高烈度地震區(qū)醫(yī)療建筑改造結(jié)構(gòu)加固設(shè)計要點

黃 俊

（廣東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 廣州 510290）

0 引言

為滿足廣大人民群眾的就醫(yī)需求，緩解當(dāng)?shù)卦嗅t(yī)院的看病壓力，新疆某地塊商業(yè)建筑群擬改建為醫(yī)院的新院區(qū)，充分發(fā)揮原建筑的“余熱”，本項目為該地重點民生工程之一。

工程位于新疆喀什地區(qū)，功能定位為二級甲等綜合醫(yī)院，總建筑面積約7 萬m2。建筑所在地地震烈度較高，建筑的安全性能要求高。本文詳細(xì)介紹了項目改造結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程，探討該類型改造項目中一些問題的處理思路。

1 工程概況

原商業(yè)建筑于2012 年投資興建，為一大型商貿(mào)城。該商業(yè)建筑采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，天然獨立基礎(chǔ)，地上兩層，局部地下1 層，商貿(mào)城由24 個建筑單體相連接而組成。項目主要的首層層高為4.5 m，二層層高為4.2 m，屋面為不上人屋面。

結(jié)構(gòu)單體主要采用正交主次梁板樓蓋，開間主要跨度為8.4 m、9.0 m 等，進(jìn)深主要跨度為9.9 m、10.0 m等。框架柱的截面尺寸有500 mm×500 mm、400 mm×500 mm 等，框架梁截面尺寸主要為250 mm×800 mm、300 mm×800 mm 等，樓板主要為120 mm 厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板。上部結(jié)構(gòu)框架柱及剪力墻的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級均為C30，首層室內(nèi)地面為素混凝土，二層至天面層梁板的混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C25。梁柱的縱向鋼筋采用Ⅲ級鋼筋，梁柱箍筋采用Ⅰ級鋼筋；板鋼筋為Ⅰ級鋼筋。

改造后建筑設(shè)防類別調(diào)整為重點設(shè)防類（乙類）建筑，由于抗震設(shè)防類別及建筑功能的改變，原設(shè)計中的抗震構(gòu)造措施與配筋均有不足的情況。同時因為建筑功能需要，需鑿除少量抗震墻，因此需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固設(shè)計。改造后的項目整體效果如圖1 所示，結(jié)構(gòu)單體分塊如圖2所示，典型結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖1 項目效果Fig.1 Project Rendering

圖2 結(jié)構(gòu)單體分塊Fig.2 Block of Structural Unit

圖3 典型結(jié)構(gòu)單體結(jié)構(gòu)布置Fig.3 Typical Single Structure Layout

2 結(jié)構(gòu)可靠性鑒定概況

根據(jù)檢測單位出具的可靠性鑒定顯示：①結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)工作狀態(tài)基本正常；②未發(fā)現(xiàn)該建筑主體結(jié)構(gòu)存在因結(jié)構(gòu)受力或變形引起的明顯可見裂縫或損傷，但部分樓板存在開裂、滲水等缺陷；③建筑物結(jié)構(gòu)布置大部分都與原設(shè)計相符；④根據(jù)鉆芯法檢測的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，混凝土的抗壓強(qiáng)度值滿足設(shè)計強(qiáng)度等級要求；⑤根據(jù)鋼筋掃描結(jié)果，鋼筋配置滿足原設(shè)計要求；⑥該建筑安全性等級評定為Bsu級，正常使用性等級評定為Bss級，可靠性等級評定為Ⅱ級。

3 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計基本條件

⑴本工程加固部分后續(xù)使用年限定為50 年，為C 類建筑，按現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016 年版）：GB 50011—2010》［1］的要求進(jìn)行抗震鑒定、修復(fù)。

⑵本工程抗震設(shè)防烈度為8 度（0.3g）。本工程為醫(yī)療類建筑，抗震設(shè)防類別為重點設(shè)防類（乙類），按9度采取抗震措施。

⑶按9度采取抗震措施后，原框架梁柱構(gòu)件大多數(shù)的構(gòu)造措施（如鋼筋錨固長度，箍筋間距和直徑等）均不能滿足二級抗震等級要求。

針對該實際情況，結(jié)合文獻(xiàn)［1］附錄M 的相關(guān)內(nèi)容，本次抗震加固設(shè)計中梁柱按性能3水準(zhǔn)要求執(zhí)行，即梁柱構(gòu)件的承載力按提高一度（9度地震力，二級抗震措施）要求進(jìn)行復(fù)核，部分梁柱構(gòu)件承載力不足處采用適當(dāng)?shù)募庸谭绞竭M(jìn)行加固，復(fù)核加固后抗震構(gòu)造措施按降低一度采用［1-2］。

剪力墻構(gòu)造措施基本能滿足一級抗震要求，因此剪力墻構(gòu)件未按性能3水準(zhǔn)執(zhí)行，仍按原地震烈度（8度地震力，一級抗震措施）進(jìn)行復(fù)核。結(jié)構(gòu)抗震等級及性能說明如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)抗震等級及性能說明Tab.1 Structural Seismic Grade and Performance Description

⑷樓面的恒活載均按常規(guī)醫(yī)療建筑取值；基本風(fēng)壓值ωo=0.55 kN/m2；基本雪壓值So=0.45 kN/m2。綜合考慮建筑功能改造的靈活性及經(jīng)濟(jì)型，內(nèi)隔墻除特殊空間外均考慮采用輕質(zhì)墻板分隔，減輕建筑物自重。

4 結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計

4.1 整體結(jié)構(gòu)計算

本工程結(jié)構(gòu)分析采用PKPM 系列軟件JDJG 計算軟件。加固設(shè)計計算模型按改造后的建筑設(shè)計圖紙結(jié)合原設(shè)計圖紙及竣工資料等建立了改造模型，除改造范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)布置改變外，其余布置均與原設(shè)計一致?；炷翉?qiáng)度等級按原有施工圖設(shè)計值、鑒定報告實際檢測值輸入計算。梁、柱截面尺寸和定位按竣工圖紙以及加固后實際截面輸入。部分單體結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移比較大，考慮增設(shè)少量剪力墻方式調(diào)整，所增設(shè)剪力墻用植筋方式與原有柱及基礎(chǔ)梁連接。結(jié)構(gòu)荷載布置按改造后的建筑布局，施加均布荷載和墻體線荷載。

經(jīng)過驗算本工程各項整體指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范的有關(guān)要求或未超出規(guī)范規(guī)定的最大限值；墻柱的軸壓比和各構(gòu)件的強(qiáng)度及變形也能滿足規(guī)范的要求。典型結(jié)構(gòu)單體的位移指標(biāo)如表2所示。

表2 典型結(jié)構(gòu)單體的位移指標(biāo)Tab.2 Displacement Index of Typical Structural Units

4.2 大震性能化分析

采用動力彈塑性計算軟件PKPM-SAUSAGE 對結(jié)構(gòu)模型補(bǔ)充大震彈塑性分析。大震下地震波選取1條人工波，2 條天然波。各波主方向加速度峰值調(diào)至510 cm/s2，次方向加速度峰值調(diào)至433.5 cm/s2，對結(jié)構(gòu)X、Y兩個方向分別作用各波主方向計算。

構(gòu)件的損傷主要以混凝土的受壓損傷因子、受拉損傷因子及鋼材（鋼筋）的塑性應(yīng)變程度作為評定標(biāo)準(zhǔn)，對應(yīng)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ 3—2010》［3］5個水準(zhǔn)，性能水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示。

圖4 性能水準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 Performance Level Standards

根據(jù)典型單體結(jié)構(gòu)的性能化計算結(jié)果可得，在大震工況下，框架梁主要為輕微損壞或輕度損壞；首層框架柱主要為輕微損壞或輕度損壞，二層框架柱主要為輕度損壞或中度損壞；剪力墻大部分為輕度損壞，局部出現(xiàn)中度損壞及重度損壞，設(shè)計加固過程中對這些墻體采用外包鋼條的做法，增強(qiáng)其抗震性能。同時，在大震工況下，該單體的X向最大層間位移角為1/236，Y向最大層間位移角為1/235，均不大于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（2016 年版）：GB 50011—2010》［1］1/100 的限值。綜上計算，可知該結(jié)構(gòu)可滿足在大震下不倒的目標(biāo)。

4.3 結(jié)構(gòu)加固具體措施

進(jìn)行加固設(shè)計時，將原結(jié)構(gòu)施工圖和現(xiàn)模型的計算結(jié)果進(jìn)行對比和分析，用概念設(shè)計結(jié)合改造范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力驗算這兩方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計［4-5］。

4.3.1 基礎(chǔ)部分

經(jīng)驗算，原地基的承載力可滿足改造后建筑的要求，不進(jìn)行基礎(chǔ)加固。

4.3.2 柱加固部分柱子按9 度地震力進(jìn)行驗算，經(jīng)驗算部分柱承載能力不滿足要求。柱子采用包角鋼加固做法，其大樣如圖5所示。

圖5 柱包角鋼加固大樣Fig.5 Detailed of Column Wrapped Angle Steel Reinforcement （mm）

4.3.3 梁加固部分

框架梁按9 度地震力進(jìn)行驗算，部分承載能力不滿足要求。對于承載力不足的梁采用粘貼鋼板加固法進(jìn)行加固；部分梁截面不足，采用梁加大截面法對梁進(jìn)行加固［6-7］。其大樣做法如圖6所示。

圖6 梁粘貼鋼板加固大樣Fig.6 Detailed of Beam Pasting Steel Plate Reinforcement （mm）

4.3.4 剪力墻

經(jīng)驗算，部分剪力墻承載能力不滿足要求，首層墻體主要為剪力墻截面不足，二層墻體主要為配筋不足。因此，首層墻與墻邊緣構(gòu)件主要采用增大截面法加固，二層墻與墻邊緣構(gòu)件主要采用粘貼鋼板加固法，做法實拍如圖7、圖8所示。

圖7 加固實拍Fig.7 Actual of Reinforcement

圖8 剪力墻門洞加強(qiáng)大樣Fig.8 Detailed of Shear Wall Door Opening Reinforcement

此外，局部的剪力墻因為建筑功能的要求，需要增開門洞與完全拆除，因此采用了門洞加強(qiáng)與拆墻換梁的做法，大樣如圖9、圖10所示。

圖9 拆墻換梁做法大樣Fig.9 Detailed of Wall Demolition and Beam Replacement

圖10 粘碳纖維布加固做法實拍Fig.10 Actual of the Reinforcement Method Using Carbon Fiber Cloth

4.3.5 樓板

經(jīng)驗算，部分板承載力不滿足鑒定要求，采用粘碳纖維布法進(jìn)行加固，碳纖維布為300 g/m2（計算厚度0.167 mm），抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為f=2 300 N/mm2，碳纖維布主要寬度為100 mm，做法實拍如圖11所示。

4.4 BIM輔助設(shè)計

考慮醫(yī)療建筑設(shè)備管線繁多復(fù)雜的特點，本項目通過采用BIM 技術(shù)對管線碰撞進(jìn)行了綜合檢查，及時發(fā)現(xiàn)了各類管線安裝的碰撞問題，為結(jié)構(gòu)加固方案的選擇及設(shè)備各專業(yè)圖紙的更正提供了準(zhǔn)確的指導(dǎo)，對一些特殊區(qū)域較大的管線洞口開設(shè)提出預(yù)警，加固設(shè)計能同步進(jìn)行考慮，避免了改造項目由于設(shè)備安裝帶來的較多結(jié)構(gòu)安全隱患，效果良好。

5 結(jié)語

⑴本工程案例位于新疆喀什8 度0.3g的高烈度地震區(qū)，而醫(yī)療建筑的抗震設(shè)防類別提高，必然出現(xiàn)原有結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施不足的問題。本工程靈活的運用性能化［8］設(shè)計的思路，通過對各加固方案結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的復(fù)核比選，并經(jīng)過大震彈塑性分析加以驗證，精準(zhǔn)的確定了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固方式。

⑵本工程案例結(jié)合原建筑特點，綜合運用粘鋼、碳纖維布、加大截面等方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，施工可行、節(jié)點可靠、傳力明晰，可以保證新老結(jié)構(gòu)的整體工作［9-11］。

⑶本醫(yī)療建筑由原有的商業(yè)建筑改造，避免了大拆大建，符合目前國家倡導(dǎo)的“城市更新”理念，經(jīng)加固改造目前已經(jīng)完工并投入了使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)及社會效益，可作為同類工程項目的參考借鑒。