融合增大橫截面與附加內外作用力的醫院舊樓加固改造設計

周成

（復旦大學附屬眼耳鼻喉科醫院后勤保障部，上海 200030）

1 引言

在我國，隨著城市化和現代化的推進，大量的舊樓需要進行改造以滿足現代生活和工作的需要[1]。 醫院舊樓由于設計和建造時期較早， 結構強度和抗震性能往往不能滿足現行標準，同時，其功能布局也往往無法滿足現代醫療服務的需求。 在實踐中，已有許多嘗試對舊樓進行改造的案例[2]。 其中，一種有效的改造方法是增大結構的橫截面，使其擁有更高的承載力和抗震性。此外，通過附加內外作用力，可以進一步提高舊樓的穩定性[3]。 然而，如何將這兩種方法有效融合仍然是一個值得深入探討的問題。 因此，本文提出了一種融合增大橫截面與附加內外作用力的醫院舊樓的加固改造設計方法。 該方法預期可以在提高舊樓結構安全系數，提升其抗震能力的同時，還能在不改變原有樓宇面貌的情況下，實現樓宇功能的現代化改造。

2 舊樓現場勘測情況

2.1 總體情況

某醫院建筑始建于1996 年，截至2023 年已有27 年的歷史，屬于舊式建筑。 該建筑為地上5 層鋼筋混凝土框架結構房屋。 建筑總高度為22.3 m， 室內外高差為0.45 m， 絕對標高5.450 m。 房屋平面形狀為矩形，東西方向總寬為17.4 m，南北方向總長為57.5 m。房屋總體為地上6 層，1 層層高4.5 m，2 層層高為4.2 m，3～4 層層高為3.6 m，5 層層高為4.5 m 和6.0 m。

2.2 地基基礎

地基基礎是建筑物的重要組成部分，它承受并分散上部建筑物的荷載，保證建筑物的穩定性。在勘查過程中，發現該醫院舊樓的地基基礎由混凝土澆筑而成，基礎厚度平均為1.5 m，較為堅固。 勘測中沒有發現由沉降現象導致的結構明顯損傷。

2.3 承重墻體

承重墻體是建筑物的主要承重部分。 舊樓的承重墻體主要由框架結構構成。 外墻厚度約為240 mm， 內墻厚度約為240 mm， 具備一定的隔音和保溫性能。 砌筑材料主要為黏土磚，這種材料具有良好的強度和耐久性，但抗震性能較差。 門窗洞口主要由木制材質構成， 這種材質具有良好的隔音和保溫性能， 但對火災的防護能力較弱。 門窗洞口的寬度一般為1.2 m，部分較大的洞口寬度可達到1.8 m，但由于洞口過大，可能會對墻體的穩定性產生影響。在現場勘測中，沒有發現承重墻出現明顯的變形以及結構損傷，局部前面出現開裂以及脫落。

2.4 內框架柱

內框架柱是承擔建筑物豎向荷載和一部分橫向荷載的重要部分。 該醫院舊樓的內框架柱由鋼筋混凝土構成，柱子截面尺寸約為500 mm×500 mm，橫向柱間距約為7.5 m，縱向柱間距約為5 m，縱向共計11 排，橫向4 排，框架柱與橫墻距離為2.4 m，框架柱與外檐墻的距離約為2.5 m。 現場勘查中，沒有發現該建筑中的內框架柱存在明顯的形變以及損壞。

2.5 樓（屋）蓋結構

樓（屋）蓋結構承受并傳導屋面使用功能荷載，保護內部空間免受外部環境的影響。在這座舊樓中，樓（屋）蓋結構由混凝土板和鋼筋混凝土梁構成，板厚約為120 mm，梁高約為600 mm，梁寬約為250 mm。縱向框架梁跨度為5 m 和7.5 m，縱向框架梁截面尺寸為250 mm×700 mm；橫向次梁跨度為3.7 m，橫向次梁截面尺寸為250 mm×600 mm。 在現場勘測中，未發現明顯的變形、結構損壞情況，部分樓頂底板局部出現了鋼筋外露銹蝕以及墻體外層脫落的情況，部分墻體出現開裂、保護層脫落的情況。

3 加固改造設計方法

3.1 增大橫截面改造方案

鑒于醫院舊樓結構老化， 其性能已不符合現行建筑規范要求，需進行加固改造以提升建筑物的抗震能力和安全性。

增大橫截面改造的原理是通過擴大建筑橫截面尺寸，增強結構的承載能力和抗震性能。 具體實施方法包括：對承重墻進行局部或整體加寬改造，提高其抗壓承載能力；對局部破損嚴重的墻體進行加寬改造，或對整體墻體進行均勻加寬。 對柱進行局部或整體加大截面改造， 提升其軸向承載力和抗側剛度；如對底部破損嚴重的柱進行局部加寬處理，或對整個柱截面進行均勻加大。 對梁進行加高或加寬改造，增強其抗彎承載力；對受彎矩較大梁段進行局部或整體加寬加高。 對節點連接進行改造，確保節點與構件銜接牢固；如加設錨栓、加強焊接等。 改造材料優先選擇與原材料相近的材料，以保證構件間的相容性。改造盡量不改變建筑布局，對使用功能影響最小。圖1為梁的增大橫截面改造方法的示意圖。

圖1 增大橫截面改造法示意圖

3.2 附加內外作用力改造方法

3.2.1 預應力加固法

附加內外作用力改造的原理是通過引入額外的內外作用力提高結構的荷載承載能力和抗震性能。 這些作用力可以有效改善結構的穩定性，減小地震力對建筑物的影響。 具體實施方法包括：設置外部支撐系統，如鋼支撐或墻體支撐，來承擔舊樓的垂直載荷， 減小舊樓自身承受的應力。 使用預應力技術，向結構注入適量的預應力，優化內力分布，提高抗震性能；如對梁、柱設置預應力筋或錨桿。 設置阻尼裝置或減震裝置，提高結構的耗能能力，減小地震作用下的響應；常用裝置有黏彈阻尼器、摩擦阻尼器等。 加設新的剪力墻或括芯墻，提高結構的整體抗側剛度和抗震性能。 加設低變形支座，控制地震作用下結構的位移響應。 加設其他部位聯結，如屋面鋼結，有效提高結構整體性。

預應力加固法是附加內外作用力改造方法中的一種常用技術，用于增強醫院舊樓的結構抗震能力和承載能力。 其原理是通過對結構施加預壓力， 使結構在正常使用荷載下能夠保持一定的預應力，從而提高結構的穩定性和抗震性能。 首先，在舊樓結構中選擇適當的位置安裝預應力鋼束或鋼帶。 然后，通過張拉設備對鋼束或鋼帶進行張拉，產生預應力。 在張拉過程中，需要控制預應力的大小和施加位置，以保證結構的穩定性和安全性。 在預應力張拉完成后，需要進行固化處理，使得結構構件能夠保持預應力。 通常采用注漿或固化劑等材料對鋼束或鋼帶進行固化，使其不會松弛。 預應力加固法原理示意圖如圖2 所示。

圖2 預應力加固法示意圖

3.2.2 鋼結構外包加固法

鋼結構外包加固法是一種通過在舊樓結構外部添加鋼結構，以增加橫截面面積和提高結構承載能力的方法。 這種方法可以使舊樓的結構更加堅固，能夠承受更大的荷載力，從而滿足建筑物的改造需求。 在對加固部位進行清理后，首先剝離原有的涂料和砂漿，然后涂抹黏結劑，將鋼結構貼合于墻體。 鋼筋外包完成后，再澆灌混凝土。 待混凝土凝固后，對其表面進行抹灰等處理，使其與原建筑外觀保持一致。

4 加固改造分析

4.1 增大橫截面改造效果分析

增大橫截面改造方法主要通過增加梁柱尺寸和加設加強墻等措施，顯著提高建筑物的承載能力和抗側剛度，改善其抗震性能。 然而，該方法的實施過程需要較長的時間，容易對周邊人們的生產生活造成影響， 并且會在一定程度上減少建筑內的可用面積。

4.2 附加內外作用力改造效果分析

4.2.1 預應力加固法效果分析

附加內外作用力改造中， 其通過對建筑內部以及外部附加額外的作用力，以增強建筑物的結構強度。 但是該方法通常需要對舊樓結構進行較大規模的改動，工程復雜度較高，需要專業的設計和施工。 并且由于附加內外作用力改造需要增加材料和施工工序，造成了額外的成本投入。

預應力加固相比其他加固方法， 可以通過預應力鋼束或鋼筋的施加，減小或抵消外部荷載的作用，從而減少結構的變形和應力，實現結構上的節約，并且其施工周期較短。 但是，預應力加固法對施工技術要求較高， 需要專業的工程師和施工人員進行施工，以確保預應力鋼束或鋼筋的穩定性和準確性，并且其具備較高的施工成本。

4.2.2 鋼結構外包加固法效果分析

鋼結構外包加固可以有效增加舊樓的橫截面積， 提高結構的強度和穩定性。 并且其施工過程更為簡單，不需要對原有結構進行大規模改造，可以有效減少施工成本和工期。 但是該方法會對原有建筑的外觀產生一定的變化， 可能不符合原有建筑的設計風格，并且依然需要較長的施工時間，易對醫院的正常運營造成影響。 表1 為3 種加固方法的抗震效果比對，指數越大，表明效果越好。

表1 3 種加固方法的加固效果比對

5 結論

在建筑物的長期使用和維護過程中， 由于年代久遠及多種自然和人為因素的影響， 存在大量亟待加固改造的老舊建筑，特別是一些關鍵設施，如醫院舊大樓。 為應對這一需求，本文提出了一種融合增大橫截面與附加內外作用力的加固改造策略，旨在提供一種安全、經濟且可行的加固方法。 然而，這種設計方案主要針對特定的建筑類型和狀態。 對于其他不同類型或狀況的舊樓，仍需進一步實驗和優化。 今后同類型建筑物的加固改造可參照并優化本設計方案， 而針對不同類型建筑物， 將深入研究并針對性地設計出更適宜、 更優化的加固方案，以滿足日益復雜和多元化的需求。