融合增大橫截面與附加內(nèi)外作用力的醫(yī)院舊樓加固改造設(shè)計

周成

（復(fù)旦大學(xué)附屬眼耳鼻喉科醫(yī)院后勤保障部，上海 200030）

1 引言

在我國，隨著城市化和現(xiàn)代化的推進，大量的舊樓需要進行改造以滿足現(xiàn)代生活和工作的需要[1]。 醫(yī)院舊樓由于設(shè)計和建造時期較早， 結(jié)構(gòu)強度和抗震性能往往不能滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，同時，其功能布局也往往無法滿足現(xiàn)代醫(yī)療服務(wù)的需求。 在實踐中，已有許多嘗試對舊樓進行改造的案例[2]。 其中，一種有效的改造方法是增大結(jié)構(gòu)的橫截面，使其擁有更高的承載力和抗震性。此外，通過附加內(nèi)外作用力，可以進一步提高舊樓的穩(wěn)定性[3]。 然而，如何將這兩種方法有效融合仍然是一個值得深入探討的問題。 因此，本文提出了一種融合增大橫截面與附加內(nèi)外作用力的醫(yī)院舊樓的加固改造設(shè)計方法。 該方法預(yù)期可以在提高舊樓結(jié)構(gòu)安全系數(shù)，提升其抗震能力的同時，還能在不改變原有樓宇面貌的情況下，實現(xiàn)樓宇功能的現(xiàn)代化改造。

2 舊樓現(xiàn)場勘測情況

2.1 總體情況

某醫(yī)院建筑始建于1996 年，截至2023 年已有27 年的歷史，屬于舊式建筑。 該建筑為地上5 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋。 建筑總高度為22.3 m， 室內(nèi)外高差為0.45 m， 絕對標(biāo)高5.450 m。 房屋平面形狀為矩形，東西方向總寬為17.4 m，南北方向總長為57.5 m。房屋總體為地上6 層，1 層層高4.5 m，2 層層高為4.2 m，3～4 層層高為3.6 m，5 層層高為4.5 m 和6.0 m。

2.2 地基基礎(chǔ)

地基基礎(chǔ)是建筑物的重要組成部分，它承受并分散上部建筑物的荷載，保證建筑物的穩(wěn)定性。在勘查過程中，發(fā)現(xiàn)該醫(yī)院舊樓的地基基礎(chǔ)由混凝土澆筑而成，基礎(chǔ)厚度平均為1.5 m，較為堅固。 勘測中沒有發(fā)現(xiàn)由沉降現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)明顯損傷。

2.3 承重墻體

承重墻體是建筑物的主要承重部分。 舊樓的承重墻體主要由框架結(jié)構(gòu)構(gòu)成。 外墻厚度約為240 mm， 內(nèi)墻厚度約為240 mm， 具備一定的隔音和保溫性能。 砌筑材料主要為黏土磚，這種材料具有良好的強度和耐久性，但抗震性能較差。 門窗洞口主要由木制材質(zhì)構(gòu)成， 這種材質(zhì)具有良好的隔音和保溫性能， 但對火災(zāi)的防護能力較弱。 門窗洞口的寬度一般為1.2 m，部分較大的洞口寬度可達到1.8 m，但由于洞口過大，可能會對墻體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在現(xiàn)場勘測中，沒有發(fā)現(xiàn)承重墻出現(xiàn)明顯的變形以及結(jié)構(gòu)損傷，局部前面出現(xiàn)開裂以及脫落。

2.4 內(nèi)框架柱

內(nèi)框架柱是承擔(dān)建筑物豎向荷載和一部分橫向荷載的重要部分。 該醫(yī)院舊樓的內(nèi)框架柱由鋼筋混凝土構(gòu)成，柱子截面尺寸約為500 mm×500 mm，橫向柱間距約為7.5 m，縱向柱間距約為5 m，縱向共計11 排，橫向4 排，框架柱與橫墻距離為2.4 m，框架柱與外檐墻的距離約為2.5 m。 現(xiàn)場勘查中，沒有發(fā)現(xiàn)該建筑中的內(nèi)框架柱存在明顯的形變以及損壞。

2.5 樓（屋）蓋結(jié)構(gòu)

樓（屋）蓋結(jié)構(gòu)承受并傳導(dǎo)屋面使用功能荷載，保護內(nèi)部空間免受外部環(huán)境的影響。在這座舊樓中，樓（屋）蓋結(jié)構(gòu)由混凝土板和鋼筋混凝土梁構(gòu)成，板厚約為120 mm，梁高約為600 mm，梁寬約為250 mm。縱向框架梁跨度為5 m 和7.5 m，縱向框架梁截面尺寸為250 mm×700 mm；橫向次梁跨度為3.7 m，橫向次梁截面尺寸為250 mm×600 mm。 在現(xiàn)場勘測中，未發(fā)現(xiàn)明顯的變形、結(jié)構(gòu)損壞情況，部分樓頂?shù)装寰植砍霈F(xiàn)了鋼筋外露銹蝕以及墻體外層脫落的情況，部分墻體出現(xiàn)開裂、保護層脫落的情況。

3 加固改造設(shè)計方法

3.1 增大橫截面改造方案

鑒于醫(yī)院舊樓結(jié)構(gòu)老化， 其性能已不符合現(xiàn)行建筑規(guī)范要求，需進行加固改造以提升建筑物的抗震能力和安全性。

增大橫截面改造的原理是通過擴大建筑橫截面尺寸，增強結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能。 具體實施方法包括：對承重墻進行局部或整體加寬改造，提高其抗壓承載能力；對局部破損嚴(yán)重的墻體進行加寬改造，或?qū)φw墻體進行均勻加寬。 對柱進行局部或整體加大截面改造， 提升其軸向承載力和抗側(cè)剛度；如對底部破損嚴(yán)重的柱進行局部加寬處理，或?qū)φ麄€柱截面進行均勻加大。 對梁進行加高或加寬改造，增強其抗彎承載力；對受彎矩較大梁段進行局部或整體加寬加高。 對節(jié)點連接進行改造，確保節(jié)點與構(gòu)件銜接牢固；如加設(shè)錨栓、加強焊接等。 改造材料優(yōu)先選擇與原材料相近的材料，以保證構(gòu)件間的相容性。改造盡量不改變建筑布局，對使用功能影響最小。圖1為梁的增大橫截面改造方法的示意圖。

圖1 增大橫截面改造法示意圖

3.2 附加內(nèi)外作用力改造方法

3.2.1 預(yù)應(yīng)力加固法

附加內(nèi)外作用力改造的原理是通過引入額外的內(nèi)外作用力提高結(jié)構(gòu)的荷載承載能力和抗震性能。 這些作用力可以有效改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減小地震力對建筑物的影響。 具體實施方法包括：設(shè)置外部支撐系統(tǒng)，如鋼支撐或墻體支撐，來承擔(dān)舊樓的垂直載荷， 減小舊樓自身承受的應(yīng)力。 使用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，向結(jié)構(gòu)注入適量的預(yù)應(yīng)力，優(yōu)化內(nèi)力分布，提高抗震性能；如對梁、柱設(shè)置預(yù)應(yīng)力筋或錨桿。 設(shè)置阻尼裝置或減震裝置，提高結(jié)構(gòu)的耗能能力，減小地震作用下的響應(yīng)；常用裝置有黏彈阻尼器、摩擦阻尼器等。 加設(shè)新的剪力墻或括芯墻，提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度和抗震性能。 加設(shè)低變形支座，控制地震作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)。 加設(shè)其他部位聯(lián)結(jié)，如屋面鋼結(jié)，有效提高結(jié)構(gòu)整體性。

預(yù)應(yīng)力加固法是附加內(nèi)外作用力改造方法中的一種常用技術(shù)，用于增強醫(yī)院舊樓的結(jié)構(gòu)抗震能力和承載能力。 其原理是通過對結(jié)構(gòu)施加預(yù)壓力， 使結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下能夠保持一定的預(yù)應(yīng)力，從而提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能。 首先，在舊樓結(jié)構(gòu)中選擇適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b預(yù)應(yīng)力鋼束或鋼帶。 然后，通過張拉設(shè)備對鋼束或鋼帶進行張拉，產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。 在張拉過程中，需要控制預(yù)應(yīng)力的大小和施加位置，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。 在預(yù)應(yīng)力張拉完成后，需要進行固化處理，使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件能夠保持預(yù)應(yīng)力。 通常采用注漿或固化劑等材料對鋼束或鋼帶進行固化，使其不會松弛。 預(yù)應(yīng)力加固法原理示意圖如圖2 所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力加固法示意圖

3.2.2 鋼結(jié)構(gòu)外包加固法

鋼結(jié)構(gòu)外包加固法是一種通過在舊樓結(jié)構(gòu)外部添加鋼結(jié)構(gòu)，以增加橫截面面積和提高結(jié)構(gòu)承載能力的方法。 這種方法可以使舊樓的結(jié)構(gòu)更加堅固，能夠承受更大的荷載力，從而滿足建筑物的改造需求。 在對加固部位進行清理后，首先剝離原有的涂料和砂漿，然后涂抹黏結(jié)劑，將鋼結(jié)構(gòu)貼合于墻體。 鋼筋外包完成后，再澆灌混凝土。 待混凝土凝固后，對其表面進行抹灰等處理，使其與原建筑外觀保持一致。

4 加固改造分析

4.1 增大橫截面改造效果分析

增大橫截面改造方法主要通過增加梁柱尺寸和加設(shè)加強墻等措施，顯著提高建筑物的承載能力和抗側(cè)剛度，改善其抗震性能。 然而，該方法的實施過程需要較長的時間，容易對周邊人們的生產(chǎn)生活造成影響， 并且會在一定程度上減少建筑內(nèi)的可用面積。

4.2 附加內(nèi)外作用力改造效果分析

4.2.1 預(yù)應(yīng)力加固法效果分析

附加內(nèi)外作用力改造中， 其通過對建筑內(nèi)部以及外部附加額外的作用力，以增強建筑物的結(jié)構(gòu)強度。 但是該方法通常需要對舊樓結(jié)構(gòu)進行較大規(guī)模的改動，工程復(fù)雜度較高，需要專業(yè)的設(shè)計和施工。 并且由于附加內(nèi)外作用力改造需要增加材料和施工工序，造成了額外的成本投入。

預(yù)應(yīng)力加固相比其他加固方法， 可以通過預(yù)應(yīng)力鋼束或鋼筋的施加，減小或抵消外部荷載的作用，從而減少結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的節(jié)約，并且其施工周期較短。 但是，預(yù)應(yīng)力加固法對施工技術(shù)要求較高， 需要專業(yè)的工程師和施工人員進行施工，以確保預(yù)應(yīng)力鋼束或鋼筋的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，并且其具備較高的施工成本。

4.2.2 鋼結(jié)構(gòu)外包加固法效果分析

鋼結(jié)構(gòu)外包加固可以有效增加舊樓的橫截面積， 提高結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性。 并且其施工過程更為簡單，不需要對原有結(jié)構(gòu)進行大規(guī)模改造，可以有效減少施工成本和工期。 但是該方法會對原有建筑的外觀產(chǎn)生一定的變化， 可能不符合原有建筑的設(shè)計風(fēng)格，并且依然需要較長的施工時間，易對醫(yī)院的正常運營造成影響。 表1 為3 種加固方法的抗震效果比對，指數(shù)越大，表明效果越好。

表1 3 種加固方法的加固效果比對

5 結(jié)論

在建筑物的長期使用和維護過程中， 由于年代久遠及多種自然和人為因素的影響， 存在大量亟待加固改造的老舊建筑，特別是一些關(guān)鍵設(shè)施，如醫(yī)院舊大樓。 為應(yīng)對這一需求，本文提出了一種融合增大橫截面與附加內(nèi)外作用力的加固改造策略，旨在提供一種安全、經(jīng)濟且可行的加固方法。 然而，這種設(shè)計方案主要針對特定的建筑類型和狀態(tài)。 對于其他不同類型或狀況的舊樓，仍需進一步實驗和優(yōu)化。 今后同類型建筑物的加固改造可參照并優(yōu)化本設(shè)計方案， 而針對不同類型建筑物， 將深入研究并針對性地設(shè)計出更適宜、 更優(yōu)化的加固方案，以滿足日益復(fù)雜和多元化的需求。