某中學教學樓的改擴建加固優化設計

郎婷 惲波

(浙江工業大學建筑規劃設計研究院有限公司，浙江杭州 310014)

1 工程概況

工程為一中學教學樓，位于浙江省杭州市，建于2003年，為現澆混凝土框架結構，無地下室，地上5層，底層層高4.2 m，以上各層3.8 m，建筑總高度約19.400 m，總建筑面積約 8 690 m2，基礎形式為人工挖孔樁基礎。按2002系列規范(非抗震)進行設計，建成后使用至今。根據現行2010版抗震規范，該地區設防烈度為6度，第一組。

圖1為原建筑平面圖，圖2為改擴建后的建筑平面圖。改擴建加固設計后續使用年限為50年。本工程主要的建筑改造內容如下:

1)整體建筑改造成單廊式教學樓。

2)原有建筑外立面改造。

3)西面兩處從1層～5層各新增1個樓梯，北面和南面新增辦公房間。

4)拆除走廊以南和走廊以西的教室。

5)東北面1層～5層新增廁所。

6)屋頂增設坡屋面。

圖1 原教學樓平面布置圖

圖2 改擴建教學樓平面布置圖

此改擴建工程不僅改變了平面形狀、功能布置還包括立面加層，同時又涉及抗震規范的交替，使得需處理的情況和未定因素較多。

2 加固改造設計思路

1)在確定改造加固方案前，必須對已有結構進行檢查和可靠性鑒定分析，全面了解已有結構的材料性能、結構構造和結構體系以及缺陷和損傷等結構信息，分析結構的受力現狀和持力水平。

2)結構改造加固方案的選擇應充分考慮建筑、設備各工種的具體要求以及已有結構實際現狀和加固后結構的受力特點，盡可能實現“強柱弱梁、強剪弱彎”的設計概念，保證加固后結構體系方便使用，傳力線路明確，結構可靠。

3)在確定加固方案時，盡量減少對原有結構或構件的拆除和損傷，對已有結構或構件，在經結構檢測和可靠性鑒定分析后，對其結構組成和承載能力等有了全面了解的基礎上，應盡量保留并利用其作用。拆除原有結構構件，對保留的原有結構部分可能帶來較嚴重的損傷，必須進行拆除工作時，需制訂拆除方案和配備專業的施工人員，必要時需對方案進行專家論證。

3 結構整體抗震性能分析

本工程同時涉及改建和擴建，如果考慮老規范是無法滿足要求和統一標準的，所以必須按照現行規范進行擴建和加固設計。根據抗震設防分類標準，高中教學樓屬于重點設防類，應按高于本地區抗震設防烈度1度的要求加強其抗震措施，也就是說在原非抗震構造的基礎上要提高兩級到三級抗震設防來進行構造措施。

提高抗震性能最直接的方法是減小自重，原填充墻墻體材料使用的是非輕質墻體，不利于抗震，同時由于平面隔墻位置變化以及立面效果的改變，處理方式是把原結構的所有內隔墻和外墻全部拆除，采用輕質砌塊，要求容重不大于7.0 kN/m3。

結構整體抗震性能最直觀的體現在建筑物布置的規則性上，原建筑為L形的平面不規則建筑;改建方案為“口”形平面，“口”形平面中包含了改建和新建兩部分，為了使結構平面強度和剛度勻稱而不出現特別薄弱的部分，采用設置抗震縫的方法來對平面進行劃分，把“口”形平面分成四個部分(見圖2)，使各個部分的平面和立面規則，利于抗震。抗震縫的設置也把原本繁雜的改造內容分區分塊，變得易于實現。

對分縫后的結構用SATWE有限元軟件進行抗震性能整體分析，對結構基礎、梁、柱、板等構件進行驗算，情況如下:

1)原結構梁布置不變處，板配筋基本能滿足要求，但是在改建部分和原結構的交界處，會有個別板支座負筋不夠。

2)原框架梁的縱筋配筋富余較大，新增隔墻處下的次梁擱置處，以及使用功能改變處，部分框架梁的箍筋不夠。

3)柱軸壓比基本能滿足要求，但分兩種情況，部分是抗彎縱筋和箍筋都不足，部分是縱筋滿足要求但箍筋不足。

4)柱位不變處，原人工挖孔樁承載力能滿足要求;柱位變化較大處，需增加樁數，但是在新舊結構交接處，如何利用原樁成為一個問題。

抗震加固的目的不僅僅是為了使各個構件的配筋能夠滿足要求，更重要的是提高構件的抗震性能，而抗震性能體現在強度、延性、整體性以及傳力途徑四個方面，所以在選擇加固方法的時候需要更多的比較與分析。

4 加層方案的選擇

屋頂增設坡屋面方案采用鋼筋混凝土結構或者鋼結構，比較如下:

1)鋼筋混凝土結構與下部結構剛度統一，造價低，堅固耐用等特點，但是自重增加較大，可能會引起基礎承載力不夠和下部的柱子軸壓比不足的問題。

2)鋼結構自重小，施工周期短，但是可能會有剛度突變等不利影響。

從對原結構影響較小的角度出發，本工程的加層采用鋼結構。鋼結構加層設計的重點是節點，鋼構件與混凝土連接處的尺寸必須進行測量，量體裁衣。為了減小對原建筑構件的影響，鋼柱布在框架柱上，柱腳采用鉸接，避免對原框架柱產生附加彎矩和剪力。

5 加固設計

5.1 三種常用加固方式的比較

1)外粘型鋼法(即濕式外包鋼法);2)粘貼鋼板法;3)粘貼碳纖維法。

從20世紀90年代國家就已發布有關加固的推薦性標準，在這期間不斷有新的加固技術面世，以混凝土的直接加固法而論，濕式外包鋼法與粘貼鋼板法以及粘貼碳纖維法這三種加固方法效果好，應用廣泛且技術相對成熟，在混凝土結構的加固工程中，往往不可避免的采用這三種方式中的一種或幾種。但是一個加固工程如何真正能做到合理、經濟、適用，還需要靈活的應用。

表1從各角度對比了濕式外包鋼法與粘貼鋼板法以及粘貼碳纖維法這三種加固方法各自的特點，為選用提供依據。

表1 三種常用加固方式對比

5.2 碳纖維加固對大偏壓柱的影響

從表1可以看出，碳纖維加固能夠增加延性的這個優點很突出，但是否也能對大偏壓柱的軸壓比和配筋產生影響，本人認為至少可以從以下幾點來闡述:

1)約束混凝土可使混凝土強度提高，因為碳纖維的高強度決定了最終圍壓的大小，高彈性模量決定了提供圍壓的剛度。

2)約束混凝土可使混凝土極限變形提高。

3)柱的抗剪承載力可以提高(尤其對于短柱和抗震非常有用)。這三點的提高，可使柱中的混凝土應力應變曲線關系發生變化，變高，變長，體現在截面設計中就是構件的極限曲率大了，軸壓比限值和相對受壓區高度限值都能夠相應放松;混凝土強度提高，柱配筋也相應減小。

5.3 柱、梁、板的加固

1)部分框架柱在地震作用下抗彎縱筋不足，且實際配筋面積與驗算所需配筋面積差距較大，因而采用外包鋼法，用角鋼的有效截面面積代替需要增加的縱筋面積。縱筋能夠滿足要求的情況下，尚有箍筋不夠的情況則采用碳纖維加固的方法。

2)主梁的加固。12 m跨度的框架梁，截面400×960，原次梁位置不變，增加分隔墻，不影響使用功能的前提下，新增次梁采用鉸接支座，植筋僅作為固定作用，避免了采用剛接節點時的種種弊端，見圖3。框梁原配筋滿足梁受彎承載力要求，但次梁擱置處需進行抗剪加固，U形箍兩端外貼100 mm寬壓條進行錨固，見圖4。

3)板采用碳纖維加固，出現在新舊結構交界附近的支座處，采用單層碳纖維布粘貼于板面，寬度為100 mm，軸線距離為500 mm。

圖3 新增次梁與框架梁的搭接

圖4 碳纖維加強箍

5.4 基礎的加固設計

在本次的加固改造中，人工挖孔樁是一個有利的條件，直徑較大，抵抗側向變形能力較強，具有較好的穩定性，承載力也有富余，但個別位置的樁位布置在改造設計中也有新的問題，見圖5。○12軸～○13軸間為走廊，○12軸和○13軸上有填充墻，如果僅僅在原基礎平面上增大基礎面積，承載力沒有問題，但是在拆除填充墻的卸載過程和以后的加載過程中如何保持結構的自穩定成為一個新的問題，兩柱一樁如天平般的平衡狀態勢必會被破壞。為解決這一問題，圖6的改造方案在原承臺兩側各增設人工挖孔樁，增大承臺范圍，形成聯合承臺。

圖5 原基礎平面

圖6 改造基礎平面

圖7 新老承臺的連接

圖8 抗剪槽的做法

5.5 新舊承臺的連接以及抗剪槽

結構加固的一個關鍵問題就是新舊結構之間的協同工作以及新舊結合面的連接問題。

與天然基礎的按地基承載力計算底面積不同，多樁承臺的底面積一般按構造要求，對承臺高度則需進行沖切和抗剪驗算。在條件允許的情況下，新舊承臺的連接可以在不進行鋼筋錨固的情況下實現，同時也避免了新樁與老承臺的連接問題。本工程原承臺標高－2.900，室外地坪的設計標高－0.900，在舊承臺頂面上重新增加新承臺不影響使用功能，如圖6，圖7所示。

混凝土規范中的抗剪驗算，是解決斜截面抗剪的問題，新舊混凝土面的連接不是斜截面抗剪的問題，而是直截面“抗滑移”的問題，規范沒有解決，但是在加固設計時必須考慮這個問題。新舊混凝土界面設置“抗剪鍵”，做法是新增界面的中部位置老界面鑿毛時向內鑿出200寬25深的抗剪槽，界面鑿毛后清除浮灰及松動殘渣，涂刷混凝土界面劑后澆筑新增混凝土，新增梁混凝土強度等級比原結構大一級，見圖8。

6 結語

此項改擴建工程的改造內容較多，以擴建為主，但擴建部分又摻雜在改建的部分里面，看起來似乎各個部分的設計細碎而無規律，但是在明確了改造思路和改造目標后，設計主要圍繞抗震優化設計、加固方式的合理選擇和原結構的利用三個方向來進行，整個設計過程簡化而有序。

［1］史鐵花.《建筑抗震加固技術規程》疑問解答［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［2］劉 春，李克讓，孫長水.建筑加固改造工程案例分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［3］GB 50367-2006，混凝土結構加固設計規范［S］.