新增鋼筋與原有鋼筋共同受力確定。具體依據(jù)GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》第5章進(jìn)行計(jì)算。

例如：首層柱1-1×1-L兩面加大截面

概況：首層柱1-1×1-L原混凝土強(qiáng)度等級(jí)實(shí)測(cè)值為C20，驗(yàn)算得軸壓比不滿足要求，采用兩面加大截面進(jìn)行加固。計(jì)算過(guò)程如下：

1＞、輸入?yún)?shù)：a）截面參數(shù)：原柱寬：B1=350mm，原柱高：H1=600mm；加固后柱寬：B=470mm，加固后柱高：H=750mm。

b）設(shè)計(jì)內(nèi)力：加固軸力設(shè)計(jì)值：N=1812kN，加固彎矩設(shè)計(jì)值：M=201kN·m。

c）材料參數(shù)：原混凝土等級(jí)：C20fco=9.6N/mm2，加固后混凝土等級(jí)：C30fc=14.3N/mm2，原受壓鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fyo1=300N/mm2，原受拉鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fyo=300N/mm2，加固鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=360N/mm2。

d）配筋參數(shù)：原受壓鋼筋面積：Aso1=1140mm2，原受拉鋼筋面積：Aso=1140mm2。

e）其他參數(shù)：柱的計(jì)算長(zhǎng)度：Lo=6000mm。

2＞、計(jì)算過(guò)程和結(jié)果

偏心受壓計(jì)算：e0=M/N=110.927mm，ea=25.000mm，ei=e0+ea=135.927mm，新舊混凝土混合強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcc=(fco+0.9×fc)/2=11.235N/mm2。

ξ1=0.5×fcc×b×h/N=1.093；ξ1＞1，取ξ1=1；ξ2=1.15-0.01×lo/h=1.070；ξ2＞1，取ξ2=1。

組合截面的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fcc=(fco+0.9×fc)/2=11.23N/mm2。

界限受壓區(qū)高度：xb=ξb×h0=0.8×ho/(fyo/(Eso×εcu)+1)=372.71mm

循環(huán)迭代，求得：受壓區(qū)高度x=323.68mm

加固后柱軸壓比=N/(fco×Aco+αcs×fc×Ac)=0.497

實(shí)配225+218，Aa1=1491mm2，則1491mm2＞-613.74mm2，滿足要求。

（3）梁正截面承載力不足

對(duì)于受彎承載力相差40%以上，采用加大截面法。

例如：二層梁1/1-1×1-L～1-P單面加大截面

概況：計(jì)算結(jié)果顯示此梁不滿足承載力要求，需對(duì)其進(jìn)行梁加大截面加固，計(jì)算過(guò)程如下：

1＞、輸入?yún)?shù)

a）截面參數(shù)：原梁寬：b=240mm，原梁高：h=600mm；加固前截面有效高度：h01=570mm，加固后梁寬：b1=400mm，加固后梁高：h1=600mm。

b）設(shè)計(jì)內(nèi)力：原彎矩標(biāo)準(zhǔn)值：Mok=306kN·m；加固彎矩設(shè)計(jì)值：M=466kN·m。

c）材料參數(shù)：原混凝土等級(jí)：C20；fc=9.6N/mm2，ft=1.1N/mm2，新增混凝土等級(jí)：C30；fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2。

正截面計(jì)算混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fco=9.6，原受壓鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fyo1=300N/mm2，原受拉鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fyo=300N/mm2，加固受拉鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：fy=360N/mm2。

d）配筋參數(shù)：原受壓鋼筋面積：As0'=982mm2，原受拉鋼筋面積：As0=982mm2，新增受壓鋼筋面積：As1'=0mm2。

2＞、計(jì)算過(guò)程與結(jié)果

α1=1.000，β1=0.800。

a）抗彎計(jì)算：εso=Mok/(0.87×Ho1×Aso×Es0)=0.00314；εs1=(1.6×Ho/Ho1-0.6)×εso=0.00314；αs=0.900；ξb=β1/(1+αS×fy/(εcu×Es0)+εs1/εcu)=0.327

極限受壓區(qū)高度xb=ξb×ho=186.657

由公式M≤αs×fy×As(ho-x/2)+fyo×Aso(ho1-x/2)+αs×fy×Ay1×(x/2-a1)+fyo1×Aso1(x/2-a1)

循環(huán)迭代計(jì)算受壓區(qū)高度x，原受拉鋼筋應(yīng)力σs0，需配的鋼筋面積As

求得x=163.739mm，σs0=300.000N/mm2

面筋實(shí)際新配525(2454mm2)，原面筋配982mm2

則As=2454+982=3436mm2＞2849.87mm2，滿足要求。

（4）梁正截面承載力不足

對(duì)于承載力相差不大于40%的梁，采用粘貼碳纖維布加固。

例如：二層梁1-9×1-K～1-P、1-10×1-K～1-P，粘貼碳纖維布

概況：不滿足承載力要求，采用粘貼碳纖維布進(jìn)行加固。

1＞、輸入?yún)?shù)

a）截面參數(shù)：截面寬度b=240mm；截面高度h=800mm。

b）設(shè)計(jì)內(nèi)力：加固后彎矩設(shè)計(jì)值M＝319kN·m；加固前初始彎矩設(shè)計(jì)值值Mo＝242kN·m。

c）材料參數(shù)：混凝土強(qiáng)度等級(jí)=C18；復(fù)合材類型：?jiǎn)蜗蚩椢铮ㄒ患?jí)）；原受拉鋼筋強(qiáng)度f(wàn)yo=300N/mm2；原受壓鋼筋強(qiáng)度f(wàn)yo1=300N/mm2

d＞配筋參數(shù)：復(fù)合材單層厚度tf=0.167mm；復(fù)合材層粘貼寬度bf=200mm；原受拉鋼筋合力作用點(diǎn)到近邊距離a=30mm；原受拉鋼筋面積Aso=1473mm2；原受壓鋼筋合力作用點(diǎn)到近邊距離a1=30mm；原受壓鋼筋面積Aso1=0mm2；鋼筋排數(shù)=單排鋼筋。

e＞其他參數(shù)：構(gòu)件重要性：重要構(gòu)件，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)。是否考慮二次受力：考慮。

2＞、計(jì)算過(guò)程和結(jié)果

正截面計(jì)算（見(jiàn)加固規(guī)范公式9.2.3～3，9.4.4-1，9.2.5）。

受壓區(qū)高度x=234.725mm；界限相對(duì)受壓區(qū)高度=317.625mm。

7 對(duì)于不滿足正常使用和抗震構(gòu)造要求的構(gòu)件

例如：梁、柱箍筋加密間距不足，需要采用包碳纖維布、增加鋼板綴板進(jìn)行加固。樓梯欄桿、護(hù)窗欄桿等需要按學(xué)校要求進(jìn)行復(fù)核加固。

8 基礎(chǔ)復(fù)核

按照加固改造后的上部構(gòu)件尺寸、荷載，修改電算模型，取得最后的柱底內(nèi)力資料，經(jīng)復(fù)核原有管樁基礎(chǔ)和承臺(tái)均滿足改造后要求，基礎(chǔ)不需要加固處理。

經(jīng)過(guò)六個(gè)月的改造施工，該建筑已于2020年8月竣工驗(yàn)收，迎接9月新生入學(xué)，本次改造設(shè)計(jì)效果良好，贏的建設(shè)方的贊譽(yù)。