某高層住宅地下室發(fā)電機(jī)房改造加固分析

孫延林

宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院（223800）

發(fā)達(dá)國家建設(shè)大都經(jīng)歷大規(guī)模新建、新建建筑與加固并存、加固翻新為主的三階段[1]。我國雖然還處于發(fā)展中國家，但經(jīng)過三十幾年的改革開放，中國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展世界矚目，中國的城鎮(zhèn)人口比例已經(jīng)達(dá)到60%以上，時(shí)至今日，我國既有建筑總面積已達(dá)600多億m2[2]，在建設(shè)發(fā)展迅猛的同時(shí)，早期建筑功能單一落后，設(shè)計(jì)規(guī)范不完善，安全冗余度不足，密集無序開發(fā)等問題逐步顯現(xiàn)[3]。同時(shí)由于使用年限較長，建筑用途的變更，或者長期超載使用等因素，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全性難以保證，穩(wěn)定性降低，存在安全隱患。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)中需維修加固占四成以上[4]，為實(shí)現(xiàn)資源的有效循環(huán)利用，加之技術(shù)的發(fā)展與成熟，對既有建筑進(jìn)行加固改造就有了廣闊的應(yīng)用市場和發(fā)展前景，具有重要的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。文章以某高層住宅地下室排風(fēng)井周圍改造實(shí)例，針對不同改造部位，選擇適當(dāng)?shù)募庸檀胧┻M(jìn)行分析，以供類似工程參考借鑒。

1 工程概況

本工程于2018年建成并投入使用，使用年限較短，設(shè)計(jì)為一幢帶有四個(gè)單元的高層高檔住宅樓。因此其建筑平面長度較長，達(dá)117.05m，建筑平面最大寬度為20.20m。平面形狀不規(guī)則，但總體較為對稱。該建筑地下兩層，地上34層，總高度為95.2m，建筑工程基底面積為1731.53m2，總建筑面積58872.02m2。地下主要為各種機(jī)房和地下停車庫。

該建筑主要采用框架-核心筒的結(jié)構(gòu)抗側(cè)力體系，結(jié)構(gòu)外圍布置柱網(wǎng)，最大柱距7.85m，中部核心區(qū)域以剪力墻承重為主。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為8度（設(shè)計(jì)地震基本加速度0.2g），地震分組第二組，建筑場地類別為三類，按50年房屋使用年限設(shè)計(jì)。

2 改造要求

應(yīng)委托方要求，改造前建筑地下室1層的17~18軸/D~F軸交匯處的發(fā)電機(jī)房需要進(jìn)行調(diào)整，改造區(qū)域原結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 改造區(qū)域原結(jié)構(gòu)平面圖

該發(fā)電機(jī)房現(xiàn)采用主用功率600kW的發(fā)電機(jī)，新機(jī)組干重6.53t，濕重6.89t，其尺寸大小也發(fā)生改變，并且需在機(jī)組下方采用C30混凝土建造一個(gè)基礎(chǔ)，長4.8m，寬2.5m，高0.55m，基礎(chǔ)表面及四周需要用水泥抹平。因此對于該處混凝土板，結(jié)構(gòu)荷載發(fā)生改變，經(jīng)過復(fù)核驗(yàn)算，原混凝土板無法滿足新機(jī)組的承載力要求，且對周邊區(qū)域的混凝土梁和板的承載力會(huì)造成一定的影響。同時(shí)，為方便機(jī)組排風(fēng)排煙和散熱換氣，需在鄰近的16~17軸/D~E軸之間的混凝土板上開一處通風(fēng)井，尺寸大小為2.0m×1.9m。

由于該建筑系新建建筑，實(shí)施此改造時(shí)距離該結(jié)構(gòu)主體施工完畢間隔不長，且只是對地下1層局部進(jìn)行改造，影響范圍較小，所以對整棟建筑的影響較弱。除機(jī)組所在位置及其周邊部分區(qū)域外，整棟建筑的基礎(chǔ)承載力、混凝土強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度等均滿足要求，不需要對整棟結(jié)構(gòu)進(jìn)行大范圍的檢測鑒定。

3 加固改造方案設(shè)計(jì)

依據(jù)改造要求，本工程通過SATWE軟件對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)計(jì)算分析，由于該建筑采用核心筒結(jié)構(gòu)，其自身抗震性能較優(yōu)，能較好地抵抗外荷載，因此本次改造僅影響了機(jī)房所在的地下室1層的結(jié)構(gòu)，地下2層以及地上部分的結(jié)構(gòu)承載力仍然滿足要求，并未受到影響，不需要進(jìn)行加固。同時(shí)地下1層的影響范圍也較小，主要加固區(qū)域集中在16~18軸/C~F軸之間，且由于剪力墻的存在，使得豎向傳力構(gòu)件的承載力較大，所以本次改造不需要對剪力墻和框架柱進(jìn)行加固。在制定結(jié)構(gòu)改造的初步方案后，按照改造后的各專業(yè)條件和對后續(xù)施工的影響，經(jīng)過反復(fù)對比及多次調(diào)整復(fù)核后，確定了具體加固改造方案。

3.1 板的加固

由于發(fā)電機(jī)組的荷載變化，使得機(jī)組下方以及周邊部分混凝土板的原承載力不足，通過計(jì)算對比分析，考慮到施工周期長短，本工程采用粘貼碳纖維布的方法對不滿足承載力要求的混凝土板進(jìn)行加固，其主要機(jī)理為對所要加固的構(gòu)件卸荷后，利用適當(dāng)?shù)哪z結(jié)黏合材料或膠黏劑將碳纖維布與其混凝土基層形成可靠的連接，當(dāng)構(gòu)件重新受力后，碳纖維布也承擔(dān)一定的外荷載[5]，從而提高加固后構(gòu)件的整體承載能力，有效控制構(gòu)件的變形和裂縫。碳纖維布彈性模量高，抗拉強(qiáng)度高，自重小，耐腐蝕性好，施工過程簡單方便[6]。以17~18軸交E軸的板支座處加固為例，根據(jù)公式[7]:

得到該處加固該板所需的碳纖維布的面積，根據(jù)面積選擇適當(dāng)?shù)膶訑?shù)和寬度，最終此處選擇1層碳布，寬度為200mm，每隔300mm布置一道，長度按構(gòu)造要求。板的加固圖如圖2所示。

圖2 板加固方案

3.2 梁的加固

根據(jù)改造要求，需要在16~17軸/D~E軸之間的混凝土板上開一處通風(fēng)井，但該板下有一混凝土梁，經(jīng)過計(jì)算分析和研究討論，最終采用將此梁截?cái)嗟姆桨浮Ｓ捎谠撏L(fēng)井的四邊一面靠近原混凝土梁，一面緊鄰原剪力墻，對結(jié)構(gòu)傳力影響較小，但與之相對的兩邊板傳力受到開洞的影響較大，所以在洞口邊緣與截?cái)嗔捍怪狈较蛐略鲆坏懒篨ZL1，最后一面同樣新增一道混凝土次梁XZL2。新增梁的位置如圖3所示，配筋見表1。

表1 新增梁配筋

圖3 新增梁位置圖

對于承載力不足的混凝土梁，可以選擇粘貼碳纖維布加固法、粘貼鋼板加固法[8]和預(yù)應(yīng)力加固法等，也可以通過在特定部位增設(shè)支點(diǎn)或托梁等改變原梁的受力體系進(jìn)行加固。通過對比計(jì)算，對于支座處抗彎承載力不足的梁，本工程采用粘貼鋼板加固方法，即打磨掉梁支座處表面的松散浮層，直到完全露出混凝土基層，再利用結(jié)構(gòu)膠黏劑將適當(dāng)尺寸的鋼板與混凝土粘連在一起，使兩者形成復(fù)合截面[9]。通過此種方法將鋼板粘貼于受力薄弱部位，使兩者形成整體，共同受力，能夠彌補(bǔ)原構(gòu)件鋼筋的不足，有效提高梁的剛度和承載能力，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土應(yīng)力狀態(tài)[10]。對于底面承載力不足的混凝土梁，采用與板類似的貼碳布的方法。以17~18軸/D軸上需要加固的梁支座為例，根據(jù)公式:

計(jì)算求得該梁支座所需的鋼板面積，進(jìn)而選擇該處使用100mm寬，4mm厚的鋼板。梁頂?shù)募庸虉D如圖4所示，梁底面加固位置如圖5所示，梁底具體加固方法見表2。

圖4 梁頂加固圖

圖5 梁底加固圖

表2 梁底加固方案

4 重難點(diǎn)分析

4.1 排風(fēng)井加固

在對梁加固時(shí)，由于在板上開排風(fēng)井，需要在該洞口的兩面新增兩個(gè)混凝土梁。這兩道梁中，新增梁XZL1兩端是搭在原混凝土梁上，需要與原梁形成可靠的連接，才能使原梁和板上的荷載合理傳遞，新增梁XZL2一端搭在原剪力墻上，另一端搭在XZL1，所以其與原剪力墻也要形成可靠連接，才能保證荷載順利傳遞。本工程采用剛接的方式，將新增梁的鋼筋伸入原有結(jié)構(gòu)的同時(shí)，還在原構(gòu)件中植入附加鋼筋，附加鋼筋植入深度取大于15倍的鋼筋直徑。對于截?cái)嗔海財(cái)嗵幍匿摻钚枰钊胄铝簝?nèi)并具有一定的錨固長度，才能使截?cái)嗔旱暮奢d順利傳至新增梁XZL1。本工程新增梁XZL1與原梁的連接如圖6所示，新增梁XZL2與原剪力墻的連接如圖7所示，截?cái)嗔轰摻钌烊胄铝簝?nèi)錨固的做法如圖8所示。

圖6 新增梁XZL1與原梁的連接

圖7 新增梁XZL2與原剪力墻的連接

圖8 截?cái)嗔号c新增梁XZL1的連接

4.2 剪力墻處梁加固

在混凝土梁頂支座承載力不足加固設(shè)計(jì)時(shí)，本工程采用粘貼鋼板方式加固，但支座處鋼板需要滿足一定的構(gòu)造長度才能保證粘連的鋼板與原梁協(xié)同工作。然而在16~17軸之間有兩個(gè)待加固的梁支座緊鄰剪力墻，伸向剪力墻側(cè)的鋼板無法粘貼，不能保證鋼板的構(gòu)造長度。經(jīng)過討論分析，本工程最終決定采用植筋的方式進(jìn)行加固，即在剪力墻內(nèi)植入鋼筋，然后與鋼板連接。具體為待加固梁JGL1采用3根直徑為25mm的鋼筋與鋼板焊接，然后將另一端鋼筋植入剪力墻內(nèi)，植入深度大于等于22倍的鋼筋直徑，最后將鋼板另一端粘貼于支座處。待加固梁JGL2因?yàn)榧袅穸仍颍摻钪踩肷疃葻o法保證，所以采用直徑為18mm的等代螺桿與鋼板焊接，然后將等代螺桿穿過剪力墻，在另一側(cè)用200mm長，100mm寬，5mm厚的鋼板作為墊板，用螺栓擰緊，最后粘貼鋼板。JGL1和JGL2的位置如圖9所示。

圖9 剪力墻處梁加固

5 結(jié)語

建筑在使用過程中因?yàn)楣δ苄枨蠡蛘呤褂脿顟B(tài)改變等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不能滿足新的承載力要求，合理的對既有建筑進(jìn)行加固改造具有重要意義，既能節(jié)約資源，而且更加經(jīng)濟(jì)。文章就某高層住宅樓地下室1層發(fā)電機(jī)房的改造案例進(jìn)行討論和分析，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的尺寸大小和重量的改變，使得原結(jié)構(gòu)部分承載力不足，而且由于機(jī)房的存在，導(dǎo)致需要在鄰近混凝土板上增加一個(gè)通風(fēng)井。充分考慮上述兩個(gè)變化的影響，制訂了最終加固方案:采用粘貼碳纖維布的方法對混凝土板進(jìn)行加固；對于混凝土梁支座承載力不足的，采用粘貼鋼板的方法，梁底承載力不足的，采用貼碳布的方式。

針對排風(fēng)井和梁頂兩處加固方案還進(jìn)行了重點(diǎn)分析。由于通風(fēng)井的存在導(dǎo)致原梁被截?cái)啵捎迷诙纯谶吘壭略鰞傻懒旱姆椒ㄊ菇財(cái)嗔汉徒財(cái)喟甯玫膫鬟f荷載，分析了新增梁和原混凝土梁及剪力墻的連接；為解決剪力墻存在導(dǎo)致部分梁支座的鋼板構(gòu)造長度無法滿足，采取鋼筋和等代螺桿的方案保證深入墻內(nèi)的長度。本工程在傳統(tǒng)加固方案的基礎(chǔ)上考慮加固過程中遇到的實(shí)際情況進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，可以為類似的加固工程提供一定的參考。