新技術+新目標導向模式開展公益設施的安全加固

趙城，王倩

（1.北京聯合大學基建處，北京 100101；2.中外建華誠（北京）工程咨詢有限公司，北京 100041）

近年來，國家對公益類建筑的抗震性能高度重視，筆者從事教育、醫療類基建工作多年，總結了一定該類房屋加固的技術特點和問題解決關鍵。加固工作基本利用在用的房屋，更要充分考慮用戶的未來使用需求，在項目組織等方面必須有創新的思路模式。筆者近年來嘗試用新的目標導向模式解決房屋安全保障問題，現結合實例闡述如下。

1 工程概況

某醫療急救中心，建于2006年，為框架-抗震墻結構，地下三層，地上十層，局部十一層。層高為:地下三層3.9m，地下一、二層4.3m，地上一層6.0m，二層至四層4.4m，五層及五層以上3.9m，總高度為46.20m，局部塔頂高度為48.85m，建筑平面為矩形，總建筑面積為15788m2。 平面示意圖見圖 1～2。

由于縣級及以上急救中心的重要，本建筑的抗震設防類別應為重點設防類，而原設計將該建筑抗震設防類別劃定為標準設防類，不符合國家標準的相關條文規定，應將現有建筑的標準設防類別提高至重點設防類別。

本項目的目標導向比較特殊：（1）因功能需要，業主提出對該建筑進行改造，同時將原有的天井進行封堵改造（改造后平面示意圖見圖3），改變了建筑的使用功能。（2）項目實施期間，有其他部分仍在使用，并有不定期重要外事活動或國內活動舉行，項目實施的組織管理需要改變傳統模式。

為了保證結構安全和大修改造方案可行，并滿足業主的特殊使用要求，受業主委托，中國建筑科學研究院對該建筑進行了抗震鑒定，并在此基礎上，通過多輪計算分析，合理控制結構動力特性和位移，提出了優化的結構整體加固設計方案，已順利實施并為業主節省了投資。

圖1 地下結構平面圖

圖2 地上結構圖

2 抗震鑒定

本項目利用中國建筑科學研究院編制的PKPMSATWE結構計算軟件對結構進行整體建模和計算分析，同時結合該建筑的外觀質量及結構構造措施等，得出了如下鑒定結論：

（1）外觀質量：外觀質量基本滿足要求。

（2）構造措施：地下室頂板作為上部結構的嵌固端時，柱側配置鋼筋不滿足規范要求；部分框架梁的箍筋直徑不滿足規范要求；部分框架柱的軸壓比偏大，不滿足規范要求；框架柱箍筋肢距較大，不滿足規范要求。

圖3 天井封堵平面圖

（3）結構抗震承載力驗算：部分抗震墻、框架柱和框架梁抗震承載力不滿足規范要求，部分框架柱的軸壓比不滿足規范相關要求。

（4）變形驗算：樓層扭轉比最大，為1.43，扭轉較嚴重。

3 加固方案分析

結構由原來標準設防類別提高至重點設防類別，部分結構構件抗震承載力不足，可采用增大截面、外包角鋼和粘貼碳纖維等常規的加固方法對相應構件進行加固。但該建筑較主要的問題是結構平面剛度分布不均勻，造成結構扭轉嚴重，應重點解決，而調整結構抗震墻的分布是解決結構平面剛度分布不均勻的有效途徑。調整思路應從以下幾個方面進行考慮：

表1 原結構和改造方案計算結果

(1)從結構周期的角度判斷結構剛度的合理性。

眾所周知，結構剛度越大周期越小，周期大小與剛度的平方根成反比，與結構質量的平方根成正比。框架-抗震墻結構的單位面積重力荷載代表值約為13～15kN/m2。

按正常設計，非耦聯計算地震作用時，框架-抗震墻結構周期大致在以下范圍：

其中N為結構計算層數。如果周期偏離上述數值太大，應重新考慮結構剛度的調整。

（2）從結構位移的角度判斷結構剛度的合理性。

結構的層間位移角與結構的整體剛度相關，計算的層間位移角越小，結構總體剛度越大，反之亦然。結構的彈性層間位移角應滿足 《建筑抗震設計規范》第5.5.1條的要求。同時，通過樓層的位移比控制剛度均勻性。

（3）抗震墻數量合理性的確定。

根據相關文獻，當鉸接框架-抗震墻結構剛度特征值λ=1.0～2.5時，結構中的框架和抗震墻的剛度比較均勻匹配，整體結構受力比較合理均勻。λ計算公式為：

其中，H為結構計算總高度；C為各層框架平均抗推剛度；EI為抗震墻總剛度。

根據以上幾個原則，通過采用對現有抗震墻進行增厚、開洞和新增抗震墻的方法，調整結構的平面剛度分布，以減小結構扭轉，使結構整體受力更合理，計算結果見表1。

通過表1分析知，原結構單位面積重力荷載代表值偏大，X方向結構剛度特征值λ為1.19，抗震墻數量合理，最大層間位移比為1.14，結構抗側剛度分布均勻；Y方向結構剛度特征值λ為1.01，抗震墻數量合理，抗震墻對結構影響大，最大層間位移比為1.43，結構抗側剛度分布嚴重不均勻，故應適當增加結構Y方向的抗側剛度，調整其平面分布，使其均勻。改造時按Y向適量新增抗震墻和對現有部分墻體加厚并部分墻體開洞兩種方案分別進行建模，經多輪計算調整，兩種方案最終計算結果見表1。通過比較，第二種方案加固量少和結構難度較小，經反復研究決定，本次結構改造采用第二種方案。

4 抗震加固設計

根據竣工圖紙和現場情況，結合結構鑒定結論，針對存在的問題，通過分析，本次設計采取了如下加固處理措施：

（1）對計算中軸壓比和承載力不滿足要求的框架柱，采用了增大截面（現澆鋼筋混凝土圍套）方法進行加固。

（2）對軸壓比滿足而縱向鋼筋不滿足要求的框架柱，采用了外包角鋼套的方法進行加固處理。

（3）對箍筋不滿足構造要求的框架柱，采用了粘貼碳纖維或鋼板箍的方法進行加固。

（4）對抗震承載力不滿足要求的框架梁，采用了外包角鋼套的方法進行加固處理。

（5）對抗震承載力不滿足要求的抗震墻，采用了增大截面方法進行加固。

（6）針對原結構扭轉嚴重的問題，采用了對原結構的部分抗震墻進行增大截面（增厚）和部分抗震墻開洞的方法調整結構抗側剛度的分布，使結構更加合理。采用本改造方案前，業主委托了另一家設計單位對結構改造設計，施工預算約為1450萬。由于原加固改造方案未考慮抗震設防類別的變化且投資較大，業主采用了本結構改造方案，現已經順利實施，施工預算約為600萬，為業主節省了850萬，受到了業主的好評。

5 有針對性的創新管理模式

本項目實施期間，面臨業主所述行業及國際活動多次，項目管理中，（1）采用了BIM技術融入其中，通過虛擬空間分析對加固建筑，尤其是新封閉天井區域進行了充分的人體尺度和動態尺度分析。（2）利用BIM技術對加固前和加固后樓內設備管道的排部進行了立體化分析，有針對性地解決醫療機構的特殊要求，為專用設備的安裝提供空間，并為其后期可能的維修、升級預留操作空間。（3）本次加固期間，因為不定期的外事活動，使得施工工藝的操作區別于其他類似工程。對于低噪聲、少污染、周期長的作業內容，充分利用白天操作；但對于污染不可避免，或者材料現場加工或固化有特殊要求的，都基本調整到夜間施工，避免白天不可避免的中斷。（4）采用WORKTILE軟件調整傳統施工主線，以滿足業主的特殊時間表和使用要求為指導思想，強化目標節點的管控，不讓業主的使用依附于一般流程。目標節點盡量做到“模塊化”，可機動、整體平移。這些措施得到了業主的好評。

6 結語

通過本次結構改造，從結構周期、結構位移和結構剛度特征值的原則控制框架-抗震墻結構的整體特性，優化結構改造方案，既能使結構更合理，又為業主節省了投資。