徐 正，曹亮良

（華匯工程設計集團股份有限公司，浙江 紹興312000）

商業(yè)綜合體自身具有建設周期長的特點，因此部分開發(fā)商開始轉(zhuǎn)入對已建項目進行改造或合作開發(fā)。此類改造工程原有的建筑平面功能布局和立面造型與商業(yè)綜合體的要求相差較大，導致結(jié)構(gòu)加固工程量巨大。加固改造設計涉及對項目整體承載力及抗震性能重新計算復核、主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固改造設計、加固改造中的節(jié)點細部結(jié)合施工可行性優(yōu)化設計以及對改造后出現(xiàn)的基礎(chǔ)承載力不足的加固方案比選設計。

1 項目概況

1.1 基本情況

嘉興市某市場加固改造項目，原項目分南、北獨立兩個區(qū)塊，由6幢13～18層塔樓及其4～5層裙房組成，南北區(qū)通過連橋連接。項目設2層地下室（局部1層），地下1層層高6.40 m（室內(nèi)）／5.40（室外），地下2層層高4.60 m。

改造前，項目主體結(jié)構(gòu)已結(jié)頂，建筑墻體已砌筑完畢，設備管線基本安裝到位?，F(xiàn)需將裙房及地下區(qū)域進行改造，總改造面積約142 000 m2，改造后需滿足商業(yè)綜合體的建筑造型和各項功能要求。見圖1。

圖1 改造后效果圖

1.2 改造內(nèi)容

根據(jù)商業(yè)綜合體的建筑要求，本項目重點改造的內(nèi)容包括：

1）業(yè)態(tài)調(diào)整，如增設大型超市賣場、真冰場、影院等；

2）設備用房及管道洞口調(diào)整，如增設配電房、泵房、空調(diào)機房等；

3）建筑動線調(diào)整，如增加室內(nèi)步行街后原結(jié)構(gòu)樓面大面積開洞；

4）樓面行車路線調(diào)整，如增加室內(nèi)外消防車通道，地下室貨車通道和垃圾車運輸通道等；

5）室外增設下沉式廣場；

6）新增消防疏散樓梯及建筑功能配套的自動扶梯和電梯；

7）增設步行街采光玻璃頂及中庭整體改造；

8）局部結(jié)構(gòu)抽柱或梁柱轉(zhuǎn)換。

2 改造方案設計

2.1 改造后建筑抗震設防類別、結(jié)構(gòu)安全等級及抗震等級確定

《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范（GB 50367—2013）》［1］明確：“加固后結(jié)構(gòu)安全等級，應根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞后果的嚴重性、結(jié)構(gòu)的重要性和加固設計使用年限，由委托方和設計方按實際情況共同商定?！?/p>

本工程原結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設防類別丙類。改造后為商業(yè)綜合體，根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準（GB 50223—2008）》［2］6.0.5規(guī)定“商業(yè)建筑中，人流密集的大型多層商場抗震設防類別應劃為重點設防類。當商業(yè)建筑與其他建筑合建時應分別判斷，并按區(qū)段確定其抗震設防類別”，其條文解釋明確“大型商場指一個區(qū)段人流5 000人，換算的建筑面積約17 000 m2或營業(yè)面積7 000 m2以上的商業(yè)建筑”，結(jié)合朱炳寅在《商業(yè)建筑及高層建筑的抗震設防分類問題與設計建議》［3］中的論述，對照本項目各建筑單體間均設有抗震縫，單體間連橋設計成鋼結(jié)構(gòu)，設滑動支座，在后續(xù)的建筑改造中根據(jù)人流疏散增設了大量的疏散樓梯，使得各抗震縫中間的單體平面不符合“大型商場”的“密集人流”條件，因此建筑抗震設防類別仍為丙類。結(jié)論得到了項目論證專家和圖審機構(gòu)的確認。

建筑抗震設防分類為丙類，本項目的結(jié)構(gòu)安全等級仍為二級，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級同原抗震等級，但對于改造后出現(xiàn)的大跨度和大懸挑構(gòu)件應按規(guī)范要求提高相應構(gòu)件的抗震等級和構(gòu)造措施。

2.2 與建筑專業(yè)同步確定方案平面圖

從建筑方案階段開始，結(jié)構(gòu)加固從加固可行性和減少工程造價及后續(xù)加固工程量的角度會同方案單位對建筑平面提出優(yōu)化建議，并落實到建筑方案中。具體內(nèi)容如下：

1）對結(jié)構(gòu)整體規(guī)則性進行概念設計控制。如：新開步行街洞口位置及大小是否合理；開洞后形成的大懸挑部位避免出現(xiàn)純懸挑結(jié)構(gòu)；影廳平面盡量結(jié)合原柱網(wǎng)布置，避免結(jié)構(gòu)柱高位轉(zhuǎn)換等。

2）對商業(yè)平面功能布置提出改造意見和建議。如將地下一層的超市區(qū)由原布置在普通樓面區(qū)調(diào)整到人防頂板區(qū)，避免了超市荷載增加導致的近萬平方米的加固改造等。

3）對于復雜的中庭及步行街洞口，與建筑溝通洞口輪廓線，盡量避免鑿除結(jié)構(gòu)柱，減少結(jié)構(gòu)懸挑。

4）對于需要設置排水溝的地下室設備用房和下沉廣場，以及落于基礎(chǔ)底板的電梯井道和電梯前室等，采用回填和抬高建筑標高進行處理，避免破壞地下室底板。

3 主體結(jié)構(gòu)加固改造

3.1 主要加固方法

主體結(jié)構(gòu)承載力不足時，本項目主要采取以下幾種加固方法：

1）梁主要采用粘鋼法和增加截面法。

2）框架柱主要采用外包角鋼和增加截面法，當框架柱僅軸壓比或抗剪不夠采用粘貼碳纖維法。

3）板主要采用粘貼碳纖維法。

4）新增混凝土構(gòu)件鋼筋與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接采用植筋法。

5）新增隔墻荷載加固：首先將墻體重量按樓面恒載折算，并考慮樓板塑性設計，盡量發(fā)揮原樓板的承載能力，減小對樓板的加固；其次在有條件的樓面設置上翻梁或鋼梁，將荷載傳于兩側(cè)支座梁上來減少對樓板加固。

考慮施工進度要求，盡量采用粘貼法加固。

3.2 主要加固部位與加固思路

3.2.1 地下超市貨車通道、卸貨區(qū)及新增下沉廣場區(qū)域

地下室超市貨車通道、卸貨區(qū)原建筑功能為機械停車區(qū)，樓面活載為5 kN／m2，按照新建筑功能，貨車通道活載為10 kN／m2，卸貨區(qū)的活載為20 kN／m2；新增下沉廣場區(qū)域需要新增300 mm厚建筑面層設置排水溝，并增加景觀荷載，總荷載會增加10 kN／m2。經(jīng)復算原梁、板承載力均不滿足要求，傳統(tǒng)粘貼法無法滿足加固要求，需加大構(gòu)件截面。增加截面法最大問題是需要把板底已有的管線進行拆除，其加固工程量大、工期長。于是經(jīng)與業(yè)主及建筑專業(yè)協(xié)商后采用疊合梁板的方式進行加固，即在原板面新澆筑300 mm厚混凝土板作為受力板，原樓板作為施工底模使用，不再考慮原次梁和樓板的承載，原主梁按照加高截面300 mm疊合梁進行設計復核，這樣大部分加固均在板面進行，個別主梁在梁底進行粘鋼或加大截面加固（圖2）。

圖2 下沉廣場框架梁支座鋼筋遇柱錨固大樣

3.2.2 餐飲廚房區(qū)域

餐飲業(yè)態(tài)中廚房區(qū)域業(yè)主均要求墊高300 mm設置排水設施，新增荷載會造成結(jié)構(gòu)大量的加固，經(jīng)過和商管、設備專業(yè)等溝通后采取如下措施來減少加固工程量：

1）廚房區(qū)域回填高度減為200 mm（加上建筑面層50 mm總共高度為250 mm），回填材料采用輕質(zhì)泡沫混凝土，其容重不得大于5 kN／m3；

2）廚房區(qū)域樓面板底部粉刷取消，板面建筑面層恒載不大于1 kN／m2；

3）減輕廚房區(qū)域樓面板底部吊頂荷載，重量較大的設備管線避開廚房位置，管線及吊頂總荷載不得大于0.5 kN／m2。

綜合上述條件，廚房區(qū)域附加恒載為2.5 kN／m2，活荷載取值仍按原設計4.0 kN／m2取值。經(jīng)復核廚房區(qū)域基本不用加固。

3.2.3 影院看臺區(qū)域

為減小加固工程量，所有看臺均采用輕鋼結(jié)構(gòu)，上面鋪設花紋鋼板后再做50 mm厚的配筋混凝土面層，看臺下部無人區(qū)域建筑封堵后的活荷載不再考慮，影院區(qū)域的加固大幅減少。

3.2.4 屋頂新增大跨度懸挑梁

根據(jù)建筑條件室內(nèi)步行街部分屋面位置需要結(jié)構(gòu)懸挑梁板作為步行街屋頂，封口梁作為采光頂?shù)臄R置端，該部位結(jié)構(gòu)懸挑長度為6 m，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范（GB 50010—2010）》8.4.1條，在結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件和關(guān)鍵傳力部位，縱向受力鋼筋不宜設置連接接頭，為了保證挑梁鋼筋可以順利穿過框架柱和主梁，最終方案定位疊合上翻梁加固（圖3）。

圖3 屋頂新增大跨度懸挑結(jié)構(gòu)平面示意

3.2.5 新增室內(nèi)步行街連廊的抗震支座

單體間連橋設計成鋼結(jié)構(gòu)以減少加固量和方便施工，大跨度位置的主鋼梁（跨度大于8 m）一端按固定鉸支座設計，另一端按照雙向滑動鉸支座設計。考慮牛腿采用植筋做法難度較大、可靠性低，故將放置牛腿區(qū)域的梁混凝土鑿除，待牛腿鋼筋及埋件放入后再整體澆筑混凝土（圖4），牛腿寬度按大震作用下的主樓在該位置的節(jié)點最大位移確定。

圖4 大跨度鋼連橋抗震支座設計

跨度較小位置的鋼連橋與主體結(jié)構(gòu)采用后置埋件進行連接，主鋼梁一端按固定鉸支座設計，另一端按照滑動鉸支座設計。

4 基礎(chǔ)加固改造

4.1 基本情況

裙房區(qū)采用預應力管樁當抗壓兼抗拔樁，樁徑600 mm，樁長15 m（單節(jié)），單樁抗壓承載力特征值1 000 kN，抗拔承載力特征值550 kN；承臺為四樁承臺到八樁承臺，承臺厚度均為1 m；底板厚度600 mm。

場地地下水抗壓設計時按地表下0.3～1.3 m（相當于黃海高程1.20～1.48 m）設計，抗浮設計時地下水位取黃海高程2.80 m。

場地±0.00 m標高相當于黃海高程4.40 m，抗浮設計水頭高度6.4＋4.6＋0.6＋2.8－4.4＝10 m。

改造后傳至基礎(chǔ)荷載有較大變化的位置有：地下室新增超市重荷載區(qū)（貨車通道、卸貨區(qū)、庫房、生鮮區(qū)等），新增室外下沉廣場區(qū)域，原下沉廣場封閉區(qū)域。

經(jīng)核算，抗浮工況下荷載增加最大的部位是新增下沉式廣場區(qū)域，原因是該處取消了1 m厚度的地下室頂板覆土及樓蓋，單柱下浮力最大為5 500 kN（原設計樁基抗浮承載力4 400 kN），抗壓工況下荷載增加最大的部位是南區(qū)原敞開式內(nèi)庭院增加屋蓋及大跨度梁處，單柱下最大受壓力為6 000 kN（已考慮部分有效水浮力作用，原設計樁基抗壓承載力4 500 kN）。

4.2 基礎(chǔ)抗壓不足的加固

基礎(chǔ)抗壓承載力不足時，常規(guī)做法是采用錨桿靜壓樁加固，但考慮錨桿靜壓樁承載力較低，且兩層地下室的地下水位較高，采用錨桿靜壓補樁時降水和施工極為困難，以及后期可能出現(xiàn)的滲漏質(zhì)量問題，故在評審會議中錨桿靜壓補樁加固方式被否決。本工程柱下抗壓不足的加固主要考慮了如下幾方面有利因素和方法：

1）考慮有利水頭因素：根據(jù)勘察報告歷史最低水位為黃標－0.28 m，兩層地下室區(qū)域基礎(chǔ)底板底標高為黃標－7.7 m，有利水頭為7.42 m（原結(jié)構(gòu)設計已經(jīng)考慮了5 m有利水頭），基礎(chǔ)底板所在土層為④－2粉質(zhì)黏土地基承載力特征值較高，底板自重可由土層承受?？箟簶痘鶑秃藭r可以適當考慮2.4 m的有利水頭作用。

2）采用PMCAD豎向?qū)Ш刹⒏鶕?jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范（GB 50009—2012）》［4］對商業(yè)建筑的活荷載乘以折減系數(shù)0.9。

3）考慮上述兩項有利作用后樁基抗壓承載力仍然不滿足要求的地方，采用設置柱間斜撐（兩端鉸接的受壓桿）的方式解決。設置斜撐后通過上部結(jié)構(gòu)整體剛度調(diào)節(jié)相鄰柱下樁基礎(chǔ)的變形協(xié)調(diào)，將柱下不足部分的力通過斜撐傳至相鄰柱下基礎(chǔ)。斜撐設置部位均在地下2層或地下1層，且多數(shù)藏于建筑隔墻里面，并且和建筑與設備專業(yè)溝通確認后實施。為便于復核，此處假定相鄰柱下變形一致，按照材料力學的超靜定計算公式進行手工計算斜撐處的內(nèi)力傳遞（圖5）。

圖5 基礎(chǔ)抗壓工況設置柱間斜撐計算簡圖

1）平衡方程

2）變形幾何方程

3）物理方程

連解（1）（2）（3）式得出：

新加斜撐采用C45混凝土強度，E2＝E3＝33 500 N／mm2，截面均為600 mm×600 mm，原柱混凝土強度為C40，E1＝32 500 N／mm2，截面為700 mm×700 mm。

地下2層柱間支撐為ZC1：α＝β＝61.3°。

地下1層柱間支撐為ZC2：α＝β＝52.7°。

計算結(jié)果表明地下2層設置斜撐時可以將15%的柱下荷載傳遞至相鄰的柱下承臺，地下1層設置斜撐時可以將25%的柱下荷載傳遞至相鄰柱下承臺。

為保證斜撐的實際傳力效果，需要保證斜撐的施工質(zhì)量，在斜撐位置的梁端做好臨時支撐，斜撐上口的梁截面混凝土部分鑿除以保證斜撐的鋼筋植筋空間和混凝土澆筑。由于斜撐可以按照兩端鉸接的受壓構(gòu)件設計，斜撐的植筋深度按照構(gòu)造就可以滿足要求。

4.3 基礎(chǔ)抗浮不足的加固

本工程是在原有主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成的基礎(chǔ)上進行的加固改造，建筑整體抗浮能夠滿足要求，只需對局部柱下抗浮不足的基礎(chǔ)進行加固處理。此次加固方式主要采用局部增加配重（損失個別停車位，底板澆筑一定厚度的素混凝土）和設置斜撐（進行傳力轉(zhuǎn)換）的方式。

4.4 基礎(chǔ)承臺抗沖切和抗彎不足的加固

柱下承臺抗沖切和抗彎不足的情況主要通過增加柱截面或在柱周邊設置混凝土短墻肢的方式解決（圖6）。

圖6 柱下承臺抗沖切和抗彎不足的加固方式

5 結(jié) 語

1）商業(yè)綜合體加固改造涉及到的改造內(nèi)容多且復雜，在制定加固改造方案時不僅要多專業(yè)協(xié)同，而且要盡可能通過多方案比選以減少改造量，優(yōu)化加固措施。

2）通過利用單體間原有的抗震縫，新增鋼連橋一端設置滑動支座，根據(jù)人流合理設置疏散樓梯等措施，維持建筑抗震設防類別丙類，減少了加固工程量。

3）對于地下室部分面荷載增大較多的區(qū)域，采用新增疊合梁板的方式進行加固，加快了施工進度，也減少了對梁、板底的原有管線的拆除量。

4）通過在屋頂設置上翻柱帽，疊合上翻梁截面，挑梁上部鋼筋按現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)連接這些措施，實現(xiàn)了屋頂新增加的大懸挑結(jié)構(gòu)。

5）通過考慮有利水頭因素及活載折減，設置柱間斜撐（兩端鉸接的受壓桿）等多種方式解決了樁基抗壓承載力不足的問題。

6）采用局部堆載和設置斜撐（進行傳力轉(zhuǎn)換）的方式可以解決樁基抗拔承載力不足的問題。

7）通過增加框架柱截面或在柱周邊設置混凝土短墻肢的方式可以解決柱下承臺抗沖切和抗彎不足的問題。