■ 李博寧 Li Boning 金云飛 Jin Yunfei

0 概述

近年來，隨著國家經濟實力的不斷提高，大量新建建筑特別是住宅和大型商業(yè)開發(fā)、酒店等在我國各城市不斷涌現。對于大型公建，往往是由一級開發(fā)商投資，在興建初期，并不能完全確定其使用功能，而要等到主體結構完工后才開始逐步招商引資，確定租賃或出售。隨著二級開發(fā)商的引入，他們會對原有建筑方案的使用功能進行一定的調整，這就產生了結構改造及加固的問題。

本文將以北京中關村西區(qū)地下空間開發(fā)工程為例，介紹目前常用的一些由于功能改變、荷載增加而引起的結構改造加固類型，以供設計人員參考。

1 工程背景

本工程為中關村西區(qū)地下空間開發(fā)工程，位于北京市海淀區(qū)中關村，地下建筑總面積超過30萬m2。主體結構均采用鋼筋混凝土框架結構，地下層數1～3層不等，頂板上覆土厚度1～5m不等，主要柱網尺寸8.4m×8.4m，局部大跨12.0～25.2m。

框架柱截面尺寸為800mm×800mm，為節(jié)省建筑凈空，非頂層框架梁截面尺寸為800mm×500mm寬扁梁（8.4m×8.4m柱網），局部較大跨度處梁高550mm，頂板覆土部位框架梁高度有3種，分別為800mm、1 000mm和1 300mm，均采用有黏結預應力體系。樓電梯間采用250～400mm的鋼筋混凝土墻體，基礎采用梁板式筏基。

本工程于2001年7月開始施工圖設計，但由于地下空間開發(fā)部分的二級開發(fā)商未定，許多涉及功能的條件不能及時確定，主體結構于2003年初完工。自2003年起，地下空間開發(fā)的使用功能陸續(xù)確定。根據最終功能的確定，建筑及設備專業(yè)開始深化原設計圖紙，結構專業(yè)配合建筑及設備專業(yè)進行必要的改造及加固。

2 改造與加固原則

本工程涉及到的結構改造及加固包括以下內容：①由于樓板荷載增加，需要對原結構進行核算，并對梁、板分別采用黏鋼加固和黏碳纖維布加固；②局部增設天井及自動扶梯開洞；③原有樓板洞口封堵；④新增樓板及墻體洞口。

在對本工程結構進行改造加固過程中，應遵守以下原則：

⑴結構改造與加固需滿足建筑、設備各專業(yè)對使用功能的要求。

圖1 地下開發(fā)E區(qū)地下一層加固區(qū)域示意圖

⑵在滿足使用要求的前提下，應盡量保持原有結構的整體性，避免對原結構產生不必要的破壞。

⑶改造后的結構使用年限維持原有結構使用年限不變。

3 結構加固

3.1 樓板荷載核算

對地下一層樓面進行荷載計算調整：①原設計輸入的恒載包括樓板自重，100mm厚面層做法，吊頂荷載及建筑隔墻荷載，改為超市后恒載基本不變；②原設計輸入的活載按普通商業(yè)為3.5kN/m2，改造后，活載分別為：7.5kN/m2、10.0kN/m2、15.0kN/m2。

經過對結構計算模型的調整和驗算，我們得出以下結論：

⑴結構整體計算滿足規(guī)范要求。

⑵原有基礎滿足改造后的受力要求，可不進行基礎加固。

⑶原有框架柱截面及配筋滿足改造后的受力要求，可不進行加固。

⑷原地下一層頂板因荷載增加不大，原板厚及配筋滿足改造后受力要求，可不進行加固。

⑸原地下二層及地下一層頂板荷載增加較大，部分梁、板不能滿足改造后的受力要求，需對梁、板進行加固。

3.2 黏鋼加固

黏鋼加固采用特制的結構膠黏劑，將鋼板黏貼在鋼筋混凝土結構的表面，以達到加固和增強原結構強度和剛度的目的，常適用于對鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構件的加固。本工程中采用黏鋼加固的部分區(qū)域如圖1所示。

3.2.1 黏鋼加固的技術規(guī)定

⑴黏鋼不適用于素混凝土構件，包括受力鋼筋配筋率低于規(guī)范規(guī)定最小配筋率的構件加固。

⑵被加固的混凝土構件其混凝土強度不得低于C15。

⑶黏鋼表面應作防腐、防火處理，滿足規(guī)范規(guī)定的耐火等級。

⑷黏鋼前，應采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的活荷載。

3.2.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對黏鋼加固部位及相鄰區(qū)域進行卸荷。

⑵混凝土表面處理：將混凝土表面打磨平整，清除粉塵，再用丙酮擦試表面。

⑶對鋼板表面進行處理、打磨，使鋼板出現金屬光澤；打磨紋路盡量與受力方向垂直，然后用丙酮擦試干凈。

⑷鋼板下料，焊接。

⑸用化學錨栓將鋼板固定于結構面，封堵鋼板與結構面縫隙。

⑹配置結構膠，進行并壓力注膠，要保證黏貼面的飽滿、密實。

⑺固化養(yǎng)護，進行防銹、防火處理。

3.2.3 黏鋼面積計算

根據《混凝土結構加固設計規(guī)范》（GB50367—2006）（以下簡稱《規(guī)范》）第10.2條公式：

計算黏鋼面積Asp，最終選用200mm×4mm鋼板（圖2）。

圖2 梁下部黏鋼板加固圖

3.3 黏貼碳纖維布

黏貼碳纖維復合材料是用特制的結構膠黏劑，將碳纖維布或成型碳纖維板黏貼在鋼筋混凝土結構的表面，形成復合材料體，通過其與混凝土結構或構件的協(xié)同工作，以達到對原結構及構件加固補強的目的，常適用于對鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、大偏心受壓和受拉構件的加固。碳纖維加固除具有黏鋼加固的優(yōu)點外，還包括高強高效、施工便捷，耐腐蝕性強等優(yōu)點。

3.3.1 黏貼碳纖維復合材料的技術規(guī)定

⑴本方法不適用于素混凝土構件，包括受力鋼筋配筋率低于規(guī)范規(guī)定最小配筋率的構件加固。

⑵被加固的混凝土構件其混凝土強度不得低于C15。

⑶外貼纖維復合材料加固鋼筋混凝土構件時，應將纖維受力方式設計成僅承受拉應力作用。

⑷黏貼碳纖維表面應作防腐、防火處理，滿足規(guī)范規(guī)定的耐火等級。

⑸黏貼碳纖維前，應采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的活荷載。

3.3.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對黏貼碳纖維加固部位及相鄰區(qū)域進行卸荷。

⑵對混凝土表面進行處理，打磨平整，清除粉塵?；炷帘韺映霈F剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除，對于較大面積的劣質層在鑿除后應用環(huán)氧砂漿進行修復；轉角黏貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀( R ≥20mm)；用吹風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

⑶涂底膠：用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準)再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

⑷調配、攪拌黏貼材料膠(使用方法與底膠相同)，然后均勻涂抹于待黏貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。

⑸黏貼碳纖維布，在確定所黏貼部位無誤后剝去離型紙，用特制滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使黏貼膠充分浸透碳纖維布。多層黏貼應重復上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的黏貼。

⑹在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹黏貼膠。

⑺碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得＜100mm，碳纖維端部用橫向碳纖維固定。

⑻加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

3.3.3 梁板黏貼碳纖維布的選擇

本工程軸網跨度8.4m×8.4m，梁截面700mm×500mm，原配筋上下各8Φ25，板厚200mm，原配筋上部Φ 14@100，下部Φ14@200，混凝土標號為C40。

活載增加到7.5kN/m2后，計算出梁正、負彎矩分別為533 kNm、597 kNm，梁端剪力406 kN，每米寬板正、負彎矩分別為38.5kNm、72.8kNm。

梁、板上下均黏貼碳纖維布，選用碳纖維布厚度為0.167mm，重量300g/m2，設計抗拉強度≥3 000MPa。

根據《規(guī)范》第9.2條公式：

因板跨度較大，適當調幅后，最終選用單層150mm寬，間距600mm的碳纖維布，并在樓板根部設置200mm寬通長單層碳纖維布壓條（圖3、4）。

4 結構改造

4.1 樓板開洞與梁拆除改造

4.1.1 樓板開小洞

樓板開小洞（b、h≤200mm），可直接在樓板上人工剔鑿，注意不得傷害板內原有預應力鋼筋及普通鋼筋（圖5）。

4.1.2 樓板開大洞（200mm≤b、h≤800mm）

施工前先采取專業(yè)措施對洞口相關區(qū)域內的預應力筋進行卸荷并做好相關區(qū)域的支護，在洞邊進行黏貼碳纖維布加固，水鉆切割樓板，切斷洞口內鋼筋（圖6）。

4.1.3 樓板開大洞（b、h≥800mm）

施工前先采取專業(yè)措施對洞口相關區(qū)域內的預應力筋進行卸荷并做好相關區(qū)域的支護，在洞邊梁寬范圍內人工剔鑿留通槽，增設梁；梁鋼筋植入周邊框架梁，板鋼筋錨入新增梁；澆注新增梁混凝土，重新張拉板內預應力筋；水鉆切割樓板，切斷洞口內鋼筋（圖7）。

圖3 賣場板頂黏貼碳纖維布平面圖

圖4 賣場板底黏貼碳纖維布平面圖

圖5 樓板開小洞示意圖

4.2 樓板封堵加固

4.2.1 小洞口封堵（b、h≤200mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），直接澆注標號不小于周邊結構的混凝土（圖8）。

4.2.2 小洞口封堵（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計算確定須封堵樓板的鋼筋，在洞口放入鋼筋，澆注混凝土，標號不小于周邊結構（圖9）。

4.2.3 大洞口封堵（800mm≤b、h≤4000mm，洞邊有梁）

圖6 樓板開大洞示意圖（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計算確定須封堵樓板的鋼筋，用植筋的方法在周邊梁內植入鋼筋，澆注混凝土，標號不小于周邊結構（圖10）。因板塊較小，一般不用對周邊梁進行加固，若驗算梁不滿足要求，需要對梁進行加固。

圖7 樓板開大洞示意圖（b、h≥800mm）

圖8 小洞口封堵（b、h≤200mm）

圖9 小洞口封堵(200mm≤b、h≤800mm)

4.2.4 大洞口封堵（b、h≥4000mm）

因板塊較大，若采用植筋，可能撓度較大，裂縫難以控制，故需增加次梁，以減小板的跨度及荷載；同時應對邊梁進行驗算，若不滿足要求，需要對梁進行加固。

圖10 大洞口封堵（800mm≤b、h≤400mm）

具體做法是：在原洞邊梁上用化學錨栓設置埋板，增加型鋼梁，上鋪壓型鋼板，并澆注混凝土板。此方法可盡量減小樓板自重，施工周期短，適用于封堵洞口跨度較大的情況。

5 結語

此次改造加固工程于2005年基本竣工，現已投入使用。就實際效果來看，改造加固完全滿足了建筑使用功能的需要，目前使用狀況良好。

改造加固的方法除本篇所述內容外，還包括很多種，如增大截面加固法、置換混凝土加固法、外黏型鋼加固法、繞絲加固法或高強度鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層加固法、裂縫修補技術、阻繡技術等，就目前來看，這些混凝土結構加固技術還有待于在實踐中進一步探索、完善。