李明鋒 錢 晶 顧天熊

蘇州中固建筑科技股份有限公司 江蘇 蘇州 215152

目前大部分的改造項(xiàng)目具有規(guī)模較小、施工專業(yè)工程單一的特點(diǎn)，國內(nèi)關(guān)于構(gòu)件層次的加固方法已經(jīng)有較多的研究，但關(guān)于結(jié)構(gòu)層次的概念設(shè)計(jì)優(yōu)化研究較少。近年來大型綜合改造項(xiàng)目越來越多，有必要從改造項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)體系入手，首先進(jìn)行概念設(shè)計(jì)優(yōu)化；同時(shí)在構(gòu)件加固方法的選擇以及施工實(shí)施方案中，既要綜合考慮實(shí)體項(xiàng)目操作空間的可行性，也要根據(jù)改造項(xiàng)目的造價(jià)要求，進(jìn)行實(shí)施過程中措施項(xiàng)目的比選、優(yōu)化。

1 工程概況

某行政辦公樓為框-剪結(jié)構(gòu)，建于1996年，建筑總長106 m，寬23.4 m，建筑面積為35 000 m2，地下室2層，地上18層，采用樁筏基礎(chǔ)。建筑平面上設(shè)置2個(gè)結(jié)構(gòu)伸縮縫，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，基本加速度為0.1g，設(shè)防類別為乙類。原結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度1～6層為C40，7～18層為C35。

現(xiàn)由于改變結(jié)構(gòu)使用荷載以及建筑功能需求，需對該行政樓進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固、新增結(jié)構(gòu)構(gòu)件等施工內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)行建筑外立面防水保溫等施工。

建筑主要改造內(nèi)容如下：建筑外墻新增保溫層；18層平屋面上新增鋼結(jié)構(gòu)金屬坡屋面；既有室內(nèi)裝飾及相關(guān)管道的拆除；地下1層～地上4層北側(cè)，平面布局上新增梁板，填補(bǔ)此處原有的凹陷區(qū)；地下室2層北側(cè)，新增地下室連廊通道，與北側(cè)地庫相互連接。項(xiàng)目改造情況如圖1～圖4所示。

圖1 改造前標(biāo)準(zhǔn)層平面

2 結(jié)構(gòu)鑒定計(jì)算

圖3 改造施工立面

圖4 改造后立面效果

根據(jù)既有結(jié)構(gòu)的鑒定數(shù)據(jù)，采用YJK計(jì)算軟件對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行翻樣、建模、計(jì)算（圖5），分析既有結(jié)構(gòu)在豎向荷載以及地震作用下的響應(yīng)。原結(jié)構(gòu)地上部分通過抗震縫分為3個(gè)獨(dú)立的部分，均為框剪結(jié)構(gòu)，鑒定結(jié)果如下：結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)方面，局部豎向構(gòu)件扭轉(zhuǎn)位移比數(shù)值為1.5，超限；屋面水箱荷載過大，局部原屋面梁板配筋不足；書庫、檔案館等局部樓層荷載較大處，梁配筋不滿足受力要求；1～16層，梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪超限；1～6層，大量框架柱抗彎配筋不足；框-剪結(jié)構(gòu)四周邊框梁，頂部負(fù)彎矩鋼筋配置不足；地下2層～地上1層標(biāo)高范圍內(nèi)的剪力墻邊緣構(gòu)件不符合現(xiàn)行規(guī)范的構(gòu)造要求。

圖5 原結(jié)構(gòu)YJK模型

3 結(jié)構(gòu)改造方案的優(yōu)化

原結(jié)構(gòu)建成于20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要以平面單榀計(jì)算為主，很難考慮結(jié)構(gòu)的水平以及豎向剛度在空間上的合理布置。

現(xiàn)行最新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對空間模型提出較多的要求，比如結(jié)構(gòu)位移比控制在1.4以內(nèi)，所以在對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)時(shí)，需要從結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)入手，在原有結(jié)構(gòu)的水平、豎向剛度上優(yōu)化模型的剛度分布，使得改造之后的結(jié)構(gòu)具備更好的抗震性能，同時(shí)良好的結(jié)構(gòu)概念布置，也能大大地減少結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的加固數(shù)量，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 平面規(guī)則性優(yōu)化

原結(jié)構(gòu)采用YJK軟件建模，計(jì)算結(jié)果顯示扭轉(zhuǎn)周期在第二周期，位移比最大值1.5，表明整個(gè)結(jié)構(gòu)平面布置上的抗扭剛度不足，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)層的剛度中心與質(zhì)量中心有較大偏差。現(xiàn)根據(jù)上述試算結(jié)果，在結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層四周做如下結(jié)構(gòu)加固調(diào)整：在1～17層標(biāo)準(zhǔn)層，四周新增雙連梁，增強(qiáng)雙肢剪力墻的抗側(cè)剛度；在1～6層，東西兩側(cè)邊跨新增2個(gè)短肢剪力墻（圖6）。

圖6 模型標(biāo)準(zhǔn)層四周抗扭剛度加強(qiáng)布置

基于上述改造加固，結(jié)構(gòu)模型前2個(gè)周期為平動周期，第三周期為扭轉(zhuǎn)周期，扭轉(zhuǎn)系數(shù)為0.95，同時(shí)最大扭轉(zhuǎn)位移比為1.18。調(diào)整后的結(jié)構(gòu)模型扭轉(zhuǎn)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.2 豎向規(guī)則性優(yōu)化

原結(jié)構(gòu)為框-剪結(jié)構(gòu)，按照現(xiàn)行規(guī)范JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中8.1.3條文增設(shè)框架柱二道防線的抗力設(shè)計(jì)要求，原結(jié)構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果顯示，8～17層大量的梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力不足，分析發(fā)現(xiàn)主要是由于框架柱分配的0.2V0剪力較大導(dǎo)致。

為減小樓框柱分配的剪力，在1～4層的樓層內(nèi)局部新增梁板柱（圖7），拓寬1～4層的建筑面積，這樣就可以根據(jù)上述規(guī)范8.1.3的要求，將樓層內(nèi)的框架最小剪力值分成2段來調(diào)整（圖8），從而降低上部樓層框架柱的剪力分配值，規(guī)避大量的框柱核心區(qū)抗剪加固施工，節(jié)約資源，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖7 1～4層局部新增梁板柱

圖8 0.2V0剪力調(diào)整段劃分

4 施工技術(shù)重點(diǎn)控制

4.1 地下室剪力墻邊緣構(gòu)件加固

按規(guī)范要求，1層框柱加大截面的新增縱筋需要延伸至地下室筏板頂，原結(jié)構(gòu)改造圖紙?jiān)诘叵率业倪吘墭?gòu)件做法如圖9所示。這種做法需要鑿除剪力墻凹槽內(nèi)的高強(qiáng)混凝土，施工難度較大，而且在施工過程中，存在破壞擋土剪力墻的風(fēng)險(xiǎn)，有可能出現(xiàn)外墻裂縫開展、滲水等問題。

圖9 邊緣構(gòu)件加固大樣

現(xiàn)在對此處邊緣構(gòu)件節(jié)點(diǎn)優(yōu)化處理，擴(kuò)大此處邊緣構(gòu)件加大截面的尺寸[1]，使得新增縱向鋼筋在樓層交界處進(jìn)行彎折延伸處理，具體做法大樣如圖10所示。

圖10 邊緣構(gòu)件加固優(yōu)化做法

4.2 地下室筏板植筋

剪力墻邊緣構(gòu)件的新增縱筋需要植筋至筏板里。現(xiàn)場施工時(shí)發(fā)現(xiàn)，鑿除30 cm厚度的建筑地坪后，結(jié)構(gòu)筏板里有滲水情況，植筋環(huán)境無法保持干燥。采用國產(chǎn)膠水，在潮濕有水的環(huán)境中，植筋拉拔力將無法滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)既有的工程經(jīng)驗(yàn)，建議此處地下室2層的筏板植筋采用進(jìn)口植筋膠。喜利得植筋膠HILTI-RE50能夠在惡劣環(huán)境中使用，比如在水下植筋也能滿足錨固設(shè)計(jì)要求。在特殊環(huán)境中采用特殊性能的材料，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，可加快施工工期。

4.3 既有外墻抹灰表面粘貼保溫層

4.3.1 既有抹灰不鏟除分析

本項(xiàng)目原外墻抹灰層厚度為3～5 cm，其中1～2層抹灰厚度為5 cm，3～18層抹灰厚度為3 cm。原外墻抹灰做法：1∶3水泥砂漿打底，1∶2水泥砂漿面層（拉毛）?，F(xiàn)在根據(jù)建筑要求，外墻需要新增粘貼厚80 mm的保溫巖棉帶。

考慮原外墻抹灰平整度等觀感質(zhì)量較好。現(xiàn)場對既有抹灰層考察發(fā)現(xiàn)，剝除既有抹灰層時(shí)，由于抹灰層黏結(jié)強(qiáng)度較高，在剝離抹灰層時(shí)，既有紅磚面層被剝離，所以為節(jié)約資源，盡可能利用原有外墻抹灰層，建議保留既有抹灰層。

同時(shí)，委托質(zhì)量檢測中心對既有外墻抹灰砂漿拉伸黏結(jié)強(qiáng)度做檢測，檢測3組，每組7個(gè)拉拔點(diǎn)，共21個(gè)拉拔點(diǎn)（重點(diǎn)選擇3個(gè)部位的墻體，即東西山墻、窗間墻、層間墻）。檢測結(jié)論：3個(gè)檢驗(yàn)批次的拉拔黏結(jié)強(qiáng)度均為0.3 MPa以上，滿足JGJ/T 220—2010《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》要求，即可以在外墻既有抹灰層表面粘貼巖棉帶。

基于上述分析，可以保留既有抹灰層，避免大面積鏟除既有抹灰層，很好地控制了現(xiàn)場揚(yáng)塵問題，同時(shí)縮短施工工期，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.3.2 粘貼保溫層的加強(qiáng)構(gòu)造措施

原外墻抹灰層表面涂有彈性涂料，此彈性涂料與既有抹灰粘貼強(qiáng)度高，不易剝落。本項(xiàng)目在既有彈性涂料表面涂刷一層溶劑型抗堿封閉底漆，其具有涂膜致密、抗堿性、封閉性好、滲透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，此抗堿滲透底漆能夠滲透既有彈性涂料進(jìn)入既有抹灰層中，同時(shí)能夠與新增保溫帶的膠面砂漿具備很高的相容性。此措施可避免鏟除既有彈性涂料，加快施工進(jìn)度，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

考慮保溫巖棉厚度較厚，同時(shí)既有抹灰層保留不鏟除等原因，建議在粘貼保溫層施工時(shí)，在樓層標(biāo)高處設(shè)置支托架，用此構(gòu)造措施來保證外墻保溫的整體性（圖11、圖12）。

圖11 增設(shè)支托架做法大樣

圖12 增設(shè)支托架施工現(xiàn)場

5 施工措施項(xiàng)目實(shí)施優(yōu)化

5.1 外腳手架搭設(shè)方案

5.1.1 懸挑扣件腳手架的分析

本項(xiàng)目為既有建筑改造，現(xiàn)場不設(shè)置塔吊，在選擇腳手架類型時(shí)，需要綜合考慮材料的垂直運(yùn)輸費(fèi)用、拆除架體后腳手眼的修補(bǔ)費(fèi)用、鋼管租金等因素。本結(jié)構(gòu)地上為18層，標(biāo)準(zhǔn)層層高3.5 m，建筑高度為67 m，如果采用鋼管腳手架，每6層懸挑一次，需要懸挑3段。由于現(xiàn)場不設(shè)置塔吊，導(dǎo)致此方案出現(xiàn)如下2個(gè)問題：大量的懸挑工字鋼需要汽車吊垂直運(yùn)輸，運(yùn)輸費(fèi)用高；由于是既有項(xiàng)目改造，拆除懸挑工字鋼后，外墻洞口修補(bǔ)的數(shù)量較多，需要加設(shè)吊籃采用混凝土澆筑修補(bǔ)洞口，消耗大量人工。

5.1.2 落地盤扣腳手架的論證

基于上述問題的分析，本項(xiàng)目采用落地盤扣腳手架搭設(shè)。同時(shí)為了施工段之間的銜接或交叉，本項(xiàng)目采用落地架、局部懸挑架2種形式（圖13、圖14），落地架立桿間距900 mm，步距1 500 mm，全高范圍內(nèi)設(shè)置連續(xù)剪刀撐。

情況一：沿著建筑四周搭設(shè)落地盤扣鋼管腳手架。

情況二：建筑北側(cè) ～ 軸區(qū)域，在14層樓面標(biāo)高（離地面47.6 m高）以上搭設(shè)懸挑扣件式鋼管腳手架（為滿足施工工序的交叉要求，此區(qū)域懸挑架拆除時(shí)間晚于落地架拆除時(shí)間）。

圖13 落地架搭設(shè)平面布置

圖14 懸挑架搭設(shè)布置示意

本項(xiàng)目腳手架搭設(shè)高度為67 m，屬于超限搭設(shè)，架體連墻件的設(shè)置顯得尤為重要，計(jì)算要求兩步兩跨設(shè)置連墻件。本項(xiàng)目結(jié)合既有外窗洞口的位置，采用拉窗件、植筋預(yù)埋板拉結(jié)2種方式，2種方式連墻件交錯(cuò)設(shè)置（圖15、圖16）。

圖16 連墻件做法大樣二

圖15 連墻件做法大樣一

5.2 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加固模板

本項(xiàng)目涉及很多梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪超限問題，設(shè)計(jì)方案采用加大截面的方法來有效地控制抗剪超限的問題，節(jié)點(diǎn)做法如圖17所示。

由于此新增柱帽為多邊形，采用傳統(tǒng)的木板支模時(shí)，木板拼料較多，需要耗費(fèi)較多人工，故引入3D打印技術(shù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際尺寸，在工廠里采用樹脂材料加工成模板，同時(shí)加工支托架等配件（圖18），樹脂壁厚10 mm。采用此3D打印樹脂模板，安裝簡單，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益，既節(jié)約資源，又縮短了施工工期。

圖17 框架節(jié)點(diǎn)核心區(qū)加固大樣

圖18 節(jié)點(diǎn)核心區(qū)樹脂模板安裝示意

6 結(jié)語

1）在改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，要從概念設(shè)計(jì)入手，首先考慮調(diào)整其水平、豎向的剛度規(guī)則性，同時(shí)良好的結(jié)構(gòu)概念布置，也能大大地減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件層次的加固數(shù)量，提升經(jīng)濟(jì)效益，使得結(jié)構(gòu)具有較好的抗震性能。

2）在進(jìn)行構(gòu)件加固方法的選擇時(shí)，往往需要比選各個(gè)加固方法的優(yōu)、缺點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性，在優(yōu)選的過程中可以引進(jìn)價(jià)值工程、決策樹等方法[2]。

3）由于實(shí)際情況與圖紙存在局部不符，改造項(xiàng)目需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，對擬加固工藝實(shí)施優(yōu)化處理，采用新型加固材料，節(jié)約工期，從而滿足安全文明施工的要求。

4）關(guān)于改造工程的措施項(xiàng)目，應(yīng)該評估各個(gè)措施的經(jīng)濟(jì)性，采用造價(jià)最小、同時(shí)滿足施工要求的措施項(xiàng)目。

5）本項(xiàng)目改造過程中的概念設(shè)計(jì)以及施工技術(shù)問題解決方案，可以推廣至框-剪結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)的綜合改造項(xiàng)目中應(yīng)用，能夠在設(shè)計(jì)、施工階段很好地控制工程造價(jià)。