某老舊建筑改造工程的結構設計方案

郭振東

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

本工程為太原市某臨街老舊建筑改造工程，20世紀80年代建成并投入使用。該建筑為砌體結構，地上3層；局部存在內框架：現澆梁支撐于周邊墻體形成大空間體系。現今，業主與設計單位溝通后提出可行的建筑功能改造要求；同時要求設計單位根據該建筑的《鑒定報告》(第三方檢測機構提供)對該建筑已存在的安全隱患進行相應解決。

2 工程中存在問題

該建筑現狀平面如圖1所示(現狀結構平面圖)：根據《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)7.1.2第二款注，可知該建筑屬于橫墻很少的結構(未超過《抗規》7.1.2條8度0.2g丙類建筑高度12 m及層數4層要求)；現狀樓面及屋面處設置圈梁，但全樓未設置構造柱：不滿足現行《建筑抗震設計規范》(以下簡稱《抗規》)7.3.1(強條)；7.3.2;7.3.8(強條)。

通過建模計算分析可知：梁端支撐處砌體局部受壓承載力不滿足現行規范《砌體結構設計規范》(以下簡稱《砌規》)5.2.4要求；墻體抗震驗算不滿足《抗規》7.2要求。

該建筑建成初使用功能為辦公(某國有企業行政辦公)；多年后，企業從該建筑搬離，辦公樓用于商業出租(1層為臨街商鋪，2層、3層用于培訓機構培訓、辦公使用)。商業出租期間，2層、3層租戶因業務使用要求，未與房東(也即本工程業主)協商，私自后砌磚墻對2層、3層進行分隔(圖1：2層/3層平面圖中陰影部分為租戶后砌墻，后砌墻體材料為機制燒結磚)，形成下部大開間，上部為小開間的結構體系。現狀結構墻體沿豎向不連續，不利于抵抗地震力(詳見《抗規》7.1.7條第二款)。

業主要求建筑改造后：2層、3層可滿足大空間餐廳及商鋪使用功能要求。根據現行《建筑結構荷載規范》5.1可知：2層、3層建筑功能由辦公改造為餐廳后，樓面活荷載增大(2.0 kN/m2調整為3.5 kN/m2);原結構梁、板不滿足改造后功能使用要求。

3 改造方案

墻體采用鋼筋混凝土板墻加固，通過在鋼筋混凝土板墻縱橫墻交接部位設置配筋加強帶來代替構造柱，解決既有建筑中構造柱布置不滿足《抗規》的問題。

在現澆梁下支撐部位新增壁柱，并與原有墻體采取有效連接措施。可以解決砌體局部受壓承載力不滿足的問題。

針對墻體抗震驗算不滿足及墻體沿豎向不連續的問題，同時考慮業主提出改造后的功能要求。綜合考慮提出改造方案：首先將2層、3層租戶后砌墻體拆除，并對原結構梁、墻體進行加固(拆除墻體可以滿足業主的大空間需求；同時也可以減輕上部荷載，對結構體系較為有利。同時要考慮不利情況：改造完成投入使用后，2層，3層租戶仍有可能因使用需求而砌墻，先前的結構隱患可能再次出現。所以，設計時梁上荷載按照重量較輕的砌塊考慮，并對相應結構構件進行加固。同時將此意見及隔墻砌筑要求告知業主，方便其日后管理，減少可能的安全隱患。業主對設計方提出的意見表示認同)。1層～3層增設框架梁、柱，墻體采用鋼筋混凝土板墻加固(混凝土板墻單側加固時厚度140 mm,雙側加固時單面厚度70 mm)。使得整個結構體系合理，各項計算結果滿足《抗規》要求。

按照改造后樓面活荷載建模計算，確定對結構梁、樓板進行加固。

4 設計參數的確定

1)加固設計使用年限。

原有建筑建成于20世紀80年代，經與甲方協商討論，按照現行《建筑抗震鑒定標準》1.0.3；1.0.4要求，該建筑按照后續使用年限30年考慮。

2)抗震設計參數。

該建筑為商業建筑，建筑面積1 200 m2，根據《建筑工程抗震設防分類標準》(以下簡稱《設防標準》)6.0.5條及條文說明，抗震設防類別應劃分為標準設防類。根據《抗規》附錄A.0.4規定：太原市抗震設防烈度為8度(加速度0.2g，第二組)，按8度采取抗震措施。建筑結構安全等級為二級。

3)考慮到既有結構為砌體結構(存在既有內框架梁)，改造中要新增框架柱，按照《建筑抗震加固技術規程》(以下簡稱《抗震加固技術規程》)5.1.3條及條文說明：墻體加固時按照改變結構體系考慮。

4)墻體加固采取增設鋼筋混凝土板墻加固(混凝土板墻單側加固時厚度140 mm,雙側加固時單面厚度70 mm；根據《抗震加固技術規程》5.1.3條文說明：雙面設置板墻且合計厚度不小于140 mm時，可視為增設鋼筋混凝土墻。5.1.3條正文：新增的混凝土墻應計入豎向壓應力滯后的影響并宜承擔結構的全部地震作用。5.3.8條：雙面板墻加固且總厚度不小于140 mm時，其增強系數可按增設混凝土抗震墻加固法取值。增設抗震墻加固設計詳見本5.3.10～5.3.12)。

5)設計荷載：《建筑結構荷載規范》5.1.1規定(如表1所示)。

表1 設計荷載

5 設計內容

5.1 墻體設計

板墻混凝土強度等級為C25，厚度為70 mm，局部140 mm(山墻部位相鄰建筑，為方便施工采用單面加固，厚度：140 mm;1層軸外側墻垛裂縫明顯，雙面板墻加固單面厚度100 mm；樓梯間結構安全要求更嚴格，墻體雙面加固時單側厚度為80mm。豎向鋼筋12，間距200；水平鋼筋8，間距200)。計算程序采用PKPM2010(V4.2)結構設計計算軟件系列中的鑒定加固模塊進行結構計算。1層墻體增加鋼筋混凝土板墻抗震驗算計算結果詳見圖2，新增鋼筋混凝土板墻新增混凝土條形基礎(埋置深度按室外地下-1.0 m考慮，深于太原凍土深度0.8 m。若原基礎埋深較淺，則生根于原結構基礎深度；實際施工基坑開挖后，發現原結構基礎較-1.0 m更深)。

5.2 增設壁柱設計

增設壁柱混凝土強度等級為C25，設計以《砌體結構加固設計規范》進行設計(計算方法：增設壁柱主要以提高局部承載力為目的，計算公式詳見11.1.4，改造要求見11.1.2)。模型建模時輸入新增柱，設計中此部分新增柱與原有墻體貼近時采取可靠的連接措施，砌體受壓計算時及局部受壓計算時此部分柱按壁柱考慮。

5.3 結構整體計算分析

新增框架柱與可視作改變結構體系的墻體組成新的結構體系(采取符合《抗震加固技術規程》5.1.3的措施對墻體采用增設鋼筋混凝土板墻加固，可視作改變結構體系)。框架(梁、柱)設計時，按照框架—剪力墻模型進行建模計算，將墻體厚度設置為140 mm(部分混凝土墻體厚度為200 mm。即對框剪模型計算時，墻體中砌體部分不考慮，僅考慮混凝土部分)。按照《抗規》6.1.2條確定：框架等級三級，抗震墻等級二級。

通過計算結果發現：部分原結構結構梁不滿足承載力要求(?軸梁截面尺寸200×350，③軸～⑨軸梁截面尺寸250×600；因原始施工資料欠缺，施工中拆除2層、3層后砌墻時發現2層、3層?軸缺少結構梁)，須對?軸現澆梁進行擴截面加固(梁擴截面后為：300×650，縱橫向主次梁關系發生變化；2層、3層?軸新增框架梁；調整模型重新計算)。結構體系整體計算結果見表2。

表2 結構體系整體計算結果

以上計算均滿足規范規求。

5.4 結構梁、板加固設計

按照建筑使用功能改變(對應的結構活荷載增大)，對模型調整計算。復核計算結果，對不滿足承載力要求的樓板：板底及板頂采用粘貼碳纖維復合材加固(設計中主要參考規范條款見《混凝土結構加固設計規范》：10.1，10.2，10.9。設計結果：板底通長粘貼碳纖維布1T-100@250；板頂粘貼碳纖維布1T-100@250，伸出支座邊1/3支座跨度。1T-100@250表示粘貼1層碳纖維布-寬度100-間距250 mm,本工程碳纖維布采用0.167 mm厚,抗拉強度設計值不小于2 300 MPa，高強度Ⅰ級碳布(300 g))。

屋頂樓板除存在承載力較差的問題，施工現場還發現屋頂板存在滲水現象。屋頂板加固時采用增設混凝土疊合層加固(先鏟除原有建筑防水保溫層，然后增設混凝土疊合層，最后重新做防水保溫層。既可以提高屋頂板結構承載力，同時解決原有房屋存在的滲水保溫的問題。增設混凝土疊合層，按照擴截面加固法設計，主要參考的規范條款見《混凝土結構加固設計規范》：5.1；5.2；5.5。設計結果：50 mm厚C30混凝土；鋼筋單層雙向直徑8間距250;鋼筋強度HRB400)。

對不滿足承載力要求的梁進行加固(②軸～⑨軸橫向梁的梁底、梁頂進行粘鋼板加固。設計時參考規范章條款見《混凝土結構加固設計規范》9.2；9.3；9.6)。

5.5 施工注意事項

考慮本工程加固工程量較大而且復雜，施工中要拆除較多墻體存在安全隱患。為確保施工安全，特別對此做出說明：

1)墻體拆除在加固施工前進行，應對傳遞荷載的樓板進行卸荷支撐；先三層后二層進行拆除。加固施工時，應先加固豎向構件(墻體)，再加固水平構件(梁、板)。

2)施工時剔鑿注意事項：剔鑿前應根據受力情況確定是否應加支撐系統；剔鑿時應重錘輕敲；剔鑿過程中盡量避免損傷需保留的原有結構構件。

3)本工程所涉及到的改造區域，原結構構件應進行普查。發現鋼筋銹蝕須進行處理；若銹蝕嚴重、影響結構安全，須與業主、設計、監理共同協商，進行加固處理。

4)由于該建筑是既有結構，構件實際尺寸與設計不盡相符，因此在施工前應對原結構的主要尺寸進行復核，然后下料施工。當構件實際尺寸與圖中所示尺寸不符時，應以實際尺寸為準，當相差較大時應與設計人員協商。

5)施工中如發現結構存在破損等隱患時，應及時與業主、設計方、監理溝通聯系。

6 結語

隨著城市發展，老舊建筑改造項目日益增多。除了老建筑遺留的安全隱患要解決，還應注意建筑功能變化對原有結構的影響。設計中，設計人員對問題要歸納整理，不能缺項漏項；改造方案除應滿足國家規范要求，還要合理可行；施工中發現問題，應及時調整；設計結果應確保結構整體性能和構件安全均能得到滿足。