某教學樓改造與加固設計

孫 峣，郭越洋（天津大學建筑設計規劃研究總院有限公司， 天津 300073）

1 工程概況

本工程為天津市某高校一教學樓的改造項目。該教學樓建于 2005 年，地上 12 層、地下 1 層，建筑高 55.8 m，結構形式為現澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，樓蓋形式為現澆鋼筋混凝土梁板結構。4 F 以下混凝土構件強度等級為C40，4 F 及以上為 C35。

本次改造主要為建筑使用功能調整和消防改造。結構專業需配合建筑、設備專業的需求進行結構改造和安全加固，主要涉及屋頂新建水箱間及水箱基礎、屋頂新建直燃機等設備基礎、局部走廊擴建、原有梁加固等。根據 JGJ 116—2009《建筑抗震加固技術規程》，本工程加固后結構剛度和重力荷載代表值的增加不超過原來的 10% 和 5%，故可不考慮結構整體抗震加固，僅按局部加固處理和分析。

本文詳細闡述了以上各項結構改造加固的設計方案和工程做法，并對比了不同方案的優缺點，為以后同類型的改造加固設計提供方法與思路。

2 屋頂新建水箱間

根據給排水專業需要，在屋頂兩柱跨的范圍內新建一個水箱間及水箱基礎，水箱間平面尺寸為 16.4 m×8.4 m，水箱運行重量為 58 t（含水箱重）。

2.1 新建水箱間

屋頂新建水箱間采用鋼筋混凝土框架結構，水箱間頂板采用混凝土梁板結構，新增的 6 個框架柱分別設置在原結構框架柱頂，并采用植筋的方式與原結構柱連接。為避免植筋與原柱中鋼筋位置沖突，新建柱的截面尺寸（600 mm×600 mm）小于原結構柱（800 mm×800 mm）并居中設置。在植筋施工前，應先剔除框架柱頂的混凝土保護層，露出原有結構梁柱鋼筋，植筋時不得破壞原有鋼筋。

2.2 新建水箱基礎

對于新建的水箱基礎，可采用下列兩種方案。

方案一：新建水箱基礎梁（300 mm×800 mm）直接放置在屋面板上，基礎梁兩端應伸過原結構框架梁邊，水箱荷載通過原結構梁傳至結構柱，同時對該屋面框架梁進行受力復核并加固。

方案二：在新建水箱間框架柱間新建框架梁（400 mm×850 mm），在新建框架梁之間設置水箱基礎梁（300 mm×800 mm），新建框架梁和基礎梁的梁底均高于屋頂完成面，水箱荷載通過新建結構傳至原結構柱上。

方案一優點為鋼筋、混凝土用量較少，施工支模較為簡單，同時新建基礎頂標高較低，可有效降低水箱間的高度，對建筑整體立面影響較小。其缺點在于，施工時需要將此部分屋面面層剔除露出原有屋面結構，且新建基礎梁滿跨布置，影響此區域的排水；同時，原有框架梁的內力大幅度增加，經計算框架梁的下筋計算面積由 1 400 mm2增至 2 900 mm2，支座上筋由 1 900 mm2增至 3 200 mm2，需對該框架梁進行較大程度的加固，承載力提高幅度＞40%。

方案二優點在于施工時無須剔除該區域屋面面層，且新建梁底高于屋面完成面，不影響排水；同時，對原有框架梁受力無影響，安全性較高。其缺點在于鋼筋混凝土用量較大，支模工作較多，且新建基礎梁頂標高較高，增大了水箱間的高度，對建筑立面影響較大。

考慮到方案一對原結構安全性影響較大，經與各方協商，本工程新建水箱間基礎采用方案二。另外，本工程設備放置在屋頂，故未考慮易銹蝕的全鋼結構方案。

3 屋頂新建直燃機等設備基礎

根據暖通專業需要，在屋頂增加直燃機和風機，直燃機運行重為 10 t，風機運行重為 100 kg。

3.1 增加直燃機基礎

同 2.2 節水箱基礎，新建直燃機運行重較大，因此本工程也采用了新建架空的框架梁柱作為設備基礎，即在原有框架柱頂新增框架柱（采用植筋方式連接），在新建框架柱之間新建框架梁和次梁。新建框架梁和次梁的梁底均高于屋頂完成面，從而避免了對原結構梁、板受力以及原屋面面層的影響。

3.2 增加風機基礎

由于風機運行重較輕，本工程將風機基礎直接放置在屋面板上。風機所在位置原結構為懸挑結構，懸挑梁截面為 300 mm×800 mm，懸挑長度為 3 m。經核算后，懸挑梁上筋計算面積為 2 300 mm2，原有配筋為 5C22，不滿足要求。

本工程對該懸挑梁采用截面加高的做法，為避免影響梁下的設備管線，僅對懸挑梁根部加高 300 mm，使得原有上筋滿足承載力的要求；同時，應驗算懸挑梁變截面處的承載力是否滿足計算要求，從而確定根部加高的水平長度。截面加高范圍內，應設置 C8@100 mm 的 U 型箍筋，與原有箍筋焊接，并根據計算結果增加下筋 3C20，如圖1 所示。

圖1 懸挑梁根部加高做法

由于新增下筋兩端均需植入原有結構，為便于施工，將下筋分為兩段，所以待植筋完成后將兩段鋼筋進行焊接連接。為了減小焊接時溫度升高對植筋膠黏結性能的影響，焊接位置應距離植筋孔≥20d（d為鋼筋植筋），且應斷續施焊，并用水浸漬多層濕巾包裹植筋外露部分，保證鋼筋根部溫度不超過植筋膠規定溫度。同時，施工時應先將原有混凝土表面進行鑿毛并清除浮灰，以增大新老混凝土之間的黏結作用。另外，在梁加固施工前，應卸除或大部分卸除作用在構件上的活荷載，并對原有結構進行全面可靠的支撐，以確保安全。

4 局部樓板擴建

根據建筑和暖通專業的需要，在 2～8 F 局部走廊一側需進行樓板擴建，新建區域作為設備間并設置排風井，如圖2 所示，圖中陰影部分為新建區域。

圖2 走廊擴建平面圖

4.1 懸挑梁改為框架梁

走廊原結構為懸挑結構，懸挑長度為 3 m，懸挑梁截面尺寸為 300 mm×800 mm，上筋為 5C22 3/2，下筋為4C22。對該區域進行擴建時，應將懸挑梁向上延長至框架柱處，形成新的框架梁 KL1，KL1上端與框架柱植筋連接，下端與原懸挑梁連接。為減少 KL1 對框架柱的影響，梁上端按鉸接設計。

當新建 KL1 截面同懸挑梁時，經核算，梁下筋計算面積為 2 700 mm2，原懸挑梁段 4C22 的配筋不足，需對其進行加固，本工程加固采用增大截面法，并比選了下列兩種方案。

方案一：將懸挑梁段加高至 1 000 mm，同時新建 KL1的截面尺寸為 300 mm×1 000 mm，梁頂標高同懸挑梁。經核算，懸挑梁根部上筋計算面積為 1 900 mm2，原有配筋5C22 滿足要求；下筋計算面積為 2 400 mm2，由于截面加高，下筋可另行配置。因此，新建KL1上筋配置 3C22，與原懸挑梁上筋進行焊接連接；KL1 下筋配置 5C25 2/3，貫穿梁下部增加的截面并植入柱內。

方案二：將懸挑梁段加寬至 500 mm，且新建 KL1的截面尺寸為 500 mm×800 mm，梁頂標高同懸挑梁。經計算，懸挑梁根部上筋計算面積為 2 100 mm2，原有配筋 5C22 不滿足要求，需增加配筋；下筋計算面積為 2 900 mm2，需在原有 4C22的基礎上增加 3C25。因此，新建 KL1上筋配置 5C22，其中 3 根鋼筋與懸挑梁上筋焊接連接，另外 2 根配置在懸挑梁側截面加寬范圍內并植入柱中（圖3）；KL1 下筋配置 7C25，其中 4 根鋼筋下端與懸挑梁下筋焊接連接，另外 3 根配置在懸挑梁側截面加寬范圍內并植入柱內。

圖3 懸挑梁加寬做法

兩種方案均采用了增大懸挑梁截面的加固方法，并充分利用原有配筋，使得加固后的截面配筋滿足計算結果要求。

根據 JGJ 145—2013《混凝土結構后錨固技術規程》的要求，“植筋間距≥5d（d為鋼筋植筋）”。由于梁中鋼筋較密，在梁筋植入柱中之前，應將部分鋼筋向上彎折后植筋，使得植筋間距滿足要求。

對比兩種方案，方案一的優點在于新增鋼筋混凝土用量較少，對梁的加固效率較高，且截面加高時無須破壞原有樓板，其缺點在于原懸挑梁位于走廊處，梁下設備管線較密集，梁截面加高后，多數管線需要截斷后設置彎頭，不僅增加工程量且影響設備管線的工作性能，同時降低了走廊處吊頂標高。方案二的優點在于梁截面加寬對梁下的設備管線沒有影響，其缺點在于新增鋼筋混凝土用量較大，對梁的加固效率較低，同時需要破壞梁側的樓板（不得破壞樓板鋼筋），且梁頂新增鋼筋容易與原有樓板鋼筋位置沖突。

考慮到方案一對現場管線和吊頂高度影響較大，本工程采用了方案二。

4.2 原有次梁加固

原有封邊梁 L1（圖2）的截面尺寸為 250 mm×650 mm，下筋為 3C20。經計算，擴建后梁底所需鋼筋面積為 1 100 mm2，原有配筋不足。

考慮到 L1 左段為走廊，梁下設備管線密集，梁加高施工困難，且原結構梁承載力相差較小，故該梁可采用外黏型鋼、纖維布或直接焊接加筋的方法進行加固。

考慮到施工的簡易性，本工程采用直接焊接加筋的方法，其具體做法為：剔除梁下混凝土保護層，露出梁下筋，在梁底新增下筋 2C22，新老鋼筋之間采用焊接短筋進行連接，短筋規格為 C22@400 mm。

4.3 新建次梁與原有墻梁的連接

擴建區域中需設置排風井，面積為 800 mm×2 800 mm，需設置次梁 La、Lb（見圖2），其截面分別為250 mm×550 mm、200 mm×400 mm，次梁兩端與原有剪力墻、梁進行植筋連接。由于墻、梁寬度較小，不滿足植筋長度要求，所以在鋼筋端部焊接鋼板以提高錨固作用。

4.4 新建樓板與原有梁的連接

本工程新建混凝土板板厚為 100 mm，樓板與原有梁連接時，應將梁頂板厚范圍內的混凝土剔除，露出原有樓板鋼筋，新建板筋與原樓板鋼筋采用焊接連接。

由于新建樓板凈跨為 2.8 m，板跨較小，可將樓板設計為單向板，這樣僅板的受力邊需進行焊接連接，減少施工作業量。同時，樓板的非受力邊連接處，應將原有混凝土保護層剔除并鑿毛，以增加新老混凝土之間的黏結性。

5 結 語

本文以天津市某高校一教學樓改造項目為例，闡述了混凝土結構在屋頂新建水箱間、增加大重量設備、懸挑梁加固、樓板擴建、懸挑梁改框架梁的相關做法，并對不同的改造加固方案進行對比。主要結論如下。

（1）在屋頂新建框架結構時，新建柱截面應小于原框架柱，并在施工時對原有柱頂進行剔鑿，以避免植筋時與原有柱筋的位置沖突。

（2）在屋頂增加水箱、直燃機等重量較大的設備時，可新建架空的框架梁柱作為設備基礎，將設備荷載直接傳至原結構柱，以避免對原結構梁、板受力以及原屋面面層的影響。

（3）原有懸挑梁配筋不足時，可將梁根部截面加高，使得原有配筋滿足要求，并驗算變截面處的承載力，同時給出梁截面加高的施工要點。

（4）提供了樓板擴建時，將懸挑梁改造為框架梁的設計方法；當原有梁中配筋不足時，可優先采用梁加高的方法進行加固，如梁底設備管線較多時，可考慮采用梁加寬的方法。

（5）提供了新建梁板與原結構的連接節點做法、原有次梁增加下筋的節點做法，以及相關施工要點。