孫釗，完海鷹，張浩

（1.合肥工業(yè)大學，安徽 合肥 230009；2.安徽固力建筑新技術發(fā)展有限責任公司，安徽 合肥 230009）

1 概 述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民消費水平的提高，帶大底盤裙房的高層建筑也越來越多，其中裙房多用于商業(yè)，塔樓多用于辦公。由于前期項目規(guī)劃不到位，設計未完成急于資金回籠而搶先施工，或后期租賃方要求變更使用功能，甚至出現(xiàn)施工質(zhì)量問題亟待解決等，這時候就需要對原結(jié)構(gòu)進行加固。所謂加固，是指對可靠性不足或業(yè)主要求提高可靠度的承重結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及其相關部分采取增強、局部更換或調(diào)整其內(nèi)力等措施，使其具有現(xiàn)行設計規(guī)范及業(yè)主所要求的安全性、耐久性和適用性。常見的加固方法主要有粘鋼、包鋼、粘貼碳纖維、增大截面、壓力注漿、植筋或錨栓、聚合物砂漿、預應力加固等。對于某個建筑的某項改造，業(yè)主往往關心的是加固造價、施工工期、是否影響周邊正常使用、加固后維護費用與難度等等。在加固設計的過程中，設計人員除了需要考慮業(yè)主關心的問題，還需要盡可能地建立簡單有效的加固思路來進行計算，并采取合理有效的加固方法，在加固施工過程中，又存在著許多需要注意的事項。本文通過幾個裙房的改造加固實例，介紹其改造內(nèi)容與加固設計方法，提出幾點加固計算技巧，并簡要總結(jié)了設計與施工過程中的注意事項，供類似工程設計與施工參考。

2 常見改造及加固方法

2.1 使用荷載增加

使用功能變更是最常見的改造。當使用功能改變后，若使用荷載增加，并考慮原設計富余后承載力仍然不夠，則需進行加固。由于加固設計規(guī)范限定粘貼碳纖維等部分加固方法只適用于承載力提高幅度不足40%的構(gòu)件[1]，根據(jù)這一規(guī)定，改造所帶來的荷載的改變量可以幫助預測使用哪種加固方法，以便制定粗略的加固概算。

通常樓板使用荷載增加，采用的是粘貼碳纖維、粘鋼、板面澆筑鋼筋混凝土疊合層、板底增設鋼梁縮短板跨等方式進行加固。

某裙房建成后租賃單位變更，新入住單位要求更改賣場隔墻布局，但墻體位置在加固設計前無法提供精確定位。在設計過程中，為保證加固后具有足夠的承載力，避免二次加固，將每塊樓板可能出現(xiàn)的隔墻布局進行分類，再對荷載進行折算，折算結(jié)果表明，樓板設計活荷載標準值從4kN/m2提高至7kN/m2（一般來說粘貼碳纖維布即可），可保證后期業(yè)主使用過程中任意方式的布置輕質(zhì)隔墻，這樣就可以在裝修方案定稿之前進行加固設計與施工，縮短了整個項目的工期，最終該建筑如期交付使用。

當使用荷載提高較多，在不改變傳力路徑的情況下，可以采取梁柱增大截面和增設樓板鋼筋混凝土疊合層并用的加固方法，但這種方法施工工期長，操作難度大，混凝土澆筑是濕作業(yè)，影響周邊環(huán)境和周邊建筑的正常營業(yè)。有時候可以采取改變傳力路徑的方法。某裙房為地上5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓板采用GRF現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋，現(xiàn)擬在五層增設游泳池，荷載提升較大，若游泳池直接擱置于樓面上，需要對空心樓蓋進行加固，而對這種樓蓋的加固，可供參考的資料較少，計算較復雜。加固設計時，采用增設鋼結(jié)構(gòu)夾層的方式，游泳池擱置在鋼結(jié)構(gòu)夾層上，夾層離地面高度包含四部分：裝飾層、鋼梁最大撓度、鋼梁高度及壓型鋼板組合樓板板厚，組合樓板剖面圖如圖1所示。

鋼梁直接與柱子相連，這樣直接把荷載傳給柱子，僅需對柱子進行加固即可。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，增設夾層后的凈空仍滿足使用要求，同意采用此方案。當樓板上增設機械設備等重物，應該避免樓板承受集中荷載作用，否則需要計算樓板等效均布活荷載，并通過構(gòu)造措施擴散集中應力。

2.2 拆除或削弱原受力構(gòu)件

拆除或削弱原構(gòu)件，具體表現(xiàn)為樓板、梁或剪力墻開洞及拆除梁、墻等。

對于開洞來說，開洞尺寸不同，相應的加固做法也不同。圖集給出了不同洞口尺寸下剪力墻開洞的包鋼加固做法。樓板開洞通常是在洞口邊緣下增設鋼梁以便傳遞荷載，鋼梁錨固在兩邊混凝土梁上，鋼梁上翼緣與板底之間灌注環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，也可以在洞口四周新增鋼筋混凝土梁。梁開洞則要避免破壞縱向受力主筋，通常開洞周圍梁包U形箍鋼板或粘貼U形箍碳纖維加固。

增設自動人行道或自動扶梯是裙房改造設計中極為常見的一種改造。它要求樓板大面積開洞，往往產(chǎn)生懸挑長度較長的懸臂梁，若原支座頂筋過少，無法用一般的粘貼碳纖維或粘鋼來加固，此時可以通過增設混凝土懸臂梁來分擔荷載，且該梁需要越過支座另一側(cè)，如圖2所示。

對內(nèi)部構(gòu)件的大范圍拆除，可能會導致計算周期比不滿足規(guī)范要求，常用的調(diào)整方法是建筑周邊梁、柱增大截面或增設剪力墻。

剪力墻鋼筋錨入加固層或與加固鋼構(gòu)件焊接連接。當新舊結(jié)構(gòu)邊沿齊平時，可采用局部鑿除保護層后與原結(jié)構(gòu)鋼筋焊接連接，亦可采用新增混凝土套連接的方式，如圖3所示[2]。

2.3 局部加層或中廳補板

在裙房屋頂局部加層或者室內(nèi)中廳用樓板補平以增大使用面積，既需要驗算傳荷區(qū)域梁柱配筋，又需要復核基礎。如果基礎和底層不滿足受力情況，需要對基礎進行補強，為避免挖開大部分基礎進行加固的方案，可以考慮增加剪力墻和外部框架支撐等局部措施。為減少荷載，盡量采用鋼結(jié)構(gòu)增層，新增墻體采用輕質(zhì)材料。例如采用鋼框架結(jié)構(gòu)，樓板采用壓型鋼板或花紋鋼板組合樓蓋，箱型鋼柱通過地腳化學螺栓錨固于原框架柱頂端，鋼柱與原結(jié)構(gòu)柱頂連接按鉸接計算。還可以在新增結(jié)構(gòu)外框架上增加柱間支撐，使得增層后結(jié)構(gòu)的最大層間位移曲線、最大層間位移角、最大樓層位移曲線及最大位移在X、Y方向與原結(jié)構(gòu)基本一致，這樣一般只需復核原結(jié)構(gòu)屋頂層和下一層的的框架梁負彎矩承載力即可。

同理封洞也盡量采用鋼梁與組合樓蓋的方式，鋼梁與混凝土梁通過化學錨栓連接，如圖4所示。

3 設計技巧與注意事項

3.1 設計技巧

3.1.1 碳纖維粘貼面積計算技巧[3]

采用等強代換方法，將碳纖維布的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積,即:

式（1）中：Ase、fy、Acf分別代表鋼筋抗拉強度設計值、等效鋼筋面積、碳纖維布粘貼面積、碳纖維布抗拉強度設計值。則所需粘貼的碳纖維布的層數(shù)可由下式得出：

式（2）中：tcf、bc分別代表單層碳纖維布厚度、碳纖維布寬度、碳纖維布層數(shù)。

3.1.2 化繁為簡的設計思路

例如新增鋼梁與原混凝土構(gòu)件連接采用如圖4所示方式（鋼梁翼緣不與端頭板焊接），鋼梁兩端均按鉸接考慮，即鋼梁按簡支梁計算，一方面化學螺栓僅傳遞剪力至原混凝土構(gòu)件，螺栓布置數(shù)量計算簡便，另一方面這種傳力方式對原結(jié)構(gòu)傳力體系影響較少，可以認為不參與整體結(jié)構(gòu)計算，在整體建模時僅需在對應位置對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件增加豎向荷載，建模較方便。而如果按剛接計算，化學螺栓不僅要承受剪力，還有拉力、壓力等，這樣計算出的化學螺栓數(shù)量較多。另一方面新增的梁柱剛接節(jié)點對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生新增的附加剪力和彎矩，所以對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固量很大。而且鋼梁參與整體受力，增加建模工作量[4]。

3.1.3 加強與業(yè)主單位的溝通

改造方案有時候是可以通過調(diào)整布局，借助現(xiàn)有結(jié)構(gòu)等進行避免，所以在設計前要跟業(yè)主做好溝通，最大程度地減少對原結(jié)構(gòu)地改動。如果能說服甲方采用合理的結(jié)構(gòu)布置形式，則會大大減少設計的復雜程度。同時應向甲方告知擬采取的加固方案，詳述采用此方案可能帶來的后果，否則可能出現(xiàn)設計結(jié)束后甲方卻不同意方案而告廢。

3.2 注意事項

3.2.1 準確定義抗震等級[5]

裙房與主樓相連，除應按裙房本身確定抗震等級外，相關范圍不應低于主樓的抗震等級；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂板對應的相鄰上下各一層應適當加強抗震構(gòu)造措施。當主樓采用抗震墻結(jié)構(gòu)、裙房采用框架結(jié)構(gòu)時，在裙房及相鄰上一層高度范圍內(nèi)，主樓抗震墻及相關范圍內(nèi)框架的抗震等級，還不應低于主樓按框架-抗震墻結(jié)構(gòu)確定的抗震等級。裙房與主樓分離時，應按裙房本身確定抗震等級。

3.2.2 遵循抗震設計原則

加固設計應遵循“強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震原則，所以梁增大截面應注意不要形成“強梁弱柱”?？蚣芙Y(jié)構(gòu)抗震加固應避免彈性狀態(tài)下形成“剛度軟弱層”和彈塑性狀態(tài)下形成“強度薄弱層”，剛度軟弱層引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化幅度較大，強度薄弱層引起結(jié)構(gòu)樓層塑性變形集中，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“隱含危險轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象。

3.2.3 審圖公司常提事項

①上部荷載增加，在驗算地下室柱子配筋時，尚需注意地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應小于地上一層柱對應縱向鋼筋的1.1倍；

②需要改變結(jié)構(gòu)的用途和使用環(huán)境的建筑，需要進行抗震鑒定，審圖時會要求提供抗震鑒定報告[6]；

③發(fā)生火災后混凝土強度損失嚴重，需提供可靠的檢測報告證明混凝土強度等級大于C15，否則粘貼碳纖維等加固方法無法適用，另外尚需截取鋼筋等材料做試驗，評定損傷等級，定義強度和構(gòu)件截面折減系數(shù)[7]。

3.2.4 新老構(gòu)件連接處理

新樓構(gòu)件連接處理，包括界面施工處理和界面?zhèn)髁μ幚恚笳叱Ｄ芊磻鲆粋€加固設計人員的技術水準。比方說新增剪力墻及原框架梁、柱配筋及構(gòu)造應按帶邊框剪力墻處理，墻體周邊宜設置邊緣構(gòu)件。剪力墻與周邊結(jié)構(gòu)宜采用植筋的方式連接，為減少植筋鉆孔量，避免對原框架梁柱截面造成過大損傷，可采用等代連接筋。新增剪力墻中心線與原有框架梁中心線盡量重合，避免偏心。新增剪力墻應設基礎，新舊基礎應連成整體，并考慮新舊基礎差異沉降的不利影響，一般可近似將新剪力墻地基承載力乘以系數(shù)0.8～0.9予以降低。

3.2.5 充分考慮現(xiàn)場施工難度

比方說改建設計采用鋼結(jié)構(gòu)時，需要充分考慮工廠加工方式、運輸方式以及現(xiàn)場施工可行性等。鋼梁截面盡量采用常用尺寸。再比如植筋間距不能過密，滿足一定的構(gòu)造間距要求，直徑可以偏大，以減少植筋數(shù)量。

4 結(jié) 語

加固設計前，設計人員應先理清思路，在深入了解改造內(nèi)容的基礎上，根據(jù)不同加固方法的優(yōu)缺點和適用范圍，確定一種或幾種加固方法，使加固改造對原結(jié)構(gòu)的影響盡量減小?？辞鍌髁Ψ绞剑瑪M好計算步驟，然后再按計劃進行計算與作圖，盲目進行設計，不僅使計算復雜化，而且會導致設計工作量加大，計算準確性也難以保證。

[1]GB50367-2013，混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2013.

[2]13G311-1，混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造[S].

[3]江克勤.鋼筋混凝土梁粘貼纖維復合材料加固計算方法之比較[J].浙江建筑,2009（6）.

[4]徐波.某高層酒店加層改造的結(jié)構(gòu)方案及梁柱節(jié)點構(gòu)造[J].建筑結(jié)構(gòu),2006（3）.

[5]GB50011-2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6]GB50023-2009，建筑抗震鑒定標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[7]豐宏.火災后建筑結(jié)構(gòu)受損檢測鑒定與加固[J].基建優(yōu)化,2004(5).