既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接設(shè)計(jì)建議

吳灝斌，孟珊，張楠祥，梁碩，馬宇希

（中國(guó)建筑第二工程局有限公司，廣東深圳 518000）

1 舊混凝土建筑與新鋼結(jié)構(gòu)建筑連接工程的設(shè)計(jì)思路

1.1 收集原混凝土建筑工程相關(guān)資料

在既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最關(guān)鍵的是要對(duì)既有建筑的相關(guān)資料進(jìn)行搜集。既有建筑的工程資料是后續(xù)實(shí)施改擴(kuò)建施工的關(guān)鍵依據(jù)，如果沒(méi)有對(duì)既有建筑的相關(guān)資料進(jìn)行詳細(xì)、周密的審查，則難以確保工程的可行性。這些工程資料具體包括原工程的概況、地質(zhì)勘察資料、工程設(shè)計(jì)圖紙、施工環(huán)境分析等，還包括原工程施工的相關(guān)資料，如工程驗(yàn)收記錄、工程設(shè)計(jì)變更、工程量核定清單等。一切與原有建筑工程的相關(guān)資料都應(yīng)被收集整理，為連接工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，只有這樣才能為原有建筑與新建結(jié)構(gòu)連接工程施工奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1.2 對(duì)既有建筑物進(jìn)行全面鑒定

在連接工程施工設(shè)計(jì)前，要對(duì)既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的鑒定，鑒定通常包括兩方面：

1）鑒定原有混凝土建筑結(jié)構(gòu)的安全性。在原建筑物上連接新建鋼結(jié)構(gòu)建筑，必須與建筑物現(xiàn)有規(guī)范相符合，確保已施工的結(jié)構(gòu)與實(shí)際設(shè)計(jì)和原建筑施工資料保持一致，才能更好地開(kāi)展新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接施工。如果既有建筑物隨著使用年限的增長(zhǎng)而導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)遭到損壞，使用存在問(wèn)題，安全性存在缺陷，后期硬要在建筑物上連接新建鋼結(jié)構(gòu)建筑，必定會(huì)對(duì)建筑物整體造成巨大損害。

2）鑒定既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性。在既有建筑結(jié)構(gòu)上連接新建鋼結(jié)構(gòu)建筑，會(huì)導(dǎo)致既有建筑物的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，可能會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)承擔(dān)的負(fù)荷增加。如果既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能不能滿足施工要求，就需要重新考慮連接工程是否可行。因此，要對(duì)既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震鑒定，根據(jù)改擴(kuò)建之后的結(jié)構(gòu)狀科學(xué)建立力學(xué)模型，做好抗震分析，確保既有建筑物的抗震性能可以滿足連接工程的實(shí)際要求按照相應(yīng)的規(guī)范，對(duì)既有建筑物進(jìn)行加固改造。

1.3 制訂工程設(shè)計(jì)方案

在對(duì)既有建筑進(jìn)行全面的鑒定之后，要制訂科學(xué)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案首先要參考既有建筑的工程資料，并與新的工程施工資料相結(jié)合，例如，新工程的地質(zhì)勘查報(bào)告、施工圖等，對(duì)建筑的樁基、基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)制訂完善的設(shè)計(jì)方案。在既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接的過(guò)程中，要考慮到地層沉降問(wèn)題，對(duì)既有建筑樁基設(shè)計(jì)中樁型的選擇以及持力層的設(shè)計(jì)要反復(fù)核實(shí)校驗(yàn)，在滿足工程連接施工要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體情況進(jìn)行針對(duì)性的處理。通常情況下，如果既有混凝土建筑物的樁基不能再繼續(xù)使用，就必須將其全部拆除，在既有樁基承載力無(wú)法滿足現(xiàn)有施工要求的情況下，要進(jìn)行補(bǔ)樁施工。除此之外，對(duì)于既有混凝土建筑為獨(dú)立基礎(chǔ)的，可以采取增加基礎(chǔ)面積或者加大基礎(chǔ)高度的方法，保證既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑的有效連接。同時(shí)，可以采用擴(kuò)大橫截加固方法以及粘貼纖維復(fù)合材料加固法，對(duì)既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行多重加固。

2 工程實(shí)例

某既有建筑物，在施工時(shí)采用混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑物主體為地上28層，地下室2層?，F(xiàn)為完善建筑物功能，需要進(jìn)行建筑物改擴(kuò)建施工，在既有建筑物上新建鋼結(jié)構(gòu)工程，新建部分的總建筑面積約為30 000 m2，地下建筑面積約達(dá)9 000 m2，層高為地下4.5 m；地上1層、2層的高度分別為5.1 m和4.8 m；3層與4層的高度一致，同為5.8 m。由于該連接工程連接節(jié)點(diǎn)位置采用的建筑材料不相同，既涉及混凝土結(jié)構(gòu)，又涉及鋼結(jié)構(gòu)，連接節(jié)點(diǎn)部分受力情況較為復(fù)雜，因此，給工程連接設(shè)計(jì)帶來(lái)了許多困難。

3 在既有混凝土建筑上連接新建鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)建議

結(jié)合該工程案例，在既有建筑物與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要從以下4個(gè)方面入手。

3.1 新建鋼梁與鋼筋混凝土柱相連接

在既有混凝土建筑結(jié)構(gòu)上新建鋼結(jié)構(gòu)建筑，必定要將鋼梁與混凝土柱相連接，連接會(huì)進(jìn)一步加大混凝土柱的受荷面積。由于該工程中既有建筑物的建設(shè)時(shí)間較為久遠(yuǎn)，無(wú)法準(zhǔn)確掌握混凝土柱的強(qiáng)度承載力，因此，要對(duì)梁柱連接進(jìn)行處理。設(shè)計(jì)中將工字型鋼柱緊靠混凝土柱，橫截面尺寸為250 mm×250 mm×8 mm×12 mm，鋼梁和鋼柱之間采用鉸接方式連接起來(lái)。鉸接在一起的梁和柱能夠獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，梁與柱之間沒(méi)有彎矩的傳遞，這樣，鋼柱只需要承受鋼梁傳遞的軸力。鉸接首先要在原鋼筋混凝土墻中設(shè)置預(yù)埋件，并在預(yù)埋件上焊牢連接板，采用高強(qiáng)度螺栓將連接板與型鋼梁腹板連接起來(lái)，如圖1所示。然后再沿著混凝土柱的長(zhǎng)度方向植入鋼筋，鋼筋間間隔為0.5 m，鋼筋要錨入墻中，錨固長(zhǎng)度與箍筋配置應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。錨固長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

圖1 新建鋼梁與鋼筋混凝土墻連接示意圖

L=adfy/ft（1）式中，fy為鋼筋的抗拉強(qiáng)度；ft為混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度；a為鋼筋的外形系數(shù)，根據(jù)鋼筋類型的不同則取值不同，通常情況下，帶肋鋼筋外形系數(shù)取值0.14，光面鋼筋外形系數(shù)取值0.16；d為鋼筋的直徑。

在鋼筋錨入墻體中后，用混凝土將鋼柱的外部包圍起來(lái)，鋼柱采用柱腳栓與原有鋼筋混凝土柱的承臺(tái)相連接，使新建鋼筋結(jié)構(gòu)與原混凝土柱連接成一個(gè)整體[2]。

3.2 新建鋼梁與鋼筋混凝土梁相連接

連接鋼筋混凝土梁與新建鋼梁時(shí)，最關(guān)鍵的問(wèn)題是確定復(fù)合鋼筋混凝土的最大承載能力，當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載超過(guò)最大限度時(shí)，有可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)遭到破壞。在對(duì)既有建筑的安全性進(jìn)行鑒定以及明確工程參數(shù)的基礎(chǔ)上，可以采用鉸接的方式將新建鋼梁與鋼筋混凝土梁連接。在混凝土梁上使用螺栓安裝底座，再將鋼梁固定或者焊接在底座上。鋼筋混凝土梁承受鋼梁傳遞的剪力可以有效減少鋼筋混凝土梁的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。通過(guò)鋼筋混凝土梁承受的剪力，對(duì)連接鋼梁和混凝土梁的錨栓受拉承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以按照式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中，Ptv為錨栓鋼材受拉承載力的設(shè)計(jì)值；ψE，t為錨栓受拉承載力抗震折減系數(shù)；Yut為錨栓鋼材用于抗拉計(jì)算的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，需要根據(jù)錨栓鋼材的性能等級(jí)進(jìn)行取值，一般情況下，碳鋼及合金鋼錨栓根據(jù)性能等級(jí)分為4.8級(jí)、5.8級(jí)、6.8級(jí)、8.8級(jí)，相應(yīng)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為250 MPa、310 MPa、370 MPa、490 MPa；Bs為錨栓的有效截面面積。

在對(duì)錨栓鋼材受剪承載力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要分別對(duì)有桿臂和無(wú)桿臂進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

有桿臂錨栓鋼材受剪承載力計(jì)算較為復(fù)雜，公式為：

無(wú)桿臂錨栓鋼材受剪承載力計(jì)算公式為：

式中，Ca為錨栓鋼材受剪承載力的設(shè)計(jì)值；σ為被驗(yàn)算錨栓承受的軸向拉應(yīng)力，σ的取值是固定的，通常為錨栓鋼材受拉承載力設(shè)計(jì)值/錨栓的有效截面面積；Fet為錨栓的橫截抵抗矩；αn為約束系數(shù)；L0為杠桿臂的計(jì)算長(zhǎng)度；ψE，V為錨栓受剪承載力抗震折減系數(shù)；Yut為用于抗剪計(jì)算的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。本工程中應(yīng)用的錨栓直徑大于12 mm，錨固深度超過(guò)6 cm，通過(guò)分析和計(jì)算可確定,該工程錨固設(shè)計(jì)符合新建鋼梁與鋼筋混凝土梁的連接要求，同時(shí)新建鋼結(jié)構(gòu)建筑與原有建筑物的施工資料保持一致。

3.3 既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)連接接頭施工縫防水處理

在新建鋼結(jié)構(gòu)建筑時(shí)，要注意連接位置的防水處理。如果既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑連接部位由于不均勻沉降而出現(xiàn)裂縫，必然會(huì)導(dǎo)致滲水問(wèn)題。因此，在施工中要控制防水混凝土結(jié)構(gòu)底板的混凝土墊層強(qiáng)度不得低于C15，厚度不能小于0.1 m。在軟弱土層，混凝土墊層的厚度要達(dá)到0.15 m以上。

在本工程中，為了做好建筑接頭施工縫的防水處理，施工之前先要將混凝土基層上的污物清理干凈，可采用清水沖洗的方式進(jìn)行清理。然后在舊混凝土面上剔槽，槽形為U形槽，操作起來(lái)簡(jiǎn)便，效率高。操作中沿著既有建筑物混凝土面的下部鋼筋上口2 cm，上部鋼筋下口2 cm彈線后剔除形成U形槽。U形槽的深度為5 cm，為了避免施工接縫面有明水流動(dòng)，工程采用鋼絲刷將U形槽內(nèi)的污物刷洗干凈[3]。同時(shí)，將舊混凝土接縫面肉眼可見(jiàn)的已經(jīng)硬化的水泥浮漿采用油灰刀刮除干凈。然后采用SM膠，沿槽以魚(yú)鱗狀的形式打出均勻的膠條，將整個(gè)槽腔封閉起來(lái)。SM膠是遇水膨脹嵌縫膠，能夠在遇到水時(shí)發(fā)生膨脹固化從而堵住滲水口。SM膠條會(huì)出現(xiàn)兩次膨脹，在混凝土初凝之前出現(xiàn)首次緩膨脹。這次膨脹的作用主要是讓膠條更加密實(shí)地貼合在新舊混凝土上。在發(fā)生滲漏后，遇水SM膠條會(huì)出現(xiàn)再次膨脹，并出現(xiàn)固態(tài)化，再次膨脹的作用是封堵滲水路線，從而解決既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)連接接頭施工縫滲水的問(wèn)題。接下來(lái)是預(yù)埋IT管，即全斷面出漿注漿導(dǎo)管，IT管布置在膠下口緊貼著混凝土的接縫表面，然后將IT管與出漿注漿管的一端打通。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了完善老舊建筑的功能，對(duì)城市老舊混凝土建筑進(jìn)行改擴(kuò)建是非常普遍的。在原有的混凝土建筑結(jié)構(gòu)上連接鋼結(jié)構(gòu)，最重要的是要著眼于工程實(shí)際，優(yōu)化工程設(shè)計(jì)方案。充分考慮既有混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，提高工程連接實(shí)施的可行性，采取科學(xué)的、合理的措施提高新舊建筑連接的安全性、可靠性，確保既有混凝土建筑與新建鋼結(jié)構(gòu)建筑能夠有效地結(jié)合。