地下空間結構改造與加固

■ 李博寧 Li Boning 金云飛 Jin Yunfei

0 概述

近年來，隨著國家經濟實力的不斷提高，大量新建建筑特別是住宅和大型商業開發、酒店等在我國各城市不斷涌現。對于大型公建，往往是由一級開發商投資，在興建初期，并不能完全確定其使用功能，而要等到主體結構完工后才開始逐步招商引資，確定租賃或出售。隨著二級開發商的引入，他們會對原有建筑方案的使用功能進行一定的調整，這就產生了結構改造及加固的問題。

本文將以北京中關村西區地下空間開發工程為例，介紹目前常用的一些由于功能改變、荷載增加而引起的結構改造加固類型，以供設計人員參考。

1 工程背景

本工程為中關村西區地下空間開發工程，位于北京市海淀區中關村，地下建筑總面積超過30萬m2。主體結構均采用鋼筋混凝土框架結構，地下層數1～3層不等，頂板上覆土厚度1～5m不等，主要柱網尺寸8.4m×8.4m，局部大跨12.0～25.2m。

框架柱截面尺寸為800mm×800mm，為節省建筑凈空，非頂層框架梁截面尺寸為800mm×500mm寬扁梁（8.4m×8.4m柱網），局部較大跨度處梁高550mm，頂板覆土部位框架梁高度有3種，分別為800mm、1 000mm和1 300mm，均采用有黏結預應力體系。樓電梯間采用250～400mm的鋼筋混凝土墻體，基礎采用梁板式筏基。

本工程于2001年7月開始施工圖設計，但由于地下空間開發部分的二級開發商未定，許多涉及功能的條件不能及時確定，主體結構于2003年初完工。自2003年起，地下空間開發的使用功能陸續確定。根據最終功能的確定，建筑及設備專業開始深化原設計圖紙，結構專業配合建筑及設備專業進行必要的改造及加固。

2 改造與加固原則

本工程涉及到的結構改造及加固包括以下內容：①由于樓板荷載增加，需要對原結構進行核算，并對梁、板分別采用黏鋼加固和黏碳纖維布加固；②局部增設天井及自動扶梯開洞；③原有樓板洞口封堵；④新增樓板及墻體洞口。

在對本工程結構進行改造加固過程中，應遵守以下原則：

⑴結構改造與加固需滿足建筑、設備各專業對使用功能的要求。

圖1 地下開發E區地下一層加固區域示意圖

⑵在滿足使用要求的前提下，應盡量保持原有結構的整體性，避免對原結構產生不必要的破壞。

⑶改造后的結構使用年限維持原有結構使用年限不變。

3 結構加固

3.1 樓板荷載核算

對地下一層樓面進行荷載計算調整：①原設計輸入的恒載包括樓板自重，100mm厚面層做法，吊頂荷載及建筑隔墻荷載，改為超市后恒載基本不變；②原設計輸入的活載按普通商業為3.5kN/m2，改造后，活載分別為：7.5kN/m2、10.0kN/m2、15.0kN/m2。

經過對結構計算模型的調整和驗算，我們得出以下結論：

⑴結構整體計算滿足規范要求。

⑵原有基礎滿足改造后的受力要求，可不進行基礎加固。

⑶原有框架柱截面及配筋滿足改造后的受力要求，可不進行加固。

⑷原地下一層頂板因荷載增加不大，原板厚及配筋滿足改造后受力要求，可不進行加固。

⑸原地下二層及地下一層頂板荷載增加較大，部分梁、板不能滿足改造后的受力要求，需對梁、板進行加固。

3.2 黏鋼加固

黏鋼加固采用特制的結構膠黏劑，將鋼板黏貼在鋼筋混凝土結構的表面，以達到加固和增強原結構強度和剛度的目的，常適用于對鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構件的加固。本工程中采用黏鋼加固的部分區域如圖1所示。

3.2.1 黏鋼加固的技術規定

⑴黏鋼不適用于素混凝土構件，包括受力鋼筋配筋率低于規范規定最小配筋率的構件加固。

⑵被加固的混凝土構件其混凝土強度不得低于C15。

⑶黏鋼表面應作防腐、防火處理，滿足規范規定的耐火等級。

⑷黏鋼前，應采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的活荷載。

3.2.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對黏鋼加固部位及相鄰區域進行卸荷。

⑵混凝土表面處理：將混凝土表面打磨平整，清除粉塵，再用丙酮擦試表面。

⑶對鋼板表面進行處理、打磨，使鋼板出現金屬光澤；打磨紋路盡量與受力方向垂直，然后用丙酮擦試干凈。

⑷鋼板下料，焊接。

⑸用化學錨栓將鋼板固定于結構面，封堵鋼板與結構面縫隙。

⑹配置結構膠，進行并壓力注膠，要保證黏貼面的飽滿、密實。

⑺固化養護，進行防銹、防火處理。

3.2.3 黏鋼面積計算

根據《混凝土結構加固設計規范》（GB50367—2006）（以下簡稱《規范》）第10.2條公式：

計算黏鋼面積Asp，最終選用200mm×4mm鋼板（圖2）。

圖2 梁下部黏鋼板加固圖

3.3 黏貼碳纖維布

黏貼碳纖維復合材料是用特制的結構膠黏劑，將碳纖維布或成型碳纖維板黏貼在鋼筋混凝土結構的表面，形成復合材料體，通過其與混凝土結構或構件的協同工作，以達到對原結構及構件加固補強的目的，常適用于對鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、大偏心受壓和受拉構件的加固。碳纖維加固除具有黏鋼加固的優點外，還包括高強高效、施工便捷，耐腐蝕性強等優點。

3.3.1 黏貼碳纖維復合材料的技術規定

⑴本方法不適用于素混凝土構件，包括受力鋼筋配筋率低于規范規定最小配筋率的構件加固。

⑵被加固的混凝土構件其混凝土強度不得低于C15。

⑶外貼纖維復合材料加固鋼筋混凝土構件時，應將纖維受力方式設計成僅承受拉應力作用。

⑷黏貼碳纖維表面應作防腐、防火處理，滿足規范規定的耐火等級。

⑸黏貼碳纖維前，應采取措施卸除或大部分卸除作用在結構上的活荷載。

3.3.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對黏貼碳纖維加固部位及相鄰區域進行卸荷。

⑵對混凝土表面進行處理，打磨平整，清除粉塵。混凝土表層出現剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現象的部位應予以鑿除，對于較大面積的劣質層在鑿除后應用環氧砂漿進行修復；轉角黏貼處要進行倒角處理并打磨成圓弧狀( R ≥20mm)；用吹風機將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

⑶涂底膠：用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后(固化時間視現場氣溫而定，以指觸干燥為準)再進行下一工序施工。一般固化時間為2～3d。

⑷調配、攪拌黏貼材料膠(使用方法與底膠相同)，然后均勻涂抹于待黏貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。

⑸黏貼碳纖維布，在確定所黏貼部位無誤后剝去離型紙，用特制滾子反復沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使黏貼膠充分浸透碳纖維布。多層黏貼應重復上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進行下一層的黏貼。

⑹在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹黏貼膠。

⑺碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得＜100mm，碳纖維端部用橫向碳纖維固定。

⑻加固后的碳纖維布表面應采取抹灰或噴防火涂料進行保護。

3.3.3 梁板黏貼碳纖維布的選擇

本工程軸網跨度8.4m×8.4m，梁截面700mm×500mm，原配筋上下各8Φ25，板厚200mm，原配筋上部Φ 14@100，下部Φ14@200，混凝土標號為C40。

活載增加到7.5kN/m2后，計算出梁正、負彎矩分別為533 kNm、597 kNm，梁端剪力406 kN，每米寬板正、負彎矩分別為38.5kNm、72.8kNm。

梁、板上下均黏貼碳纖維布，選用碳纖維布厚度為0.167mm，重量300g/m2，設計抗拉強度≥3 000MPa。

根據《規范》第9.2條公式：

因板跨度較大，適當調幅后，最終選用單層150mm寬，間距600mm的碳纖維布，并在樓板根部設置200mm寬通長單層碳纖維布壓條（圖3、4）。

4 結構改造

4.1 樓板開洞與梁拆除改造

4.1.1 樓板開小洞

樓板開小洞（b、h≤200mm），可直接在樓板上人工剔鑿，注意不得傷害板內原有預應力鋼筋及普通鋼筋（圖5）。

4.1.2 樓板開大洞（200mm≤b、h≤800mm）

施工前先采取專業措施對洞口相關區域內的預應力筋進行卸荷并做好相關區域的支護，在洞邊進行黏貼碳纖維布加固，水鉆切割樓板，切斷洞口內鋼筋（圖6）。

4.1.3 樓板開大洞（b、h≥800mm）

施工前先采取專業措施對洞口相關區域內的預應力筋進行卸荷并做好相關區域的支護，在洞邊梁寬范圍內人工剔鑿留通槽，增設梁；梁鋼筋植入周邊框架梁，板鋼筋錨入新增梁；澆注新增梁混凝土，重新張拉板內預應力筋；水鉆切割樓板，切斷洞口內鋼筋（圖7）。

圖3 賣場板頂黏貼碳纖維布平面圖

圖4 賣場板底黏貼碳纖維布平面圖

圖5 樓板開小洞示意圖

4.2 樓板封堵加固

4.2.1 小洞口封堵（b、h≤200mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），直接澆注標號不小于周邊結構的混凝土（圖8）。

4.2.2 小洞口封堵（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計算確定須封堵樓板的鋼筋，在洞口放入鋼筋，澆注混凝土，標號不小于周邊結構（圖9）。

4.2.3 大洞口封堵（800mm≤b、h≤4000mm，洞邊有梁）

圖6 樓板開大洞示意圖（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計算確定須封堵樓板的鋼筋，用植筋的方法在周邊梁內植入鋼筋，澆注混凝土，標號不小于周邊結構（圖10）。因板塊較小，一般不用對周邊梁進行加固，若驗算梁不滿足要求，需要對梁進行加固。

圖7 樓板開大洞示意圖（b、h≥800mm）

圖8 小洞口封堵（b、h≤200mm）

圖9 小洞口封堵(200mm≤b、h≤800mm)

4.2.4 大洞口封堵（b、h≥4000mm）

因板塊較大，若采用植筋，可能撓度較大，裂縫難以控制，故需增加次梁，以減小板的跨度及荷載；同時應對邊梁進行驗算，若不滿足要求，需要對梁進行加固。

圖10 大洞口封堵（800mm≤b、h≤400mm）

具體做法是：在原洞邊梁上用化學錨栓設置埋板，增加型鋼梁，上鋪壓型鋼板，并澆注混凝土板。此方法可盡量減小樓板自重，施工周期短，適用于封堵洞口跨度較大的情況。

5 結語

此次改造加固工程于2005年基本竣工，現已投入使用。就實際效果來看，改造加固完全滿足了建筑使用功能的需要，目前使用狀況良好。

改造加固的方法除本篇所述內容外，還包括很多種，如增大截面加固法、置換混凝土加固法、外黏型鋼加固法、繞絲加固法或高強度鋼絲繩網片-聚合物砂漿外加層加固法、裂縫修補技術、阻繡技術等，就目前來看，這些混凝土結構加固技術還有待于在實踐中進一步探索、完善。