既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑連接設計建議

吳灝斌，孟珊，張楠祥，梁碩，馬宇希

（中國建筑第二工程局有限公司，廣東深圳 518000）

1 舊混凝土建筑與新鋼結構建筑連接工程的設計思路

1.1 收集原混凝土建筑工程相關資料

在既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑連接工程的設計過程中，最關鍵的是要對既有建筑的相關資料進行搜集。既有建筑的工程資料是后續實施改擴建施工的關鍵依據，如果沒有對既有建筑的相關資料進行詳細、周密的審查，則難以確保工程的可行性。這些工程資料具體包括原工程的概況、地質勘察資料、工程設計圖紙、施工環境分析等，還包括原工程施工的相關資料，如工程驗收記錄、工程設計變更、工程量核定清單等。一切與原有建筑工程的相關資料都應被收集整理，為連接工程設計提供依據，只有這樣才能為原有建筑與新建結構連接工程施工奠定扎實的基礎[1]。

1.2 對既有建筑物進行全面鑒定

在連接工程施工設計前，要對既有混凝土建筑結構進行全面的鑒定，鑒定通常包括兩方面：

1）鑒定原有混凝土建筑結構的安全性。在原建筑物上連接新建鋼結構建筑，必須與建筑物現有規范相符合，確保已施工的結構與實際設計和原建筑施工資料保持一致，才能更好地開展新建鋼結構建筑連接施工。如果既有建筑物隨著使用年限的增長而導致建筑結構遭到損壞，使用存在問題，安全性存在缺陷，后期硬要在建筑物上連接新建鋼結構建筑，必定會對建筑物整體造成巨大損害。

2）鑒定既有混凝土建筑結構的抗震性。在既有建筑結構上連接新建鋼結構建筑，會導致既有建筑物的結構和功能發生改變，可能會導致建筑結構承擔的負荷增加。如果既有混凝土建筑結構的抗震性能不能滿足施工要求，就需要重新考慮連接工程是否可行。因此，要對既有混凝土建筑結構進行抗震鑒定，根據改擴建之后的結構狀科學建立力學模型，做好抗震分析，確保既有建筑物的抗震性能可以滿足連接工程的實際要求按照相應的規范，對既有建筑物進行加固改造。

1.3 制訂工程設計方案

在對既有建筑進行全面的鑒定之后，要制訂科學的設計方案。設計方案首先要參考既有建筑的工程資料，并與新的工程施工資料相結合，例如，新工程的地質勘查報告、施工圖等，對建筑的樁基、基礎、上部結構制訂完善的設計方案。在既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑連接的過程中，要考慮到地層沉降問題，對既有建筑樁基設計中樁型的選擇以及持力層的設計要反復核實校驗，在滿足工程連接施工要求的基礎上，根據具體情況進行針對性的處理。通常情況下，如果既有混凝土建筑物的樁基不能再繼續使用，就必須將其全部拆除，在既有樁基承載力無法滿足現有施工要求的情況下，要進行補樁施工。除此之外，對于既有混凝土建筑為獨立基礎的，可以采取增加基礎面積或者加大基礎高度的方法，保證既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑的有效連接。同時，可以采用擴大橫截加固方法以及粘貼纖維復合材料加固法，對既有混凝土建筑結構進行多重加固。

2 工程實例

某既有建筑物，在施工時采用混凝土框架結構，建筑物主體為地上28層，地下室2層。現為完善建筑物功能，需要進行建筑物改擴建施工，在既有建筑物上新建鋼結構工程，新建部分的總建筑面積約為30 000 m2，地下建筑面積約達9 000 m2，層高為地下4.5 m；地上1層、2層的高度分別為5.1 m和4.8 m；3層與4層的高度一致，同為5.8 m。由于該連接工程連接節點位置采用的建筑材料不相同，既涉及混凝土結構，又涉及鋼結構，連接節點部分受力情況較為復雜，因此，給工程連接設計帶來了許多困難。

3 在既有混凝土建筑上連接新建鋼結構建筑的設計建議

結合該工程案例，在既有建筑物與新建鋼結構建筑連接設計的過程中，主要從以下4個方面入手。

3.1 新建鋼梁與鋼筋混凝土柱相連接

在既有混凝土建筑結構上新建鋼結構建筑，必定要將鋼梁與混凝土柱相連接，連接會進一步加大混凝土柱的受荷面積。由于該工程中既有建筑物的建設時間較為久遠，無法準確掌握混凝土柱的強度承載力，因此，要對梁柱連接進行處理。設計中將工字型鋼柱緊靠混凝土柱，橫截面尺寸為250 mm×250 mm×8 mm×12 mm，鋼梁和鋼柱之間采用鉸接方式連接起來。鉸接在一起的梁和柱能夠獨立轉動，梁與柱之間沒有彎矩的傳遞，這樣，鋼柱只需要承受鋼梁傳遞的軸力。鉸接首先要在原鋼筋混凝土墻中設置預埋件，并在預埋件上焊牢連接板，采用高強度螺栓將連接板與型鋼梁腹板連接起來，如圖1所示。然后再沿著混凝土柱的長度方向植入鋼筋，鋼筋間間隔為0.5 m，鋼筋要錨入墻中，錨固長度與箍筋配置應符合國家相關標準。錨固長度計算公式為：

圖1 新建鋼梁與鋼筋混凝土墻連接示意圖

L=adfy/ft（1）式中，fy為鋼筋的抗拉強度；ft為混凝土的軸心抗拉強度；a為鋼筋的外形系數，根據鋼筋類型的不同則取值不同，通常情況下，帶肋鋼筋外形系數取值0.14，光面鋼筋外形系數取值0.16；d為鋼筋的直徑。

在鋼筋錨入墻體中后，用混凝土將鋼柱的外部包圍起來，鋼柱采用柱腳栓與原有鋼筋混凝土柱的承臺相連接，使新建鋼筋結構與原混凝土柱連接成一個整體[2]。

3.2 新建鋼梁與鋼筋混凝土梁相連接

連接鋼筋混凝土梁與新建鋼梁時，最關鍵的問題是確定復合鋼筋混凝土的最大承載能力，當鋼筋混凝土結構承載超過最大限度時，有可能導致混凝土結構遭到破壞。在對既有建筑的安全性進行鑒定以及明確工程參數的基礎上，可以采用鉸接的方式將新建鋼梁與鋼筋混凝土梁連接。在混凝土梁上使用螺栓安裝底座，再將鋼梁固定或者焊接在底座上。鋼筋混凝土梁承受鋼梁傳遞的剪力可以有效減少鋼筋混凝土梁的扭轉效應。通過鋼筋混凝土梁承受的剪力，對連接鋼梁和混凝土梁的錨栓受拉承載力進行設計，可以按照式（2）進行計算：

式中，Ptv為錨栓鋼材受拉承載力的設計值；ψE，t為錨栓受拉承載力抗震折減系數；Yut為錨栓鋼材用于抗拉計算的強度設計值，需要根據錨栓鋼材的性能等級進行取值，一般情況下，碳鋼及合金鋼錨栓根據性能等級分為4.8級、5.8級、6.8級、8.8級，相應的強度設計值分別為250 MPa、310 MPa、370 MPa、490 MPa；Bs為錨栓的有效截面面積。

在對錨栓鋼材受剪承載力進行計算時，需要分別對有桿臂和無桿臂進行計算，計算公式為：

有桿臂錨栓鋼材受剪承載力計算較為復雜，公式為：

無桿臂錨栓鋼材受剪承載力計算公式為：

式中，Ca為錨栓鋼材受剪承載力的設計值；σ為被驗算錨栓承受的軸向拉應力，σ的取值是固定的，通常為錨栓鋼材受拉承載力設計值/錨栓的有效截面面積；Fet為錨栓的橫截抵抗矩；αn為約束系數；L0為杠桿臂的計算長度；ψE，V為錨栓受剪承載力抗震折減系數；Yut為用于抗剪計算的強度設計值。本工程中應用的錨栓直徑大于12 mm，錨固深度超過6 cm，通過分析和計算可確定,該工程錨固設計符合新建鋼梁與鋼筋混凝土梁的連接要求，同時新建鋼結構建筑與原有建筑物的施工資料保持一致。

3.3 既有混凝土建筑與新建鋼結構連接接頭施工縫防水處理

在新建鋼結構建筑時，要注意連接位置的防水處理。如果既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑連接部位由于不均勻沉降而出現裂縫，必然會導致滲水問題。因此，在施工中要控制防水混凝土結構底板的混凝土墊層強度不得低于C15，厚度不能小于0.1 m。在軟弱土層，混凝土墊層的厚度要達到0.15 m以上。

在本工程中，為了做好建筑接頭施工縫的防水處理，施工之前先要將混凝土基層上的污物清理干凈，可采用清水沖洗的方式進行清理。然后在舊混凝土面上剔槽，槽形為U形槽，操作起來簡便，效率高。操作中沿著既有建筑物混凝土面的下部鋼筋上口2 cm，上部鋼筋下口2 cm彈線后剔除形成U形槽。U形槽的深度為5 cm，為了避免施工接縫面有明水流動，工程采用鋼絲刷將U形槽內的污物刷洗干凈[3]。同時，將舊混凝土接縫面肉眼可見的已經硬化的水泥浮漿采用油灰刀刮除干凈。然后采用SM膠，沿槽以魚鱗狀的形式打出均勻的膠條，將整個槽腔封閉起來。SM膠是遇水膨脹嵌縫膠，能夠在遇到水時發生膨脹固化從而堵住滲水口。SM膠條會出現兩次膨脹，在混凝土初凝之前出現首次緩膨脹。這次膨脹的作用主要是讓膠條更加密實地貼合在新舊混凝土上。在發生滲漏后，遇水SM膠條會出現再次膨脹，并出現固態化，再次膨脹的作用是封堵滲水路線，從而解決既有混凝土建筑與新建鋼結構連接接頭施工縫滲水的問題。接下來是預埋IT管，即全斷面出漿注漿導管，IT管布置在膠下口緊貼著混凝土的接縫表面，然后將IT管與出漿注漿管的一端打通。

4 結語

綜上所述，為了完善老舊建筑的功能，對城市老舊混凝土建筑進行改擴建是非常普遍的。在原有的混凝土建筑結構上連接鋼結構，最重要的是要著眼于工程實際，優化工程設計方案。充分考慮既有混凝土結構的承載能力，提高工程連接實施的可行性，采取科學的、合理的措施提高新舊建筑連接的安全性、可靠性，確保既有混凝土建筑與新建鋼結構建筑能夠有效地結合。