某工程加固改造設(shè)計合理性分析

王梅芳 （安徽南巽建筑規(guī)劃設(shè)計院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 工程概況

該工程建于2014年，為5層框架，地下1層，地上4層，A區(qū)層高為首層5.4m，B區(qū)層高為首層5.1m，二～四層均為4.8m,建筑高度為23.85m，建筑面積約5.7萬m2。原設(shè)計為普通商業(yè)功能，兩棟建筑僅以連廊相連，且兩棟建筑的標(biāo)高不同，在連廊位置應(yīng)考慮高差不同，完成建筑高差的過渡。改造后建筑功能變化較大，業(yè)態(tài)調(diào)整也較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)加固改造內(nèi)容較多，改造難度較大，例如新增電影院和兒童樂園，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大區(qū)域的開洞；中庭原開洞區(qū)域要求封堵增加建筑功能，而周邊梁原結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力梁，為加固帶來很大難度；兩棟樓之間連廊區(qū)域擴大，也設(shè)置建筑功能房間，此區(qū)域要采用鋼結(jié)構(gòu)連接，節(jié)點處理較為復(fù)雜。

根據(jù)規(guī)范及主管部門有關(guān)文件，對新建或改建建筑均應(yīng)按照最新規(guī)范進行設(shè)計，原設(shè)計結(jié)構(gòu)已不能滿足改造后建筑功能的需求，大部分構(gòu)件均應(yīng)進行加固。

2 建筑工程加固程序

建筑工程加固為確保既有建筑加固安全，應(yīng)遵循以下程序：原有結(jié)構(gòu)檢測鑒定（可靠性和抗震性能鑒定）→加固方案選擇（安全、經(jīng)濟）→加固施工圖設(shè)計（規(guī)范，宜施工）→施工圖審查（嚴(yán)謹(jǐn)）→加固施工（專業(yè)）→竣工驗收。

首先應(yīng)委托專業(yè)檢測機構(gòu)對建筑物進行可靠性鑒定，包括對其現(xiàn)狀進行調(diào)查，查清楚建筑的使用條件、所處環(huán)境及結(jié)構(gòu)目前的狀況；根據(jù)結(jié)構(gòu)鑒定的需要確定調(diào)查的主要內(nèi)容、具體范圍和技術(shù)要求，完成對結(jié)構(gòu)整體安全性的調(diào)查。而因該工程存在特殊情況，原工程僅完成主體工程，未進行竣工驗收，與工程相關(guān)的四方均已更換，原設(shè)計、施工資料不全，故檢測機構(gòu)還應(yīng)對建(構(gòu))筑物的結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)體系完整性、構(gòu)件材料強度、混凝土構(gòu)件的配筋、結(jié)構(gòu)與構(gòu)件幾何尺寸等進行全面檢測與原設(shè)計圖紙進行比對，并繪制工程現(xiàn)狀圖，為加固設(shè)計提供依據(jù)。

其次根據(jù)本工程特點、結(jié)構(gòu)的布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和抗震承載力等因素，采用相應(yīng)的鑒定方法進行綜合抗震能力分析評價，對現(xiàn)有的建筑提出相應(yīng)的抗震減震對策和處理意見。而本工程原設(shè)計施工圖已審圖合格，能滿足當(dāng)時的國家規(guī)范要求，檢測機構(gòu)應(yīng)對其進行復(fù)核性抽檢，明確施工與設(shè)計一致性。而根據(jù)上級主管部門有關(guān)通知規(guī)定改建、擴建工程應(yīng)按現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行，本工程應(yīng)提高一檔進行地震作用計算，而原設(shè)計抗震構(gòu)造措施雖已提高一級，能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，但地震作用的高度也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固較多。

3 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計方法

既有建筑的加固設(shè)計，應(yīng)與實際施工方法結(jié)合，采取有效措施保證新增構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)連接可靠，新增截面與原截面連接牢固，形成整體共同工作，并應(yīng)避免對地基基礎(chǔ)及未加固部分的結(jié)構(gòu)、構(gòu)件造成不利影響。以少動或不動原結(jié)構(gòu)為原則，以傳力簡潔明確為宗旨，以結(jié)構(gòu)安全為準(zhǔn)繩，進行加固設(shè)計。

加固原則是先體系后構(gòu)件。結(jié)構(gòu)體系加固：所謂結(jié)構(gòu)體系就是指豎向構(gòu)件和水平構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)，具有明確的計算簡圖和合理的力流傳遞路徑。常見混凝土結(jié)構(gòu)體系為框架結(jié)構(gòu)、框剪結(jié)構(gòu)、框筒結(jié)構(gòu)、筒中筒結(jié)構(gòu)等。當(dāng)改造前后的建筑發(fā)生較大改變?nèi)缃ㄖ再|(zhì)發(fā)生改變引起抗震設(shè)防類別的改變，如本工程這種情況，或建筑增加層數(shù)使建筑高度的改變導(dǎo)致抗震措施可能提高，這些改變已不是單純構(gòu)件加固能滿足要求的，必須針對結(jié)構(gòu)整體，從結(jié)構(gòu)體系入手進行加固，然后在合理的結(jié)構(gòu)體系下，經(jīng)整體計算分析，對個別仍不能滿足要求的構(gòu)件進行補強加固。

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固方法：增大截面法、混凝土置換法、外粘型鋼法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復(fù)合材料法、繞絲法、鋼絞線網(wǎng)片-聚合物砂漿法、外加預(yù)應(yīng)力法、增設(shè)支點法等。其中目前建筑工程中常用增大截面法、粘貼纖維布法、粘貼鋼板法。

地基基礎(chǔ)加固分為缺陷性注漿加固補強和承載力不足時的基礎(chǔ)加固。補強注漿加固主要是為基礎(chǔ)由于外力損傷、地基不均勻沉降、凍脹等非荷載原因引起的開裂或損傷時，可采用注漿法對基礎(chǔ)進行補強加固。承載能力不足的基礎(chǔ)加固主要是因功能改變（建筑增層）或設(shè)計失誤（荷載丟失）使荷載增加較大而導(dǎo)致基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)承載力不足時，要對基礎(chǔ)進行的加固。采用的方法主要有肋梁加固、局部加腋、板面增澆疊合層、外包鋼板、角鋼或鋼筋混凝土圍套等方法。當(dāng)基礎(chǔ)本身承載力不足而地基承載力足夠時，可只加固基礎(chǔ)，盡量不要擾動原地基土。

4 加固方案選擇及難點處理

本工程建筑功能改變較大，存在大面積的封洞口，開洞口的情況對結(jié)構(gòu)整體影響較大，整體計算表明，原設(shè)計大部分框架主梁、次梁、框架柱均不滿足要求，承載力要求增加超過40%的較多，且框架梁端配筋不足也較多。而建筑層高受限，增大截面法影響建筑功能，這給加固方案的確定帶來了難度，經(jīng)過多次現(xiàn)場勘察、反反復(fù)復(fù)試算，并進行經(jīng)濟性比較，加固思路如下：

方案階段考慮在樓電梯間隔墻位置增設(shè)剪力墻，將原框架結(jié)構(gòu)體系變?yōu)榭蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)體系加固法，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系降低了框架的抗震等級，經(jīng)計算分析，由于荷載有較大增加，與框架結(jié)構(gòu)體系直接加固的構(gòu)件量相差不大，而新增墻的量遠(yuǎn)大于減少的構(gòu)件加固量，故仍采用框架結(jié)構(gòu)體系進行加固。

原結(jié)構(gòu)圖恢復(fù)模型計算可知，其扭轉(zhuǎn)周期比大于0.9，雖然規(guī)范未要求多層框架結(jié)構(gòu)要控制此參數(shù)。但限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度不能太弱。限制結(jié)構(gòu)的抗扭剛度關(guān)鍵就是限制扭轉(zhuǎn)為主第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（簡稱周期比）。當(dāng)兩者接近時，由于振動耦聯(lián)的影響，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)就會明顯增大?？拐鹪O(shè)計中采取措施減少周期比，使結(jié)構(gòu)具有必要的扭轉(zhuǎn)剛度，因此本工程加固設(shè)計中采用增加邊梁高度及加大框架柱截面等方式，將周期比調(diào)整至0.9以下，從而降低結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，確保建筑的安全。

結(jié)構(gòu)加固設(shè)計最常用的方法：粘貼鋼板法、粘貼纖維法，有施工較為簡便，原構(gòu)件自重增加小，對結(jié)構(gòu)影響較小，也不改變結(jié)構(gòu)外形，不影響建筑使用空間等優(yōu)點。但也有其缺陷，規(guī)范要求為防止使用膠粘劑的結(jié)構(gòu)加固部分意外失效而導(dǎo)致的建筑物坍塌，此方式結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)進行，并應(yīng)對原結(jié)構(gòu)進行驗算。驗算要求為原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件能承擔(dān)1.2～1.5倍恒載標(biāo)準(zhǔn)值的作用，包括受彎承載力和受剪承載力。對原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件提供附加的安全保護。故加固設(shè)計采用粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維布加固法時，構(gòu)件加固后正截面受彎承載力的提高幅度不應(yīng)超過40%，并驗算其受剪承載力，不能出現(xiàn)受彎承載力提高后而導(dǎo)致構(gòu)件受剪破壞先于受彎破壞。本工程加固設(shè)計時承載力提高不超過此限值的梁板采用粘貼碳纖維布進行加固，框架柱采用粘貼鋼板方式進行加固。

原結(jié)構(gòu)開大洞口區(qū)域，框架主梁及次梁采用預(yù)應(yīng)力措施，目前現(xiàn)狀是梁端頂部有部分鋼筋外露，表面有大量浮漿，結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患，為更好地了解鋼筋外露是當(dāng)時施工規(guī)范養(yǎng)護不到位引起的，還是施加預(yù)應(yīng)力引起的，已委托專業(yè)檢測機構(gòu)進行專項檢測，確定加固后的結(jié)構(gòu)安全。而改造后的建筑要封洞口，這就給結(jié)構(gòu)加固帶來很大的難度。既要確定建筑功能的實現(xiàn)又要確定原預(yù)應(yīng)力不受到破壞，就不能直接在預(yù)應(yīng)力梁上進行采用后錨固技術(shù)。封堵區(qū)域如圖1所示三角形開洞區(qū)域。圖示中正交十字梁的為后張法預(yù)應(yīng)力梁，確保加固過程中不破壞原有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的受力特性，使新增板塊傳力直接明確，就充分利用周邊柱，將荷載直接傳到框架柱上，新增板塊與原預(yù)應(yīng)力梁間采用油氈分隔，上面采用建筑做法連成一體。具體洞口加固封堵圖如圖2所示。本工程這種洞口封堵較多都是采用這種方式，封堵結(jié)構(gòu)傳力均采用新增梁板直接傳力到框架柱或新增構(gòu)件上，與原有預(yù)應(yīng)力構(gòu)件不產(chǎn)生直接作用。

圖1 封堵區(qū)域示意圖

圖2 洞口封堵圖

本工程A區(qū)長度59.1m，B區(qū)長度56.4m，兩幢樓間間距14m，原建筑為實現(xiàn)兩側(cè)連通采用弧形鋼結(jié)構(gòu)連廊進行連接，存在一定的安全隱患。改造建筑為了更好地利用此建筑，將中間95.4m×14m區(qū)域的一半均做了連接，并且設(shè)置建筑功能而非僅連廊功能，此區(qū)域跨度較大，底層中間為主要通道不是增加柱支撐，直接采用混凝土梁板結(jié)構(gòu)加固，會將兩幢樓連成一體，結(jié)構(gòu)總長度達到129.5m，結(jié)構(gòu)超長，使用期間的溫度應(yīng)力會較大，而既有建筑與新建建筑不同，原設(shè)計未考慮溫度應(yīng)力的作用，后期增加難度較大。與加固結(jié)構(gòu)設(shè)計原則相違背。故仍連接為非剛接，采用滑動支座，溫度應(yīng)力通過支座移動釋放。采用混凝土結(jié)構(gòu)連廊梁高較大，對建筑功能有影響，施工難度大，采用鋼結(jié)構(gòu)連廊自重較輕，在框架柱上增設(shè)牛腿，并對區(qū)域采用包鋼加固，并采用SAP2000進行有限元模擬分析，確定節(jié)點安全。

5 結(jié)論

通過該改造工程的設(shè)計，有了以下的體會。

①改建工程設(shè)計與新建工程設(shè)計存在很大差別，新建工程在一張白紙上實現(xiàn)的建筑意圖，而改建工程則在已有畫作實現(xiàn)新的意圖，受原有框架的限制，更注重現(xiàn)場情況的調(diào)研，真正要求做到理論聯(lián)系實際，才能更好地完成自己的作品。

②工程設(shè)計中也要有一定的前瞻性，為后期加固改造預(yù)留一定的空間，減少后期改建的難度。加固施工要有先進性，構(gòu)件拆除應(yīng)采用無損作業(yè)。

③加固設(shè)計將結(jié)構(gòu)安全放在首位，施工簡便、造價經(jīng)濟等諸方面也要考慮，才能選擇最合理的加固方案，采取最有效的加固技術(shù)措施，以求能達到最佳的加固效果，既滿足建筑功能，又確保結(jié)構(gòu)安全。

④加固設(shè)計中也可以考慮采用新技術(shù)與新工藝。隨著經(jīng)濟技術(shù)的發(fā)展新技術(shù)新工藝也有長足的進步，減震隔震技術(shù)在加固工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。

最后，該工程在加固設(shè)計前期為確保工程的安全、合理、經(jīng)濟，特請行業(yè)專家、高校教授召開了專題咨詢會，得到他們的悉心指導(dǎo)，受到很大的啟發(fā)，在此表示最誠摯的感謝。