某教學(xué)樓改造與加固設(shè)計(jì)

孫 峣，郭越洋（天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司， 天津 300073）

1 工程概況

本工程為天津市某高校一教學(xué)樓的改造項(xiàng)目。該教學(xué)樓建于 2005 年，地上 12 層、地下 1 層，建筑高 55.8 m，結(jié)構(gòu)形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，樓蓋形式為現(xiàn)澆鋼筋混凝土梁板結(jié)構(gòu)。4 F 以下混凝土構(gòu)件強(qiáng)度等級(jí)為C40，4 F 及以上為 C35。

本次改造主要為建筑使用功能調(diào)整和消防改造。結(jié)構(gòu)專業(yè)需配合建筑、設(shè)備專業(yè)的需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和安全加固，主要涉及屋頂新建水箱間及水箱基礎(chǔ)、屋頂新建直燃機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)、局部走廊擴(kuò)建、原有梁加固等。根據(jù) JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》，本工程加固后結(jié)構(gòu)剛度和重力荷載代表值的增加不超過原來的 10% 和 5%，故可不考慮結(jié)構(gòu)整體抗震加固，僅按局部加固處理和分析。

本文詳細(xì)闡述了以上各項(xiàng)結(jié)構(gòu)改造加固的設(shè)計(jì)方案和工程做法，并對(duì)比了不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，為以后同類型的改造加固設(shè)計(jì)提供方法與思路。

2 屋頂新建水箱間

根據(jù)給排水專業(yè)需要，在屋頂兩柱跨的范圍內(nèi)新建一個(gè)水箱間及水箱基礎(chǔ)，水箱間平面尺寸為 16.4 m×8.4 m，水箱運(yùn)行重量為 58 t（含水箱重）。

2.1 新建水箱間

屋頂新建水箱間采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，水箱間頂板采用混凝土梁板結(jié)構(gòu)，新增的 6 個(gè)框架柱分別設(shè)置在原結(jié)構(gòu)框架柱頂，并采用植筋的方式與原結(jié)構(gòu)柱連接。為避免植筋與原柱中鋼筋位置沖突，新建柱的截面尺寸（600 mm×600 mm）小于原結(jié)構(gòu)柱（800 mm×800 mm）并居中設(shè)置。在植筋施工前，應(yīng)先剔除框架柱頂?shù)幕炷帘Ｗo(hù)層，露出原有結(jié)構(gòu)梁柱鋼筋，植筋時(shí)不得破壞原有鋼筋。

2.2 新建水箱基礎(chǔ)

對(duì)于新建的水箱基礎(chǔ)，可采用下列兩種方案。

方案一：新建水箱基礎(chǔ)梁（300 mm×800 mm）直接放置在屋面板上，基礎(chǔ)梁兩端應(yīng)伸過原結(jié)構(gòu)框架梁邊，水箱荷載通過原結(jié)構(gòu)梁傳至結(jié)構(gòu)柱，同時(shí)對(duì)該屋面框架梁進(jìn)行受力復(fù)核并加固。

方案二：在新建水箱間框架柱間新建框架梁（400 mm×850 mm），在新建框架梁之間設(shè)置水箱基礎(chǔ)梁（300 mm×800 mm），新建框架梁和基礎(chǔ)梁的梁底均高于屋頂完成面，水箱荷載通過新建結(jié)構(gòu)傳至原結(jié)構(gòu)柱上。

方案一優(yōu)點(diǎn)為鋼筋、混凝土用量較少，施工支模較為簡(jiǎn)單，同時(shí)新建基礎(chǔ)頂標(biāo)高較低，可有效降低水箱間的高度，對(duì)建筑整體立面影響較小。其缺點(diǎn)在于，施工時(shí)需要將此部分屋面面層剔除露出原有屋面結(jié)構(gòu)，且新建基礎(chǔ)梁滿跨布置，影響此區(qū)域的排水；同時(shí)，原有框架梁的內(nèi)力大幅度增加，經(jīng)計(jì)算框架梁的下筋計(jì)算面積由 1 400 mm2增至 2 900 mm2，支座上筋由 1 900 mm2增至 3 200 mm2，需對(duì)該框架梁進(jìn)行較大程度的加固，承載力提高幅度＞40%。

方案二優(yōu)點(diǎn)在于施工時(shí)無須剔除該區(qū)域屋面面層，且新建梁底高于屋面完成面，不影響排水；同時(shí)，對(duì)原有框架梁受力無影響，安全性較高。其缺點(diǎn)在于鋼筋混凝土用量較大，支模工作較多，且新建基礎(chǔ)梁頂標(biāo)高較高，增大了水箱間的高度，對(duì)建筑立面影響較大。

考慮到方案一對(duì)原結(jié)構(gòu)安全性影響較大，經(jīng)與各方協(xié)商，本工程新建水箱間基礎(chǔ)采用方案二。另外，本工程設(shè)備放置在屋頂，故未考慮易銹蝕的全鋼結(jié)構(gòu)方案。

3 屋頂新建直燃機(jī)等設(shè)備基礎(chǔ)

根據(jù)暖通專業(yè)需要，在屋頂增加直燃機(jī)和風(fēng)機(jī)，直燃機(jī)運(yùn)行重為 10 t，風(fēng)機(jī)運(yùn)行重為 100 kg。

3.1 增加直燃機(jī)基礎(chǔ)

同 2.2 節(jié)水箱基礎(chǔ)，新建直燃機(jī)運(yùn)行重較大，因此本工程也采用了新建架空的框架梁柱作為設(shè)備基礎(chǔ)，即在原有框架柱頂新增框架柱（采用植筋方式連接），在新建框架柱之間新建框架梁和次梁。新建框架梁和次梁的梁底均高于屋頂完成面，從而避免了對(duì)原結(jié)構(gòu)梁、板受力以及原屋面面層的影響。

3.2 增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行重較輕，本工程將風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)直接放置在屋面板上。風(fēng)機(jī)所在位置原結(jié)構(gòu)為懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑梁截面為 300 mm×800 mm，懸挑長(zhǎng)度為 3 m。經(jīng)核算后，懸挑梁上筋計(jì)算面積為 2 300 mm2，原有配筋為 5C22，不滿足要求。

本工程對(duì)該懸挑梁采用截面加高的做法，為避免影響梁下的設(shè)備管線，僅對(duì)懸挑梁根部加高 300 mm，使得原有上筋滿足承載力的要求；同時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算懸挑梁變截面處的承載力是否滿足計(jì)算要求，從而確定根部加高的水平長(zhǎng)度。截面加高范圍內(nèi)，應(yīng)設(shè)置 C8@100 mm 的 U 型箍筋，與原有箍筋焊接，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果增加下筋 3C20，如圖1 所示。

圖1 懸挑梁根部加高做法

由于新增下筋兩端均需植入原有結(jié)構(gòu)，為便于施工，將下筋分為兩段，所以待植筋完成后將兩段鋼筋進(jìn)行焊接連接。為了減小焊接時(shí)溫度升高對(duì)植筋膠黏結(jié)性能的影響，焊接位置應(yīng)距離植筋孔≥20d（d為鋼筋植筋），且應(yīng)斷續(xù)施焊，并用水浸漬多層濕巾包裹植筋外露部分，保證鋼筋根部溫度不超過植筋膠規(guī)定溫度。同時(shí)，施工時(shí)應(yīng)先將原有混凝土表面進(jìn)行鑿毛并清除浮灰，以增大新老混凝土之間的黏結(jié)作用。另外，在梁加固施工前，應(yīng)卸除或大部分卸除作用在構(gòu)件上的活荷載，并對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面可靠的支撐，以確保安全。

4 局部樓板擴(kuò)建

根據(jù)建筑和暖通專業(yè)的需要，在 2～8 F 局部走廊一側(cè)需進(jìn)行樓板擴(kuò)建，新建區(qū)域作為設(shè)備間并設(shè)置排風(fēng)井，如圖2 所示，圖中陰影部分為新建區(qū)域。

圖2 走廊擴(kuò)建平面圖

4.1 懸挑梁改為框架梁

走廊原結(jié)構(gòu)為懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑長(zhǎng)度為 3 m，懸挑梁截面尺寸為 300 mm×800 mm，上筋為 5C22 3/2，下筋為4C22。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)建時(shí)，應(yīng)將懸挑梁向上延長(zhǎng)至框架柱處，形成新的框架梁 KL1，KL1上端與框架柱植筋連接，下端與原懸挑梁連接。為減少 KL1 對(duì)框架柱的影響，梁上端按鉸接設(shè)計(jì)。

當(dāng)新建 KL1 截面同懸挑梁時(shí)，經(jīng)核算，梁下筋計(jì)算面積為 2 700 mm2，原懸挑梁段 4C22 的配筋不足，需對(duì)其進(jìn)行加固，本工程加固采用增大截面法，并比選了下列兩種方案。

方案一：將懸挑梁段加高至 1 000 mm，同時(shí)新建 KL1的截面尺寸為 300 mm×1 000 mm，梁頂標(biāo)高同懸挑梁。經(jīng)核算，懸挑梁根部上筋計(jì)算面積為 1 900 mm2，原有配筋5C22 滿足要求；下筋計(jì)算面積為 2 400 mm2，由于截面加高，下筋可另行配置。因此，新建KL1上筋配置 3C22，與原懸挑梁上筋進(jìn)行焊接連接；KL1 下筋配置 5C25 2/3，貫穿梁下部增加的截面并植入柱內(nèi)。

方案二：將懸挑梁段加寬至 500 mm，且新建 KL1的截面尺寸為 500 mm×800 mm，梁頂標(biāo)高同懸挑梁。經(jīng)計(jì)算，懸挑梁根部上筋計(jì)算面積為 2 100 mm2，原有配筋 5C22 不滿足要求，需增加配筋；下筋計(jì)算面積為 2 900 mm2，需在原有 4C22的基礎(chǔ)上增加 3C25。因此，新建 KL1上筋配置 5C22，其中 3 根鋼筋與懸挑梁上筋焊接連接，另外 2 根配置在懸挑梁側(cè)截面加寬范圍內(nèi)并植入柱中（圖3）；KL1 下筋配置 7C25，其中 4 根鋼筋下端與懸挑梁下筋焊接連接，另外 3 根配置在懸挑梁側(cè)截面加寬范圍內(nèi)并植入柱內(nèi)。

圖3 懸挑梁加寬做法

兩種方案均采用了增大懸挑梁截面的加固方法，并充分利用原有配筋，使得加固后的截面配筋滿足計(jì)算結(jié)果要求。

根據(jù) JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》的要求，“植筋間距≥5d（d為鋼筋植筋）”。由于梁中鋼筋較密，在梁筋植入柱中之前，應(yīng)將部分鋼筋向上彎折后植筋，使得植筋間距滿足要求。

對(duì)比兩種方案，方案一的優(yōu)點(diǎn)在于新增鋼筋混凝土用量較少，對(duì)梁的加固效率較高，且截面加高時(shí)無須破壞原有樓板，其缺點(diǎn)在于原懸挑梁位于走廊處，梁下設(shè)備管線較密集，梁截面加高后，多數(shù)管線需要截?cái)嗪笤O(shè)置彎頭，不僅增加工程量且影響設(shè)備管線的工作性能，同時(shí)降低了走廊處吊頂標(biāo)高。方案二的優(yōu)點(diǎn)在于梁截面加寬對(duì)梁下的設(shè)備管線沒有影響，其缺點(diǎn)在于新增鋼筋混凝土用量較大，對(duì)梁的加固效率較低，同時(shí)需要破壞梁側(cè)的樓板（不得破壞樓板鋼筋），且梁頂新增鋼筋容易與原有樓板鋼筋位置沖突。

考慮到方案一對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管線和吊頂高度影響較大，本工程采用了方案二。

4.2 原有次梁加固

原有封邊梁 L1（圖2）的截面尺寸為 250 mm×650 mm，下筋為 3C20。經(jīng)計(jì)算，擴(kuò)建后梁底所需鋼筋面積為 1 100 mm2，原有配筋不足。

考慮到 L1 左段為走廊，梁下設(shè)備管線密集，梁加高施工困難，且原結(jié)構(gòu)梁承載力相差較小，故該梁可采用外黏型鋼、纖維布或直接焊接加筋的方法進(jìn)行加固。

考慮到施工的簡(jiǎn)易性，本工程采用直接焊接加筋的方法，其具體做法為：剔除梁下混凝土保護(hù)層，露出梁下筋，在梁底新增下筋 2C22，新老鋼筋之間采用焊接短筋進(jìn)行連接，短筋規(guī)格為 C22@400 mm。

4.3 新建次梁與原有墻梁的連接

擴(kuò)建區(qū)域中需設(shè)置排風(fēng)井，面積為 800 mm×2 800 mm，需設(shè)置次梁 La、Lb（見圖2），其截面分別為250 mm×550 mm、200 mm×400 mm，次梁兩端與原有剪力墻、梁進(jìn)行植筋連接。由于墻、梁寬度較小，不滿足植筋長(zhǎng)度要求，所以在鋼筋端部焊接鋼板以提高錨固作用。

4.4 新建樓板與原有梁的連接

本工程新建混凝土板板厚為 100 mm，樓板與原有梁連接時(shí)，應(yīng)將梁頂板厚范圍內(nèi)的混凝土剔除，露出原有樓板鋼筋，新建板筋與原樓板鋼筋采用焊接連接。

由于新建樓板凈跨為 2.8 m，板跨較小，可將樓板設(shè)計(jì)為單向板，這樣僅板的受力邊需進(jìn)行焊接連接，減少施工作業(yè)量。同時(shí)，樓板的非受力邊連接處，應(yīng)將原有混凝土保護(hù)層剔除并鑿毛，以增加新老混凝土之間的黏結(jié)性。

5 結(jié) 語

本文以天津市某高校一教學(xué)樓改造項(xiàng)目為例，闡述了混凝土結(jié)構(gòu)在屋頂新建水箱間、增加大重量設(shè)備、懸挑梁加固、樓板擴(kuò)建、懸挑梁改框架梁的相關(guān)做法，并對(duì)不同的改造加固方案進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下。

（1）在屋頂新建框架結(jié)構(gòu)時(shí)，新建柱截面應(yīng)小于原框架柱，并在施工時(shí)對(duì)原有柱頂進(jìn)行剔鑿，以避免植筋時(shí)與原有柱筋的位置沖突。

（2）在屋頂增加水箱、直燃機(jī)等重量較大的設(shè)備時(shí)，可新建架空的框架梁柱作為設(shè)備基礎(chǔ)，將設(shè)備荷載直接傳至原結(jié)構(gòu)柱，以避免對(duì)原結(jié)構(gòu)梁、板受力以及原屋面面層的影響。

（3）原有懸挑梁配筋不足時(shí)，可將梁根部截面加高，使得原有配筋滿足要求，并驗(yàn)算變截面處的承載力，同時(shí)給出梁截面加高的施工要點(diǎn)。

（4）提供了樓板擴(kuò)建時(shí)，將懸挑梁改造為框架梁的設(shè)計(jì)方法；當(dāng)原有梁中配筋不足時(shí)，可優(yōu)先采用梁加高的方法進(jìn)行加固，如梁底設(shè)備管線較多時(shí)，可考慮采用梁加寬的方法。

（5）提供了新建梁板與原結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)做法、原有次梁增加下筋的節(jié)點(diǎn)做法，以及相關(guān)施工要點(diǎn)。