某工程加固改造設計合理性分析

王梅芳 （安徽南巽建筑規劃設計院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 工程概況

該工程建于2014年，為5層框架，地下1層，地上4層，A區層高為首層5.4m，B區層高為首層5.1m，二～四層均為4.8m,建筑高度為23.85m，建筑面積約5.7萬m2。原設計為普通商業功能，兩棟建筑僅以連廊相連，且兩棟建筑的標高不同，在連廊位置應考慮高差不同，完成建筑高差的過渡。改造后建筑功能變化較大，業態調整也較多，導致結構加固改造內容較多，改造難度較大，例如新增電影院和兒童樂園，導致結構大區域的開洞；中庭原開洞區域要求封堵增加建筑功能，而周邊梁原結構采用預應力梁，為加固帶來很大難度；兩棟樓之間連廊區域擴大，也設置建筑功能房間，此區域要采用鋼結構連接，節點處理較為復雜。

根據規范及主管部門有關文件，對新建或改建建筑均應按照最新規范進行設計，原設計結構已不能滿足改造后建筑功能的需求，大部分構件均應進行加固。

2 建筑工程加固程序

建筑工程加固為確保既有建筑加固安全，應遵循以下程序：原有結構檢測鑒定（可靠性和抗震性能鑒定）→加固方案選擇（安全、經濟）→加固施工圖設計（規范，宜施工）→施工圖審查（嚴謹）→加固施工（專業）→竣工驗收。

首先應委托專業檢測機構對建筑物進行可靠性鑒定，包括對其現狀進行調查，查清楚建筑的使用條件、所處環境及結構目前的狀況；根據結構鑒定的需要確定調查的主要內容、具體范圍和技術要求，完成對結構整體安全性的調查。而因該工程存在特殊情況，原工程僅完成主體工程，未進行竣工驗收，與工程相關的四方均已更換，原設計、施工資料不全，故檢測機構還應對建(構)筑物的結構布置、結構體系完整性、構件材料強度、混凝土構件的配筋、結構與構件幾何尺寸等進行全面檢測與原設計圖紙進行比對，并繪制工程現狀圖，為加固設計提供依據。

其次根據本工程特點、結構的布置、結構構造和抗震承載力等因素，采用相應的鑒定方法進行綜合抗震能力分析評價，對現有的建筑提出相應的抗震減震對策和處理意見。而本工程原設計施工圖已審圖合格，能滿足當時的國家規范要求，檢測機構應對其進行復核性抽檢，明確施工與設計一致性。而根據上級主管部門有關通知規定改建、擴建工程應按現行規范執行，本工程應提高一檔進行地震作用計算，而原設計抗震構造措施雖已提高一級，能滿足現行規范要求，但地震作用的高度也會導致結構構件加固較多。

3 混凝土結構加固設計方法

既有建筑的加固設計，應與實際施工方法結合，采取有效措施保證新增構件與原結構連接可靠，新增截面與原截面連接牢固，形成整體共同工作，并應避免對地基基礎及未加固部分的結構、構件造成不利影響。以少動或不動原結構為原則，以傳力簡潔明確為宗旨，以結構安全為準繩，進行加固設計。

加固原則是先體系后構件。結構體系加固：所謂結構體系就是指豎向構件和水平構件組成的空間結構，具有明確的計算簡圖和合理的力流傳遞路徑。常見混凝土結構體系為框架結構、框剪結構、框筒結構、筒中筒結構等。當改造前后的建筑發生較大改變如建筑性質發生改變引起抗震設防類別的改變，如本工程這種情況，或建筑增加層數使建筑高度的改變導致抗震措施可能提高，這些改變已不是單純構件加固能滿足要求的，必須針對結構整體，從結構體系入手進行加固，然后在合理的結構體系下，經整體計算分析，對個別仍不能滿足要求的構件進行補強加固。

混凝土結構構件加固方法：增大截面法、混凝土置換法、外粘型鋼法、粘貼鋼板法、粘貼纖維復合材料法、繞絲法、鋼絞線網片-聚合物砂漿法、外加預應力法、增設支點法等。其中目前建筑工程中常用增大截面法、粘貼纖維布法、粘貼鋼板法。

地基基礎加固分為缺陷性注漿加固補強和承載力不足時的基礎加固。補強注漿加固主要是為基礎由于外力損傷、地基不均勻沉降、凍脹等非荷載原因引起的開裂或損傷時，可采用注漿法對基礎進行補強加固。承載能力不足的基礎加固主要是因功能改變（建筑增層）或設計失誤（荷載丟失）使荷載增加較大而導致基礎結構承載力不足時，要對基礎進行的加固。采用的方法主要有肋梁加固、局部加腋、板面增澆疊合層、外包鋼板、角鋼或鋼筋混凝土圍套等方法。當基礎本身承載力不足而地基承載力足夠時，可只加固基礎，盡量不要擾動原地基土。

4 加固方案選擇及難點處理

本工程建筑功能改變較大，存在大面積的封洞口，開洞口的情況對結構整體影響較大，整體計算表明，原設計大部分框架主梁、次梁、框架柱均不滿足要求，承載力要求增加超過40%的較多，且框架梁端配筋不足也較多。而建筑層高受限，增大截面法影響建筑功能，這給加固方案的確定帶來了難度，經過多次現場勘察、反反復復試算，并進行經濟性比較，加固思路如下：

方案階段考慮在樓電梯間隔墻位置增設剪力墻，將原框架結構體系變為框架-剪力墻結構體系的結構體系加固法，框架-剪力墻結構體系降低了框架的抗震等級，經計算分析，由于荷載有較大增加，與框架結構體系直接加固的構件量相差不大，而新增墻的量遠大于減少的構件加固量，故仍采用框架結構體系進行加固。

原結構圖恢復模型計算可知，其扭轉周期比大于0.9，雖然規范未要求多層框架結構要控制此參數。但限制結構的抗扭剛度不能太弱。限制結構的抗扭剛度關鍵就是限制扭轉為主第一自振周期Tt與平動為主的第一自振周期T1之比（簡稱周期比）。當兩者接近時，由于振動耦聯的影響，結構的扭轉效應就會明顯增大?？拐鹪O計中采取措施減少周期比，使結構具有必要的扭轉剛度，因此本工程加固設計中采用增加邊梁高度及加大框架柱截面等方式，將周期比調整至0.9以下，從而降低結構的扭轉效應，確保建筑的安全。

結構加固設計最常用的方法：粘貼鋼板法、粘貼纖維法，有施工較為簡便，原構件自重增加小，對結構影響較小，也不改變結構外形，不影響建筑使用空間等優點。但也有其缺陷，規范要求為防止使用膠粘劑的結構加固部分意外失效而導致的建筑物坍塌，此方式結構構件加固應控制在一定范圍內進行，并應對原結構進行驗算。驗算要求為原結構、構件能承擔1.2～1.5倍恒載標準值的作用，包括受彎承載力和受剪承載力。對原結構、構件提供附加的安全保護。故加固設計采用粘貼鋼板加固法和粘貼碳纖維布加固法時，構件加固后正截面受彎承載力的提高幅度不應超過40%，并驗算其受剪承載力，不能出現受彎承載力提高后而導致構件受剪破壞先于受彎破壞。本工程加固設計時承載力提高不超過此限值的梁板采用粘貼碳纖維布進行加固，框架柱采用粘貼鋼板方式進行加固。

原結構開大洞口區域，框架主梁及次梁采用預應力措施，目前現狀是梁端頂部有部分鋼筋外露，表面有大量浮漿，結構存在一定的安全隱患，為更好地了解鋼筋外露是當時施工規范養護不到位引起的，還是施加預應力引起的，已委托專業檢測機構進行專項檢測，確定加固后的結構安全。而改造后的建筑要封洞口，這就給結構加固帶來很大的難度。既要確定建筑功能的實現又要確定原預應力不受到破壞，就不能直接在預應力梁上進行采用后錨固技術。封堵區域如圖1所示三角形開洞區域。圖示中正交十字梁的為后張法預應力梁，確保加固過程中不破壞原有預應力構件的受力特性，使新增板塊傳力直接明確，就充分利用周邊柱，將荷載直接傳到框架柱上，新增板塊與原預應力梁間采用油氈分隔，上面采用建筑做法連成一體。具體洞口加固封堵圖如圖2所示。本工程這種洞口封堵較多都是采用這種方式，封堵結構傳力均采用新增梁板直接傳力到框架柱或新增構件上，與原有預應力構件不產生直接作用。

圖1 封堵區域示意圖

圖2 洞口封堵圖

本工程A區長度59.1m，B區長度56.4m，兩幢樓間間距14m，原建筑為實現兩側連通采用弧形鋼結構連廊進行連接，存在一定的安全隱患。改造建筑為了更好地利用此建筑，將中間95.4m×14m區域的一半均做了連接，并且設置建筑功能而非僅連廊功能，此區域跨度較大，底層中間為主要通道不是增加柱支撐，直接采用混凝土梁板結構加固，會將兩幢樓連成一體，結構總長度達到129.5m，結構超長，使用期間的溫度應力會較大，而既有建筑與新建建筑不同，原設計未考慮溫度應力的作用，后期增加難度較大。與加固結構設計原則相違背。故仍連接為非剛接，采用滑動支座，溫度應力通過支座移動釋放。采用混凝土結構連廊梁高較大，對建筑功能有影響，施工難度大，采用鋼結構連廊自重較輕，在框架柱上增設牛腿，并對區域采用包鋼加固，并采用SAP2000進行有限元模擬分析，確定節點安全。

5 結論

通過該改造工程的設計，有了以下的體會。

①改建工程設計與新建工程設計存在很大差別，新建工程在一張白紙上實現的建筑意圖，而改建工程則在已有畫作實現新的意圖，受原有框架的限制，更注重現場情況的調研，真正要求做到理論聯系實際，才能更好地完成自己的作品。

②工程設計中也要有一定的前瞻性，為后期加固改造預留一定的空間，減少后期改建的難度。加固施工要有先進性，構件拆除應采用無損作業。

③加固設計將結構安全放在首位，施工簡便、造價經濟等諸方面也要考慮，才能選擇最合理的加固方案，采取最有效的加固技術措施，以求能達到最佳的加固效果，既滿足建筑功能，又確保結構安全。

④加固設計中也可以考慮采用新技術與新工藝。隨著經濟技術的發展新技術新工藝也有長足的進步，減震隔震技術在加固工程中的應用也越來越廣泛。

最后，該工程在加固設計前期為確保工程的安全、合理、經濟，特請行業專家、高校教授召開了專題咨詢會，得到他們的悉心指導，受到很大的啟發，在此表示最誠摯的感謝。