既有建筑內部增設水池結構系統化設計

程林楓,馮曉波,朱 磊

(1.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局, 河南 鄭州 450000； 2.臨海住房和城鄉建設局東部事務中心,浙江 臨海 317000；3.浙江力豐建筑加固工程有限公司,浙江 湖州 313000)

既有建筑裝修改造中,尤其涉及改變使用用途時,通常需要增加獨立的消防儲水池,現有的建筑內部大都不存在這樣的水池,因此如何考慮該供水池的位置及該部分荷載對原結構的影響,最大程度減小其對原結構的影響,并經濟合理設計水池本身,成為在改造過程中面臨的一個現實而嚴峻的問題,甚至關乎改造項目能否落實。

1 工程背景

浙江升建大樓為地上8層框架結構,層高3.6 m,標準軸網尺寸7.2 m×7.2 m,采用現澆梁板結構,結構原始數據缺乏。經檢測公司檢測數據如下：柱截面550 mm×550 mm,軸網為十字梁格,主梁250 mm×600 mm,次梁250 mm×550 mm,混凝土等級C25,基礎采用樁+承臺。具體樁型及數量不明,承臺尺寸后期經過人工開挖得以確認。

根據建筑消防設計要求,整棟大樓需要增設消防水池,正常使用狀態共計蓄水320 t左右,根據單體所處區域位置,南側及西側為道路,建筑距離道路只有3 m左右,東側為相鄰建筑,北側為小區圍墻,室外沒有開挖埋放的空間。建筑提供了兩個方案：一是屋頂；二是室內地面開挖,池體部分埋入土中,部分在地面以上直到2層樓面梁底。考慮到設置屋面后對屋面層本身及整幢樓均產生影響,加固量太大,故將水池放在1層。消防水池平面布置見圖1。

圖1 消防水池平面布置

根據建筑排布設置,挖除地面土后,承臺頂到地坪深度1.5 m,原結構承臺較大,則水池不可避免落在原承臺上,即水池底板在柱網內只能埋深1.5 m,水池池頂直達2層梁底,最大程度利用現在室內高度保證水池深度,結構進行后續設計。

2 結構處理方案

根據現場實際情況,水池底板如沿著柱內側布置則不可避免落在承臺上,原承臺及樁則須考慮到此水池荷載的影響(圖2),對此,結構考慮兩個方案：

方案1：將底部落在承臺所圍成的空間內,然后外挑,完全考慮承臺之間的土來承重,通過箱型基礎上托水池[1]。見圖3、圖4。

方案2：沿著柱內側在承臺下增設錨桿樁,不考慮池底土的作用,將所有的水池和水的荷載完全由新增加的錨桿樁承擔[2]。見圖5、圖6。

圖2 原結構承臺平面布置(局部)

圖3 方案1水池基礎平面布置

圖4 方案1水池剖面示意

圖5 方案2原承臺補錨桿樁布置

圖6 方案2水池剖面示意

綜合考慮兩種方案,方案1由于原承臺面積較大,實際落地的箱型面積過小,支撐上部懸挑水池風險過高,且由于承臺間土仍然有發生不均勻沉降的可能,故采用第二種方案,將水池荷載直接通過承臺傳給錨桿樁。

3 結構計算

3.1 基礎補錨桿樁計算

水池底板厚250 mm,自重6.25 kN/m2,有效水深4.2 m,自重42 kN/m2；池壁厚200 mm,高度4.5 m,每米自重22.5 kN/m,分攤到水池平面約合2 kN/m2；則豎向共計荷載標準值qk=6.25+41+2≈49 kN/m2；每個承臺角上挖除土體共計重量=2.4×2.4×1.8×18≈186 kN；每個標準軸網新增合計豎向荷載Nk=49 kN/m2×49 m2-4×186 kN=1 657 kN；共計補8根錨桿樁,1 657/8≈207 kN,單樁承載力特征值須達到215 kN,最終壓樁力根據現場壓樁控制取1.5×207=310.5 kN,輔助以樁長進行控制。此工程采用250錨桿靜壓樁,按照上述方案則滿足所有新增水池的荷載由新補的錨桿樁承擔,原有結構的樁沒有增加負載。

3.2 底板及壓樁反力梁計算

將承臺之間設置拉梁,承臺斜坡采用素混凝土找平,承臺頂與拉梁頂平,形成閉合狀的2個矩形,水池底板即落在這2個矩形平面上,底板采用slabcad進行建模計算,底板厚度250 mm,根據有限元計算結果進行配筋；承臺之間拉梁當作兩端支撐在承臺處,承受跨中豎直向上的壓樁反力,取最大壓樁反力322 kN對此梁進行計算,配筋梁截面700 mm×700 mm,跨度4.6 m,采用C30混凝土,三級鋼,兩端當作鉸接。

3.3 池壁計算

池壁底部當作固結,頂部當作鉸接的受彎構件,取1 m單元進行計算[3]。根據Midas計算結果配置池壁鋼筋。見圖7。

圖7 池壁計算模型假定

3.4 池頂拉梁計算

上部由于有2層樓面梁及樓板,施工條件受限,故本水池不設頂蓋,只在池子中間拉梁,此梁給池壁頂起到鉸接約束作用,梁主要承擔頂部水的漲力,通過內部設置預應力鋼絞線來平衡。由圖7可知,每米墻在B點支座反力VB=15.45 kN,由井字梁布局每根梁承擔2.5 m寬支座反力,即拉梁承擔向外脹力38.6 kN,梁內設置2根預應力鋼絞線,預加張拉荷載每根50 kN共計100 kN,對池壁頂部進行拉結,通過拉梁的設置實現頂部對池壁的鉸接約束作用。池頂拉梁平面見圖8。

圖8 池頂拉梁平面

4 結 語

該大樓由于涉及消防水池,結構設計盡可能避免該水池對原結構的影響,通過與建筑專業密切配合,將水池設置在1層,既利用了地下的空間,又沒有對周邊結構產生負擔,沒有造成原結構的加固,且水池本身得到了充分合理的設計。池底250 mm,池壁200 mm厚,頂部拉梁,造價非常經濟,實現了在既有建筑內部增設水池的一種良好的辦法。本工程改造完畢經過試水驗收和消防驗收,至今使用狀況良好。