既有建筑結(jié)構(gòu)改造加固淺議

湛永紅， 賀明華， 錢正安

（1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550008；2.中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039；3.黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 556000）

0 引言

經(jīng)過幾十年的建設(shè)發(fā)展，尤其是從1998年中央政府確定了城鎮(zhèn)住房的市場化、貨幣化、商品化改革方向之后，國內(nèi)的房地產(chǎn)建設(shè)項目快速增加。通過查詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從2000年～2020年這20年，房地產(chǎn)竣工面積平均每年以20%左右速度增加。目前，國內(nèi)既有建筑的建筑面積已經(jīng)超過約400億m2。隨著城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，各大城市中心城區(qū)的新建建設(shè)用地供應(yīng)將明顯減少，中心城區(qū)既有建筑的結(jié)構(gòu)改造、加固將會明顯增多。其次，我國建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限絕大多數(shù)為50年，從1980年開始算起，到今天已41年。自2000年算起，到現(xiàn)在也已20年，大部分建筑已經(jīng)進入“中年”，隨之而來的是建筑結(jié)構(gòu)的逐漸老化（混凝土碳化、鋼筋銹蝕、抹灰層開裂脫落，結(jié)構(gòu)布置不夠合理等）；再次，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，經(jīng)濟模式、商業(yè)形態(tài)、社會團體的組織結(jié)構(gòu)等日新月異，許多既有建筑的裝修風格、建筑布局等已不滿足當下的功能使用要求，需要對建筑、裝修進行改造，這些改造必然伴隨結(jié)構(gòu)改造與加固。

針對由于建筑裝飾材料的老化，使用單位的人數(shù)的增加和組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整對建筑功能布局要求的改變而進行的改造，往往只是調(diào)整局部布置，改變墻體的布置。對于這種細小的改造，宜先對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行仔細校核，在構(gòu)件滿足承載力和正常使用要求的前提下再對整體結(jié)構(gòu)按現(xiàn)行規(guī)范對相關(guān)整體指標進行判定，盡量少加固、不加固，以盡最大程度減輕對結(jié)構(gòu)的破壞。而對需要改變建筑功能、增加結(jié)構(gòu)荷載、拆除局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件或改變部分結(jié)構(gòu)布置等的改造，則需要對結(jié)構(gòu)進行加固計算設(shè)計。此時則需要完整建模，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對結(jié)構(gòu)進行計算分析。

1 工程概況

項目為某辦公樓，該建筑設(shè)計完成時間為1998年，2000年竣工。該建筑采用80系列規(guī)范進行設(shè)計。場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為6度，抗震設(shè)防類別為丙類；基礎(chǔ)采用人工挖孔樁基礎(chǔ)?？偨ㄖ娣e約3500m2，采用框剪結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)長43.2m，寬12.9m；建筑地上6層，無地下室。結(jié)構(gòu)總高度23.1m，局部高度24.6m，局部錯層，縱向共7跨，橫向1跨見圖1。該建筑結(jié)構(gòu)平面布置比較規(guī)則，縱向各開間尺寸均為3.6m，進深均為5.4m，平面中間為2.1m寬走廊。

圖1 標準層結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）

2 加固的原因及改造內(nèi)容

隨著使用單位人員增加以及其組織結(jié)構(gòu)的調(diào)整，原建筑的房間布置不再滿足運營的需要，使用單位要求對原建筑進行改造。改造的主要內(nèi)容包括：①原1層特種倉庫需改造增加倉庫面積，需拆除部分鋼筋混凝土填充墻（此墻僅為建筑功能的鋼筋混凝土墻，并非豎向承重構(gòu)件）；②將位于原2層（4.5m標高）的計算機房移動至第4層（11.70m標高），原4層該區(qū)域為辦公室。根據(jù)87版荷載規(guī)范，辦公室活荷載取值為1.5kN/m2，而根據(jù)使用單位對機房的要求，機房的活荷載為8kN/m2，由于第4層荷載增加，需要對該區(qū)域進行加固；③3～6層各層均有部分房間布局需要改變，改變的方式，在原橫向框架梁（次梁）上拆除或增加填充墻。需要驗算復(fù)核既有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力和變形；④屋頂新增30t水箱及暖通設(shè)備荷載，需對部分豎向構(gòu)件進行計算復(fù)核加固。

3 結(jié)構(gòu)檢測結(jié)果

檢測結(jié)果表明，混凝土強度基本滿足原設(shè)計強度要求，未見明顯碳化；所測構(gòu)件的鋼筋與設(shè)計圖紙吻合（原設(shè)計，各主要受力構(gòu)件混凝土強度等級均為C30，鋼筋均為HRB335）；構(gòu)件的截面尺寸也基本與設(shè)計圖紙吻合。結(jié)構(gòu)構(gòu)件僅局部表面缺陷，且其工作無異常。樓、屋面板未發(fā)現(xiàn)損傷、變形過大、裂縫等異常情況，工作正常。

4 加固原則及計算依據(jù)

4.1 加固原則

根據(jù)項目的改造特點，改造強度不大，本著能不加固盡量不加固的原則，通過修改模型核算，在滿足承載力及正常使用要求的基礎(chǔ)上減少結(jié)構(gòu)的加固工程量。同時，盡量使用輕質(zhì)材料，減小新增荷載對原結(jié)構(gòu)的影響。對改造區(qū)域的相關(guān)部位，尤其是梁、柱和基礎(chǔ)進行了仔細核算，經(jīng)核算后必須加固的部位采用對原結(jié)構(gòu)破損較小的加固方法，盡量減少對原結(jié)構(gòu)的損壞。

4.2 計算依據(jù)

根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》3.7.3［1］對既有結(jié)構(gòu)進行改建擴建或加固改造而重新設(shè)計時，承載能力極限狀態(tài)的計算應(yīng)要符合本規(guī)范的規(guī)定。

根據(jù)新版《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》［2］結(jié)構(gòu)荷載的分項系數(shù)從2001年版《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標準》［3］的1.2，1.4變?yōu)楝F(xiàn)在的1.3，1.5。

根據(jù)新版的《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載規(guī)范》（以下簡稱12版《荷規(guī)》）［4］與87版《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載規(guī)范》［5］（以下簡稱87《荷規(guī)》）對辦公樓樓面活荷載的取值有所提高，12版《荷規(guī)》辦公樓樓面活荷載取值2kN/m2，87版《荷規(guī)》辦公樓樓面活荷載取值為1.5kN/m2，提高了33.3%。

現(xiàn)行《抗規(guī)》［6］相比89版《抗規(guī)》［7］在對結(jié)構(gòu)內(nèi)力調(diào)整、結(jié)構(gòu)體系的塑性機構(gòu)控制方面有明顯不同的規(guī)定。

5 改造后結(jié)構(gòu)分析

5.1 結(jié)構(gòu)整體分析

結(jié)構(gòu)整體指標包括：剪重比、扭轉(zhuǎn)位移比、剛重比、周期比以及位移比等，是反應(yīng)結(jié)構(gòu)整體剛度和受力特點的關(guān)鍵參數(shù)。在對既有結(jié)構(gòu)進行改造，加固時需要重新根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對原有結(jié)構(gòu)的整體指標進行復(fù)核。

原結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架為單跨框架，橫向剪力墻為雙片橫向剪力墻見圖1，①、⑦、⑩、軸設(shè)置剪力墻?？偢叨?3.1m，局部24.6m。

經(jīng)建模分析計算，結(jié)構(gòu)的整體指標基本滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。僅結(jié)構(gòu)在偶然偏心地震作用規(guī)定水平力下的樓層最大位移比為1.74（強剛模型）不滿足現(xiàn)行《抗規(guī)》3.4.4條不大于1.50的規(guī)定。為提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，減小結(jié)構(gòu)層間位移比，決定在③軸橫向增設(shè)鋼筋混凝墻或增設(shè)鋼支撐。經(jīng)建模分析對比，同時考慮到增設(shè)鋼支撐之后，鋼支撐框架的混凝土構(gòu)件應(yīng)在構(gòu)造上比原結(jié)構(gòu)提高一級（《抗規(guī)》G.1.2），原結(jié)構(gòu)構(gòu)造抗震等級不滿足要求，最終采用增設(shè)一小片鋼筋混凝土剪力墻，在不影響結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造要求的前提下，降低結(jié)構(gòu)的水平變形，使其滿足整體指標的要求。由此可見，既有結(jié)構(gòu)的改造時，結(jié)構(gòu)整體復(fù)核時不僅要考慮整體指標的抗震計算，還要考慮抗震措施［8］。

項目為鋼筋混凝土-框剪結(jié)構(gòu)，沿Y向為單跨框架，在①、⑦、⑩、軸總共設(shè)置有8片剪力墻，沿X向為純框架布置?？傮w指標參數(shù)計算結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。為此，需根據(jù)《抗震鑒定標準》6.2的要求對結(jié)構(gòu)進行綜合抗震能力指數(shù)計算。經(jīng)計算，樓層綜合能力指數(shù)大于1.0，滿足承載力要求。

5.2 構(gòu)件加固受力特征

加固構(gòu)件的受力特征與新澆筑構(gòu)件的受力特征不同，加固構(gòu)件屬于二次受力構(gòu)件，其內(nèi)力計算較為復(fù)雜，需要考慮構(gòu)件在加固前因初始受力產(chǎn)生的變形，殘余內(nèi)力以及新舊材料之間的協(xié)同受力等［9，10］。

5.3 主要受力構(gòu)件的計算及加固

項目原設(shè)計完成于1998年，設(shè)計規(guī)范主要采用的是87《荷規(guī)》，89《混規(guī)》，89《抗規(guī)》，與現(xiàn)行規(guī)范相比，其主要計算參數(shù)變化如表1所示。

表1 原設(shè)計規(guī)范與現(xiàn)行規(guī)范主要參數(shù)

目前，對于常規(guī)的多層混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)計算程序已能較好的對既有結(jié)構(gòu)進行對比計算分析。根據(jù)《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》3.0.4［11］和《建筑抗震鑒定標準》1.0.5［12］的規(guī)定，既有建筑應(yīng)按后續(xù)設(shè)計使用年限為40年的B類建筑進行設(shè)計?？拐鸪休d力調(diào)整系數(shù)按現(xiàn)行《抗規(guī)》取值，實配與計算配筋比值設(shè)為1.0。

從表1可知，相比原設(shè)計采用的規(guī)范體系，現(xiàn)行規(guī)范體系對結(jié)構(gòu)設(shè)計各方面均有所提高。分項系數(shù)分別比原《荷規(guī)》提高了8%、7%；室內(nèi)活荷載比原《荷規(guī)》提高了33%，再考慮抗震措施的調(diào)整，梁柱組合內(nèi)力設(shè)計值有大幅度增加。

進行計算分析時，應(yīng)先按既有建筑的結(jié)構(gòu)布置建立原結(jié)構(gòu)模型，按現(xiàn)行規(guī)范體系輸入相關(guān)參數(shù)。

同時，根據(jù)竣工圖紙輸入實配鋼筋，通過程序的加固鑒定模塊進行分析計算。計算結(jié)果表明，原實配配筋與按新規(guī)計算配筋差別較多。尤其是沿走廊布置的縱向次梁，在主要改造樓層（2層，4層）該次梁配筋在端部實配鋼筋與改造后模型計算所得的計算配筋差別較大。此外，在原設(shè)計活荷載較大的部分區(qū)域（4層檔案室，活荷載原設(shè)計為12kN/m2），經(jīng)復(fù)核原始設(shè)計的梁（框架梁、次梁）各層均有多處不滿足承載力要求的情況，柱實配鋼筋除局部樓層不滿足以外，其余樓層均滿足，所有樓層的柱的軸壓比均滿足規(guī)范要求?；A(chǔ)及地基的承載力也滿足要求。

5.3.1 荷載梳理

本著盡量少加固的原則，對項目較多處不滿足現(xiàn)行規(guī)范計算配筋的情況，首先對結(jié)構(gòu)荷載進行了梳理。仔細校對各專業(yè)竣工圖紙，重新計算了各樓層實際荷載。將恒荷載由原來的5.0kN/m2，改為4.2kN/m2。其次，仔細計算梁上隔墻自重，計算時根據(jù)樓層高度和梁高，確定梁上隔墻實際自重。

5.3.2 計算方式調(diào)整

針對部分梁配筋過大和梁撓度超標的情況，根據(jù)現(xiàn)行《混規(guī)》5.2.4考慮樓板作為翼緣對梁剛度和承載力的提高，從而降低梁撓度和跨中計算配筋。

針對部分梁支座處配筋不足的情況，根據(jù)現(xiàn)行《混規(guī)》5.4.3采用塑性調(diào)幅的方式，適當減小支座處負彎矩，增大跨中正彎矩，盡量使支座處實配鋼筋滿足承載力要求，不滿足的部位采用粘鋼加固。

5.3.3 改變用材

針對局部樓層新增填充墻較多的情況，為降低梁底彎矩，跟建設(shè)方商量采用輕質(zhì)隔墻。

5.3.4 加固方法

通過前述3種方式的調(diào)整，已大幅度減少了配筋不足的構(gòu)件數(shù)量，針對仍不滿足計算配筋的構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)加固。

加固的方式主要有增大截面法，貼碳纖維片材法，外包型鋼法以及粘鋼法。增大截面法對提高構(gòu)件的承載力較為明顯，同時對結(jié)構(gòu)損壞較小。粘鋼法和貼碳纖維片材法對構(gòu)件的承載力提高幅度有限，僅適用于承載力增加較少的構(gòu)件。

通過加固設(shè)計，經(jīng)加固之后的結(jié)構(gòu)構(gòu)件均滿足承載力和正常使用的變形要求。

6 結(jié)語

通過此次設(shè)計，總結(jié)歸納出以下結(jié)構(gòu)改造加固的設(shè)計經(jīng)驗。

（1） 在對既有建筑結(jié)構(gòu)進行改造加固時，需首先對其整體指標進行復(fù)核，不僅要滿足抗震計算的要求，還要滿足抗震措施的要求。

（2） 既有建筑結(jié)構(gòu)改造加固前應(yīng)結(jié)合竣工資料（各專業(yè)竣工圖、工程變更、技術(shù)洽商等），也需在原設(shè)計地勘報告等中仔細梳理既有建筑的恒載、活載，并結(jié)合檢測鑒定報告中對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)取值進行建模分析。

（3） 結(jié)構(gòu)改造應(yīng)充分利用規(guī)范關(guān)于構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計的規(guī)定，比如，考慮樓板翼緣對提高梁的抗彎剛度的規(guī)定，梁彎矩調(diào)幅的規(guī)定，對抗震調(diào)整系數(shù)降低的規(guī)定等提高構(gòu)件的承載力或降低構(gòu)件所受組合內(nèi)力。

（4） 在滿足使用功能的情況，盡量采用輕質(zhì)材料，降低結(jié)構(gòu)所受恒載。

（5） 加固時要結(jié)合各種加固方法的特點有針對性的進行結(jié)構(gòu)加固設(shè)計。