淺談裙房常見改造與加固設(shè)計

孫釗，完海鷹，張浩

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009；2.安徽固力建筑新技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009）

1 概 述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民消費水平的提高，帶大底盤裙房的高層建筑也越來越多，其中裙房多用于商業(yè)，塔樓多用于辦公。由于前期項目規(guī)劃不到位，設(shè)計未完成急于資金回籠而搶先施工，或后期租賃方要求變更使用功能，甚至出現(xiàn)施工質(zhì)量問題亟待解決等，這時候就需要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。所謂加固，是指對可靠性不足或業(yè)主要求提高可靠度的承重結(jié)構(gòu)、構(gòu)件及其相關(guān)部分采取增強(qiáng)、局部更換或調(diào)整其內(nèi)力等措施，使其具有現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范及業(yè)主所要求的安全性、耐久性和適用性。常見的加固方法主要有粘鋼、包鋼、粘貼碳纖維、增大截面、壓力注漿、植筋或錨栓、聚合物砂漿、預(yù)應(yīng)力加固等。對于某個建筑的某項改造，業(yè)主往往關(guān)心的是加固造價、施工工期、是否影響周邊正常使用、加固后維護(hù)費用與難度等等。在加固設(shè)計的過程中，設(shè)計人員除了需要考慮業(yè)主關(guān)心的問題，還需要盡可能地建立簡單有效的加固思路來進(jìn)行計算，并采取合理有效的加固方法，在加固施工過程中，又存在著許多需要注意的事項。本文通過幾個裙房的改造加固實例，介紹其改造內(nèi)容與加固設(shè)計方法，提出幾點加固計算技巧，并簡要總結(jié)了設(shè)計與施工過程中的注意事項，供類似工程設(shè)計與施工參考。

2 常見改造及加固方法

2.1 使用荷載增加

使用功能變更是最常見的改造。當(dāng)使用功能改變后，若使用荷載增加，并考慮原設(shè)計富余后承載力仍然不夠，則需進(jìn)行加固。由于加固設(shè)計規(guī)范限定粘貼碳纖維等部分加固方法只適用于承載力提高幅度不足40%的構(gòu)件[1]，根據(jù)這一規(guī)定，改造所帶來的荷載的改變量可以幫助預(yù)測使用哪種加固方法，以便制定粗略的加固概算。

通常樓板使用荷載增加，采用的是粘貼碳纖維、粘鋼、板面澆筑鋼筋混凝土疊合層、板底增設(shè)鋼梁縮短板跨等方式進(jìn)行加固。

某裙房建成后租賃單位變更，新入住單位要求更改賣場隔墻布局，但墻體位置在加固設(shè)計前無法提供精確定位。在設(shè)計過程中，為保證加固后具有足夠的承載力，避免二次加固，將每塊樓板可能出現(xiàn)的隔墻布局進(jìn)行分類，再對荷載進(jìn)行折算，折算結(jié)果表明，樓板設(shè)計活荷載標(biāo)準(zhǔn)值從4kN/m2提高至7kN/m2（一般來說粘貼碳纖維布即可），可保證后期業(yè)主使用過程中任意方式的布置輕質(zhì)隔墻，這樣就可以在裝修方案定稿之前進(jìn)行加固設(shè)計與施工，縮短了整個項目的工期，最終該建筑如期交付使用。

當(dāng)使用荷載提高較多，在不改變傳力路徑的情況下，可以采取梁柱增大截面和增設(shè)樓板鋼筋混凝土疊合層并用的加固方法，但這種方法施工工期長，操作難度大，混凝土澆筑是濕作業(yè)，影響周邊環(huán)境和周邊建筑的正常營業(yè)。有時候可以采取改變傳力路徑的方法。某裙房為地上5層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓板采用GRF現(xiàn)澆混凝土空心樓蓋，現(xiàn)擬在五層增設(shè)游泳池，荷載提升較大，若游泳池直接擱置于樓面上，需要對空心樓蓋進(jìn)行加固，而對這種樓蓋的加固，可供參考的資料較少，計算較復(fù)雜。加固設(shè)計時，采用增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)夾層的方式，游泳池擱置在鋼結(jié)構(gòu)夾層上，夾層離地面高度包含四部分：裝飾層、鋼梁最大撓度、鋼梁高度及壓型鋼板組合樓板板厚，組合樓板剖面圖如圖1所示。

鋼梁直接與柱子相連，這樣直接把荷載傳給柱子，僅需對柱子進(jìn)行加固即可。經(jīng)與業(yè)主協(xié)商，增設(shè)夾層后的凈空仍滿足使用要求，同意采用此方案。當(dāng)樓板上增設(shè)機(jī)械設(shè)備等重物，應(yīng)該避免樓板承受集中荷載作用，否則需要計算樓板等效均布活荷載，并通過構(gòu)造措施擴(kuò)散集中應(yīng)力。

2.2 拆除或削弱原受力構(gòu)件

拆除或削弱原構(gòu)件，具體表現(xiàn)為樓板、梁或剪力墻開洞及拆除梁、墻等。

對于開洞來說，開洞尺寸不同，相應(yīng)的加固做法也不同。圖集給出了不同洞口尺寸下剪力墻開洞的包鋼加固做法。樓板開洞通常是在洞口邊緣下增設(shè)鋼梁以便傳遞荷載，鋼梁錨固在兩邊混凝土梁上，鋼梁上翼緣與板底之間灌注環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，也可以在洞口四周新增鋼筋混凝土梁。梁開洞則要避免破壞縱向受力主筋，通常開洞周圍梁包U形箍鋼板或粘貼U形箍碳纖維加固。

增設(shè)自動人行道或自動扶梯是裙房改造設(shè)計中極為常見的一種改造。它要求樓板大面積開洞，往往產(chǎn)生懸挑長度較長的懸臂梁，若原支座頂筋過少，無法用一般的粘貼碳纖維或粘鋼來加固，此時可以通過增設(shè)混凝土懸臂梁來分擔(dān)荷載，且該梁需要越過支座另一側(cè)，如圖2所示。

對內(nèi)部構(gòu)件的大范圍拆除，可能會導(dǎo)致計算周期比不滿足規(guī)范要求，常用的調(diào)整方法是建筑周邊梁、柱增大截面或增設(shè)剪力墻。

剪力墻鋼筋錨入加固層或與加固鋼構(gòu)件焊接連接。當(dāng)新舊結(jié)構(gòu)邊沿齊平時，可采用局部鑿除保護(hù)層后與原結(jié)構(gòu)鋼筋焊接連接，亦可采用新增混凝土套連接的方式，如圖3所示[2]。

2.3 局部加層或中廳補(bǔ)板

在裙房屋頂局部加層或者室內(nèi)中廳用樓板補(bǔ)平以增大使用面積，既需要驗算傳荷區(qū)域梁柱配筋，又需要復(fù)核基礎(chǔ)。如果基礎(chǔ)和底層不滿足受力情況，需要對基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，為避免挖開大部分基礎(chǔ)進(jìn)行加固的方案，可以考慮增加剪力墻和外部框架支撐等局部措施。為減少荷載，盡量采用鋼結(jié)構(gòu)增層，新增墻體采用輕質(zhì)材料。例如采用鋼框架結(jié)構(gòu)，樓板采用壓型鋼板或花紋鋼板組合樓蓋，箱型鋼柱通過地腳化學(xué)螺栓錨固于原框架柱頂端，鋼柱與原結(jié)構(gòu)柱頂連接按鉸接計算。還可以在新增結(jié)構(gòu)外框架上增加柱間支撐，使得增層后結(jié)構(gòu)的最大層間位移曲線、最大層間位移角、最大樓層位移曲線及最大位移在X、Y方向與原結(jié)構(gòu)基本一致，這樣一般只需復(fù)核原結(jié)構(gòu)屋頂層和下一層的的框架梁負(fù)彎矩承載力即可。

同理封洞也盡量采用鋼梁與組合樓蓋的方式，鋼梁與混凝土梁通過化學(xué)錨栓連接，如圖4所示。

3 設(shè)計技巧與注意事項

3.1 設(shè)計技巧

3.1.1 碳纖維粘貼面積計算技巧[3]

采用等強(qiáng)代換方法，將碳纖維布的面積轉(zhuǎn)化為等效鋼筋面積,即:

式（1）中：Ase、fy、Acf分別代表鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值、等效鋼筋面積、碳纖維布粘貼面積、碳纖維布抗拉強(qiáng)度設(shè)計值。則所需粘貼的碳纖維布的層數(shù)可由下式得出：

式（2）中：tcf、bc分別代表單層碳纖維布厚度、碳纖維布寬度、碳纖維布層數(shù)。

3.1.2 化繁為簡的設(shè)計思路

例如新增鋼梁與原混凝土構(gòu)件連接采用如圖4所示方式（鋼梁翼緣不與端頭板焊接），鋼梁兩端均按鉸接考慮，即鋼梁按簡支梁計算，一方面化學(xué)螺栓僅傳遞剪力至原混凝土構(gòu)件，螺栓布置數(shù)量計算簡便，另一方面這種傳力方式對原結(jié)構(gòu)傳力體系影響較少，可以認(rèn)為不參與整體結(jié)構(gòu)計算，在整體建模時僅需在對應(yīng)位置對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件增加豎向荷載，建模較方便。而如果按剛接計算，化學(xué)螺栓不僅要承受剪力，還有拉力、壓力等，這樣計算出的化學(xué)螺栓數(shù)量較多。另一方面新增的梁柱剛接節(jié)點對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生新增的附加剪力和彎矩，所以對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固量很大。而且鋼梁參與整體受力，增加建模工作量[4]。

3.1.3 加強(qiáng)與業(yè)主單位的溝通

改造方案有時候是可以通過調(diào)整布局，借助現(xiàn)有結(jié)構(gòu)等進(jìn)行避免，所以在設(shè)計前要跟業(yè)主做好溝通，最大程度地減少對原結(jié)構(gòu)地改動。如果能說服甲方采用合理的結(jié)構(gòu)布置形式，則會大大減少設(shè)計的復(fù)雜程度。同時應(yīng)向甲方告知擬采取的加固方案，詳述采用此方案可能帶來的后果，否則可能出現(xiàn)設(shè)計結(jié)束后甲方卻不同意方案而告廢。

3.2 注意事項

3.2.1 準(zhǔn)確定義抗震等級[5]

裙房與主樓相連，除應(yīng)按裙房本身確定抗震等級外，相關(guān)范圍不應(yīng)低于主樓的抗震等級；主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂板對應(yīng)的相鄰上下各一層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。當(dāng)主樓采用抗震墻結(jié)構(gòu)、裙房采用框架結(jié)構(gòu)時，在裙房及相鄰上一層高度范圍內(nèi)，主樓抗震墻及相關(guān)范圍內(nèi)框架的抗震等級，還不應(yīng)低于主樓按框架-抗震墻結(jié)構(gòu)確定的抗震等級。裙房與主樓分離時，應(yīng)按裙房本身確定抗震等級。

3.2.2 遵循抗震設(shè)計原則

加固設(shè)計應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點弱構(gòu)件”的抗震原則，所以梁增大截面應(yīng)注意不要形成“強(qiáng)梁弱柱”。框架結(jié)構(gòu)抗震加固應(yīng)避免彈性狀態(tài)下形成“剛度軟弱層”和彈塑性狀態(tài)下形成“強(qiáng)度薄弱層”，剛度軟弱層引起結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力變化幅度較大，強(qiáng)度薄弱層引起結(jié)構(gòu)樓層塑性變形集中，使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“隱含危險轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象。

3.2.3 審圖公司常提事項

①上部荷載增加，在驗算地下室柱子配筋時，尚需注意地下一層柱截面每側(cè)縱向鋼筋不應(yīng)小于地上一層柱對應(yīng)縱向鋼筋的1.1倍；

②需要改變結(jié)構(gòu)的用途和使用環(huán)境的建筑，需要進(jìn)行抗震鑒定，審圖時會要求提供抗震鑒定報告[6]；

③發(fā)生火災(zāi)后混凝土強(qiáng)度損失嚴(yán)重，需提供可靠的檢測報告證明混凝土強(qiáng)度等級大于C15，否則粘貼碳纖維等加固方法無法適用，另外尚需截取鋼筋等材料做試驗，評定損傷等級，定義強(qiáng)度和構(gòu)件截面折減系數(shù)[7]。

3.2.4 新老構(gòu)件連接處理

新樓構(gòu)件連接處理，包括界面施工處理和界面?zhèn)髁μ幚?，后者常能反?yīng)出一個加固設(shè)計人員的技術(shù)水準(zhǔn)。比方說新增剪力墻及原框架梁、柱配筋及構(gòu)造應(yīng)按帶邊框剪力墻處理，墻體周邊宜設(shè)置邊緣構(gòu)件。剪力墻與周邊結(jié)構(gòu)宜采用植筋的方式連接，為減少植筋鉆孔量，避免對原框架梁柱截面造成過大損傷，可采用等代連接筋。新增剪力墻中心線與原有框架梁中心線盡量重合，避免偏心。新增剪力墻應(yīng)設(shè)基礎(chǔ)，新舊基礎(chǔ)應(yīng)連成整體，并考慮新舊基礎(chǔ)差異沉降的不利影響，一般可近似將新剪力墻地基承載力乘以系數(shù)0.8～0.9予以降低。

3.2.5 充分考慮現(xiàn)場施工難度

比方說改建設(shè)計采用鋼結(jié)構(gòu)時，需要充分考慮工廠加工方式、運輸方式以及現(xiàn)場施工可行性等。鋼梁截面盡量采用常用尺寸。再比如植筋間距不能過密，滿足一定的構(gòu)造間距要求，直徑可以偏大，以減少植筋數(shù)量。

4 結(jié) 語

加固設(shè)計前，設(shè)計人員應(yīng)先理清思路，在深入了解改造內(nèi)容的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同加固方法的優(yōu)缺點和適用范圍，確定一種或幾種加固方法，使加固改造對原結(jié)構(gòu)的影響盡量減小?？辞鍌髁Ψ绞?，擬好計算步驟，然后再按計劃進(jìn)行計算與作圖，盲目進(jìn)行設(shè)計，不僅使計算復(fù)雜化，而且會導(dǎo)致設(shè)計工作量加大，計算準(zhǔn)確性也難以保證。

[1]GB50367-2013，混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社,2013.

[2]13G311-1，混凝土結(jié)構(gòu)加固構(gòu)造[S].

[3]江克勤.鋼筋混凝土梁粘貼纖維復(fù)合材料加固計算方法之比較[J].浙江建筑,2009（6）.

[4]徐波.某高層酒店加層改造的結(jié)構(gòu)方案及梁柱節(jié)點構(gòu)造[J].建筑結(jié)構(gòu),2006（3）.

[5]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[6]GB50023-2009，建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[7]豐宏.火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)受損檢測鑒定與加固[J].基建優(yōu)化,2004(5).