廈門某醫(yī)技樓改造加固設(shè)計(jì)

陳書田

(中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)幾十年的高速發(fā)展，我國逐步進(jìn)入新舊共存的城市發(fā)展現(xiàn)狀，部分原有公用建筑已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代使用需求，對這些建筑的改造及加固再利用引起了行業(yè)的關(guān)注。同時(shí)，建筑加固鑒定的要求也在不斷提高，加固方法與技術(shù)層出不窮，根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定加固原則成為加固設(shè)計(jì)首要方法，其次如何把各項(xiàng)加固技術(shù)有機(jī)結(jié)合運(yùn)用成為現(xiàn)狀加固技術(shù)的難點(diǎn)。本文結(jié)合實(shí)際工程實(shí)例，闡述如何進(jìn)行加固鑒定，如何確定加固原則以及綜合運(yùn)用加固技術(shù)。

2 工程概況

本工程建成于1999 年，地上7 層建筑，位于廈門市思明區(qū)仙岳路468 號。平面最大長度34.60 m，最大寬度10.60 m。各層層高：1 層4.00 m，2 層3.60 m，3～7 層均為3.00 m，樓梯間出屋面部分高度為2.50 m，建筑總高約為22.60 m，建筑面積約為2 567.32 m2。該建筑原有功能為：1～2 層辦公，3～7 層宿舍，丙類建筑。上部主體結(jié)構(gòu)形式為混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架抗震等級三級?；A(chǔ)類型為梁板式筏板基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底標(biāo)高-4.2 m。查詢原設(shè)計(jì)圖紙參數(shù)活荷載取值為1.5 kN/m2，原設(shè)計(jì)基本加速度0.10g。

2021 年，建設(shè)單位擬改變建筑使用功能如下：1 層為門診，2～5 層為康復(fù)治療，6～7 層為辦公層，平面布置圖新增兩部電梯，修改了樓梯位置、改變了局部平面布局。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，變更使用功能后建筑活荷載取值為2.0 kN/m2，建筑物的抗震設(shè)防烈度為7 度（0.15g），設(shè)計(jì)地震分組為第三組，建筑場地類別II 類。由于建筑變更使用功能為門診，按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)該建筑抗震類別應(yīng)為重點(diǎn)設(shè)防類別，即建筑類型由丙類建筑提升為乙類建筑，框架的抗震等級由三級提升至二級。

3 檢測鑒定

本工程由建設(shè)單位委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場檢測與安全性、抗震性鑒定。選取1 層、3 層、5 層、7 層抽樣檢測：該建筑混凝土柱、梁、板未發(fā)生變形、未出現(xiàn)裂縫、鋼筋銹蝕外觀完好?；炷量箟簭?qiáng)度回彈根據(jù)GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[1]（以下簡稱“09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)”）按齡期確定修正系數(shù)0.92 確定為C25，梁、柱鋼筋均與設(shè)計(jì)鋼筋直徑相同，結(jié)構(gòu)最大側(cè)向水平位移為1/734。通過PKPM 軟件計(jì)算，結(jié)果顯示該建筑1～5 層框架柱與梁、板均不滿足計(jì)算配筋，鑒定單元安全性等級結(jié)果為Dsu級。根據(jù)09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)中第1.0.4 條、1.0.5 條規(guī)定，抗震鑒定按照B 類建筑進(jìn)行?？拐鹦澡b定結(jié)果如下：

1）該建筑兩個(gè)主軸方向剛度相差較大，有明顯扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，抗扭剛度弱，樓層剛度沿高度分布有突變，存在薄弱層，豎向不規(guī)則；

2）該建筑部分框架柱軸壓比、加密區(qū)長度不符合規(guī)范要求；

3）該建筑部分框架梁加密區(qū)長度不符合規(guī)范要求；

4）該建筑部分梁柱節(jié)點(diǎn)的體積配箍率不符合規(guī)范要求；

5）框架柱、梁、混凝土樓承板抗震承載力不滿足要求；

6）在多遇地震工況下，最大彈性層間位移角為1/459 不符合規(guī)范要求。

場地、地基和基礎(chǔ)根據(jù)09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)中第4.2.2 條的規(guī)定，該建筑基礎(chǔ)可不進(jìn)行抗震鑒定。若后續(xù)改變使用功能導(dǎo)致荷載增加，再進(jìn)行基礎(chǔ)加固。

綜上所述，震鑒定結(jié)果為該建筑物上部主體結(jié)構(gòu)的不滿足抗震要求，需進(jìn)行加固。

4 加固設(shè)計(jì)及分析

4.1 結(jié)構(gòu)后續(xù)使用年限

根據(jù)PKPM 軟件計(jì)算結(jié)果，對1 層、2 層框架柱承載力的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)框架柱X 向計(jì)算配筋與實(shí)配鋼筋最少的相差38%，最多相差64%，均值為51%；而對比2 層、3 層框架梁計(jì)算結(jié)果，梁上部鋼筋計(jì)算配筋與實(shí)配鋼筋相差均值也達(dá)到38%。以上數(shù)據(jù)表明，按照B 類建筑鑒定加固難工程量大，難度高，投入大。

根據(jù)2021 年9 月發(fā)布的GB 55021—2021 《既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范》[2]其中條文說明5.1.2 中明確鼓勵(lì)采用更長的后續(xù)工作年限；考慮到新規(guī)范實(shí)施日期為2022 年4 月，而設(shè)計(jì)的時(shí)間是2021 年10 月，本次鑒定仍按09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。同時(shí)在09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)條文說明1.0.5 中“對于按89 規(guī)范系列設(shè)計(jì)建造的現(xiàn)有建筑，由于本地區(qū)提高設(shè)防烈度或建筑抗震設(shè)防類別提高而進(jìn)行抗震鑒定時(shí)，參照國際標(biāo)準(zhǔn)《結(jié)構(gòu)可靠性總原則》IOS 2394 規(guī)定，當(dāng)出于經(jīng)濟(jì)理由選擇40 年的后續(xù)使用年限卻有困難時(shí)，允許略少于40 年?！痹O(shè)計(jì)資料中顯示，建筑后續(xù)使用年限還剩下27 年，按加固后后續(xù)使用年限30 年能滿足原設(shè)計(jì)使用年限要求。經(jīng)過與建設(shè)方溝通，重點(diǎn)從經(jīng)濟(jì)方面考慮，決定該建筑后續(xù)使用年限30 年（A 類建筑）。

4.2 加固設(shè)計(jì)原則

滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求、滿足加固后抗震性能良好，滿足后續(xù)建筑使用要求，盡量減少對原建筑外觀改動(dòng)，重點(diǎn)考慮節(jié)約造價(jià)、施工可行性與難度。

4.3 抗震整體性加固方案

查閱09 鑒定標(biāo)準(zhǔn)1.0.1 中條文說明地震影響系數(shù)為0.75，抗震構(gòu)造綜合影響系數(shù)為0.71。運(yùn)用PKPM 軟件建模試算，按照不同思路研究了幾種抗震整體性加固方案，并根據(jù)加固設(shè)計(jì)原則進(jìn)行比對。

方案一：由下而上增加原建筑5、6、12、13 軸柱子Y 方向截面，增大Y 方向梁截面高度，增加建筑Y 向剛度，減小扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，位移比由1/459 提高到1/570；統(tǒng)計(jì)框架柱與梁配筋，2 層、3 層梁柱配筋約70%出現(xiàn)超限，其中約20%梁柱計(jì)算配筋大于實(shí)配鋼筋面積的40%。

方案二：由下而上在原建筑5 軸交A-B 軸、13 軸交A-B軸增設(shè)剪力墻，A 軸交6-7 軸、11-12 軸增設(shè)剪力墻。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，位移比由1/459 提高到1/1130；框架柱與梁配筋中，與剪力墻相連的框架柱、角柱均出現(xiàn)縱筋不足，軸壓比超限，2層、3 層梁配筋約30%出現(xiàn)超限，其中約15%大于實(shí)配鋼筋面積的40%，其余各層梁配筋超限面積平均控制在25%以內(nèi)。

方案三（見圖1）：由上而下分別在原建筑X、Y 雙向布置支撐，結(jié)合模型試算與建筑功能布局分析最終確定設(shè)置6 道支撐，分別是5 軸交A-B 軸、6 軸交A-B 軸、12 軸交A-B 軸、13 軸交A-B 軸、A 軸交8-10 軸設(shè)置鋼管交叉柱間支撐，C 軸交12-13 軸設(shè)置倒八字形支撐（考慮支撐水平夾角不大于55°）（見圖1）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，位移比由1/459 提高到1/790；框架柱與梁配筋中，與鋼支撐相連的框架柱出現(xiàn)縱筋不足，軸壓比超限，2 層、3 層梁配筋約35%出現(xiàn)超限，其中約15%大于實(shí)配鋼筋面積的40%，其余各層梁配筋超限面積平均控制在25%以內(nèi)。

圖1 鋼支撐加固模型

方案一未改變原有結(jié)構(gòu)體系，地震工況產(chǎn)生的地震力均傳到框架梁、柱，導(dǎo)致框架柱與梁配筋均大范圍超限，加固難度大工程量大，且原有結(jié)構(gòu)不具備加固條件。

方案二改變原結(jié)構(gòu)體系變?yōu)榭蚣艚Y(jié)構(gòu)，增加自重較多，需要考慮對基礎(chǔ)的加固。剪力墻作為抗震設(shè)計(jì)第一道防線吸收大多數(shù)地震力，減少對原有結(jié)構(gòu)的影響。對該建筑原有筏板基礎(chǔ)加固破壞周邊路面，基礎(chǔ)埋深為-4.2 m，需要進(jìn)行基坑支護(hù)，施工難度大，施工成本高。

方案三改變原結(jié)構(gòu)體系為框架支撐體系，分別利用X、Y方向鋼支撐吸收雙向地震力。加固后地震作用對于原結(jié)構(gòu)柱、梁影響有限，能滿足梁柱加固條件，后續(xù)加固工作只需滿足結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算配筋即可。由于鋼結(jié)構(gòu)較輕，復(fù)核后無須對基礎(chǔ)加固。鋼結(jié)構(gòu)對比混凝土結(jié)構(gòu)施工周期短且環(huán)保，缺點(diǎn)是防火性較差，需要防腐措施。通過對比計(jì)算軟件中預(yù)估的工程量（見表1），發(fā)現(xiàn)方案三混凝土用量與鋼筋用量最少，說明加固對原有結(jié)構(gòu)影響較小，額外加固量小，整體加固難度低。該方案未對原建筑外墻造成破壞或者改動(dòng)，能保持原有建筑外觀完整。

表1 工程量比較

綜上比較，選擇方案三。

4.4 承載力加固方案

1）柱加固分以下情況：（1）軸壓比大于1 的框架柱采用增大截面的處理方式，增大截面部分先植筋后采用無收縮灌漿料填灌（不小于C35）；（2）對于軸壓比大于0.75 小于1 的框架柱用角鋼粘貼四角與運(yùn)用碳纖維布環(huán)形箍加密進(jìn)行加固；（3）PKPM 軟件計(jì)算中考慮了雙向地震作用，根據(jù)GB 500011—2010 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）[3]中對于邊柱、角柱的要求，因此，對于該部分柱加固采用增大截面與環(huán)向圍束碳纖維布通長加密綜合加固法。

2）梁加固：（1）部分框架梁為了滿足抗震承載力采用增大截面法，采用縱筋、腰筋分別植筋的處理方式。對于設(shè)置鋼支撐的位置采用梁底外包鋼板與梁截面增大方式區(qū)分處理。對于梁承載力提高在25%以內(nèi)采用粘貼鋼板加固。（2）梁加密區(qū)長度不滿足的采用鋼箍筋板加固，布置間距為100 mm。

3）板加固：部分房間改變了為儲藏室用途，荷載由1.5 kN/m2變?yōu)? kN/m2，板承載力提升超過50%，采用增設(shè)鋼梁改變板的傳力模式分擔(dān)原有板的荷載與鋼板粘貼輔助加固法。

4.5 節(jié)點(diǎn)加固措施

1）支撐連接處：采用對穿螺栓固定鋼錨板，鋼板滿足基本構(gòu)造厚度的同時(shí)適當(dāng)增加厚度，遵循概念設(shè)計(jì)中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”原則，提高結(jié)構(gòu)延性，鋼支撐與框架柱也便于連接與施工。

2）框架節(jié)點(diǎn)抗震加固：該建筑有部分框架節(jié)點(diǎn)承載力不能滿足規(guī)范要求。在此考慮了兩種方案。方案A：采用外粘鋼箍筋穿梁法加固，根據(jù)中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造》（13G311-1）[4]中第157～161 頁做法。方案B：運(yùn)用高強(qiáng)鋼絞線網(wǎng)-聚合物砂漿加固梁柱節(jié)點(diǎn)。方案A 計(jì)算過程發(fā)現(xiàn)有部分節(jié)點(diǎn)無法滿足截面尺寸限制，需要運(yùn)用加大混凝土截面的方式加固。方案B 是利用高強(qiáng)鋼絞線代替鋼筋，聚合物砂漿代替混凝土，相比粘鋼避免了老化、腐蝕的問題，鋼絞線強(qiáng)度高修補(bǔ)后對自重影響較小。綜上，選擇方案B。

5 結(jié)論與建議

1）改造加固設(shè)計(jì)應(yīng)以安全、經(jīng)濟(jì)合理為目的，不宜將設(shè)計(jì)使用年限定得過高，應(yīng)結(jié)合建設(shè)方實(shí)際使用情況，合理地確定設(shè)計(jì)使用年限，采用較為合理的安全系數(shù)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造。

2）對于抗震烈度較大、設(shè)防類別較高區(qū)域的建筑，梁柱配筋往往是抗震承載力控制，加固方案從整體概念設(shè)計(jì)入手，提高原有建筑整體性及剛度，改變建筑整體結(jié)構(gòu)的受力體系不失為好的思路。

3）合理利用鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件對加固設(shè)計(jì)能產(chǎn)生事半功倍的效果，但應(yīng)該注意：支撐間距不應(yīng)超過框架-抗震墻結(jié)構(gòu)中墻體的最大距離，鋼支撐只吸收地震作用可采取兩端鉸接的計(jì)算模型，鋼支撐應(yīng)有防腐、防火措施。

4）在整體加固設(shè)計(jì)中，單獨(dú)構(gòu)件通過加固設(shè)計(jì)能滿足承載力要求，但梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造措施，例如核心節(jié)點(diǎn)域配箍率不滿足規(guī)范要求，設(shè)計(jì)時(shí)需要加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接。