某建筑地下室功能改變結構加固設計

葉建農 劉大可 夏長春 周建

0 引言

位于南京湖南路商業圈核心地段的某地塊項目包含A、B、C、E、F、G 六個地塊，總建筑面積526 000m2，主要建筑功能為商業、辦公、公寓、住宅及配套設施。其中C 地塊項目由地上3 棟百米框剪結構公寓塔樓和地下連成整體的4 層地下室組成。其中4 層地下室為框架結構，從底至上層高依次為4.6m、3.8m、5.5m、5.5m，建筑功能為：負四層為平戰結合核六級人防車庫，負三層、負二層為機動車庫，負一層為商鋪。

根據規劃設計，為C 地塊項目物業提供能源的鍋爐房、冷凍機房、消防水池等設施位于相鄰B 地塊地下室。2019 年下半年，甲方提出因市場原因需延緩B 地塊開發進度，導致已經售出的C 地塊項目物業將面臨無能源可供而無法運營的境地。經甲方與設計多輪討論評估，決定對C 地塊地下室進行規劃與設計變更，將C 地下室負二層、負一層b-G 軸以南、9 軸以東原為停車位、商鋪的區域改為能源站，包括配電房、鍋爐房、冷凍機房、3 處消防水池（每個約水量420t，水有效水高度2.6m）。當時C 地塊地下室以及上部塔樓結構已經封頂。經計算復核，變更區原結構設計承載力不能滿足改變功能后的使用荷載要求，因此需要對該區域以及相鄰區域結構進行加固設計。由于上部塔樓的嵌固端位于地下室頂板，因此對于發生在地下室的本加固設計不影響已經封頂的塔樓主體結構設計。

1 加固設計方案

1.1 加固設計計算原則

根據本改造工程的荷載與受力特點，以及甲方提出盡量避免大規模拆除的要求，加固設計確立如下原則：

（1）總體受力協調：個別構件增大截面加固可能引起相鄰構件的剛度分布變化從而改變傳力路徑。應從整個結構體系的安全來考慮，驗算相鄰結構及構件的承載力。

（2）充分利用原結構承載力：盡可能保留原有結構構件，減少拆除的工作量，減少加固工作量，方便施工。

（3）先檢測鑒定，后加固：對原混凝土構件尺寸以及材料強度等取值采用原圖紙強度設計值與現場實測值相結合的原則，按不利的截面、強度、配筋進行結構的計算分析。

1.2 加固結構布置原則

本次變更改造區域位于純地下室投影范圍（上部無塔樓），框架結構，原樓蓋體系為雙次梁或單次梁布置。針對能源站設備用房的荷載布置特點，采取以下結構布置原則：

（1）結合原框梁、次梁布置，在負一層鍋爐房各大型鍋爐的設備基礎長邊或短邊之下、負二層冷凍機房各大型機組設備基礎長邊或短邊之下增設次梁，使得設備荷載傳力路徑簡短、明確。模型計算中，設備運行荷載落在所在梁格內，無設備的梁格活載輸入4.0kN/m2。

（2）結合原框、次梁布置，對有效水量負一層432t、負二層兩個各415t 的消防水池，在其鋼筋混凝土池壁下增設次梁，不影響建筑使用的情況下，混凝土池壁盡量滿跨布置，這需要與建筑溝通協調。混凝土池壁頂至水面上500mm 止，池壁主筋不錨入上層老梁中，即不與上層主體梁連結。

（3）變更前后計算輸入的樓面荷載對照如表1。

表1 變更前后樓面附加恒載與活載對照表

1.3 加固方法

采用原主體結構PKPM 模型，根據上述結構布置原則對大型設備以及消防水池進行布梁、輸入荷載后進行SATWE 初步計算，根據計算結果以及《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）[1]采取相應的加固方法，如表2。

表2 構件加固方法選擇

由于粘鋼加固工程量較少，后改為加大截面法。另外，經驗算，原地基基礎結構設計仍可滿足變更后使用功能的要求。

2 本加固設計中的難點

本改造工程中，荷載增加最大者為3 處消防水池區域處的原結構梁板的截面承載力與需求相距甚遠，因此對該區框架梁的加固采用增設支點法。由于建筑布置限制，無法采用文獻[1]與文獻[2]中推薦的人字形拉桿，只得采用單側拉桿；對拉桿材料的選擇，經計算6處拉桿軸拉力在900～1700kN，數值較大，鋼筋混凝土拉桿處于水池中需要滿足裂縫控制的縱筋較多，通過植筋錨入原結構梁柱的方式無法確保后錨固質量。最終選擇采用熱軋寬翼緣型鋼HW350mm×350mm×1mm2×19mm 作為拉桿截面，外包混凝土保護套。鋼拉桿上端與框架柱鉸接連結、下端與加固梁跨中頂面鉸接連結。經多方案計算，共計在6 處設置斜鋼拉桿，使得滿足計算承載力要求的前提下加固工程量最少。以負二層為例，負二層加固平面示意圖如圖1 所示。

圖1 負二層結構改造平面圖

以斜拉桿LG2 為例，圖2～圖4 為拉桿主要節點圖。

圖2 拉桿LG2 示意以及其下節點連接示意

圖3 下節點埋板錨筋及對拉螺桿布置平面與剖面示意

圖4 拉桿截面以及型鋼螺栓連接示意

鋼拉桿與主體結構柱、框梁的連接計算與構造是本次改造設計中的重點與難點。由于型鋼穿原柱、梁混凝土強度較高（柱C60，梁C40），柱梁內受力鋼筋較多，型鋼穿柱、梁施工較困難，因此連接采用“內層鋼筋植筋+外圍穿原結構對拉螺桿”的連接方式。錨筋與對拉螺桿受力按如下計算：（1）鋼斜拉桿軸向拉力分解為相互垂直的拉力與剪力傳給植筋與對拉螺桿。（2）考慮錨筋與對拉螺桿受拉變形協調，拉力按螺桿與錨筋各自的面積進行分配，錨筋面積計算按照《混凝土結構設計規范（2015 年版）》（GB 50010-2010）[3]9.7.2條預埋件錨筋面積計算。（3）植筋的錨筋不考慮抗剪，剪力全部由對拉螺桿承擔。（4）對拉螺桿抗拉、抗剪強度設計值按《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）[4]表4.6.6 中8.8 級B 級螺栓強度值采用，并按11.4.5 條公式考慮多根螺栓排列受力不均勻而對設計抗剪強度進行折減。（5）外排對拉螺桿距拉桿形心較遠，拉桿與梁柱連接的正面與背面錨板需要設置加勁肋保證錨板剛度將拉力與剪力盡可能均勻地傳給錨筋群與螺桿群中的每一根。（6）型鋼斜拉桿就位后在水池樓面按25kN/m2荷載配重，待構件變形穩定后再綁扎鋼筋、澆筑外層混凝土保護套。

以斜拉桿LG2 為例，其下節點連接計算如表3。

表3 斜拉桿LG2 下節點連接計算

3 本加固改造工程設計與施工要點

（1）新增結構與原結構能否形成整體共同工作是加固改造項目建成后能否正常使用的關鍵點。新老混凝土連接的界面鑿毛、涂刷界面膠等處理的施工要求，應嚴格按《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》（GB50550-2010）[5]中5.2 節“界面處理”執行，如花錘在混凝土粘合面上鏨出麻點深約3mm、點數每平方米達到 600～800 點的均勻分布等。新梁與老結構的連接可采用圖6 連接面鍵槽處理的做法。

圖6 新加梁與原混凝土構件連接間距的措施

（2）采用增大截面加固法對混凝土結構進行加固時應卸除作用在結構上的活載以及樓面面層。新加結構因應力、應變滯后，不能充分發揮作用，特別是當原結構工作的應力、應變值較高時，容易出現原結構與后加部分先后破壞的各個擊破現象，導致加固效果不理想或根本不起作用。

（3）植筋施工應嚴格按加固設計說明以及文獻[5]第19章的工序和技術要求執行。其中清孔質量到位是保證植筋性能的關鍵因素。受力縱筋植筋長度按文獻[1]確定，并需要進行拉拔試驗驗證；當某梁寬的設計植筋數量較多不滿足5d 間距要求時，可以采用圖5 所示的節點。

圖5 植筋量多時滿足植筋

（4）新增框架梁、斜桿施工，需要在原樓板上鉆孔、鑿洞，應減少對原結構的損傷，不得影響原結構的安全。

（5）加固施工中每一道工序的施工質量較大程度決定了改造工程的成功與否。因此項目應由具有結構加固專項施工資質的單位施工。

（6）對新加結構的受力和變形應加強觀測，并對建筑物的整體變形情況進行監測[6]。

4 結語

目前本項目正在施工中。經過對于本項目的加固設計和改造施工過程，筆者心得體會如下：

（1）對于改變使用功能后的結構布置，應根據新的實際荷載以及原結構的條件進行簡潔布置梁或支撐，使受力明確，并優化結構加固方案，在滿足安全的前提下選取便于實現的、方便施工的加固方法。

（2）加固設計涉及新老結構、不同材料的共同受力，工作機理復雜，計算公式中參數多、場景多，設計應充分考慮每個參數取值的可靠性，合理評估施工難易程度，對設計留取足夠的安全系數。

（3）對本改造工程中鋼拉桿與老結構的連接采取植筋與對拉螺桿共同承擔方式的計算，規范沒有明確的公式。希望讀者同行與專家給予批評指正以及建議。