某商業建筑的改造和加固設計

張小連

（上海天華建筑設計有限公司， 上海 200235）

1 項目簡介

本項目原為商業用樓，位于上海市中心商業氣息濃厚、人流量大的某商圈，總建筑面積約為13000㎡。既有主體結構為鋼筋混凝土框架結構，建造于1993年，地下一層，地上六層，地上標準層層高3.90m，總高度23.670m；平面尺寸為31.5m×46.0m，典型柱網尺寸為6.0m×6.0m，典型柱截面500mm×500mm，典型框架梁截面 250 mm *600 mm；次梁基本采用十字梁布置方案，主要截面為 250mm×400mm。采用樁筏基礎，200mm×200mm混凝土預制方樁，底板厚度450mm，基礎梁截面為600mm×1250mm。

1995年進行過增層擴建施工（如圖1.1），擴建后地下一層，地上七層，七層層高7.3m，局部含3.6m高的七夾層，現有建筑總高度31.0m，增加的七層混凝土框架柱與原框架柱進行剛性連接，屋頂為螺栓球鋼網架，網架與混凝土柱柱頭采用預埋件的平板支座方式進行連接。增層擴建后，房屋被出租給商戶使用，在租用過程中，房屋租戶根據其使用需求陸續在其租用空間內進行過局部的結構改造。

圖1.1 1995年增層擴建示意

項目本次改建后，主要用途為商業+辦公，地下室功能基本不變，一～四層作為商業，五～七層作為商務辦公區。原有框架柱網及大部分框架梁均保留；主要改建內容如下：增設樓梯及電梯洞口；個別樓層中庭開洞范圍增大；原有洞口（如舊電梯、租戶私自改造開洞等）封堵；平面西南角建筑輪廓調整；七層平面局部立面收進。典型平面簡圖如圖1.2（三層平面）。

圖1.2 三層平面布置圖

2 既有設計資料及結構現狀

2.1 現存的原有設計資料

現存的原有設計資料如下：1993年結構施工圖；1995年加層改建后的結構施工圖；缺少結構計算書、地質勘察報告、樁基承載力說明、小部分改建圖紙資料等。

2.2 結構現狀

檢測單位與設計單位對房屋當前狀況進行了現場勘查與檢測，檢測結果表明：

（1） 房屋當前平面布置及層高與原設計圖紙基本一致；

（2） 租戶在使用過程中進行過部分樓板開洞、增設樓梯等改造情況；

（3） 梁板柱配筋與原設計圖紙基本一致；

2.3 抗震鑒定報告

應業主要求，上海市建筑科學研究院房屋質量檢測站按照丙類建筑、7度抗震設防、B類建筑、三級框架的要求，對建筑物進行了相關鑒定，主要結論及建議如下：

（1） 樁基承載力：裝修改造后房屋使用功能未發生改變，使用荷載基本保持不變，沉降基本穩定且無明顯不均勻沉降發生，可認為房屋樁基承載力滿足要求。

（2） 屋面鋼網架上下弦桿及腹桿強度、穩定及長細比等基本滿足規范要求。

（3） 主體結構抗震構造措施基本滿足《建筑抗震鑒定標準》（GB50023-2009）中B類建筑抗震性能標準的要求。

（4） 1～6層混凝土強度等級滿足原有設計C30的要求，擴建時加層部分實測混凝土強度等級C25，小于原設計強度標準值C30；

（5） 本次改造方案可行，建議改造時對結構原有的抗震薄弱環節及抗震承載力不足的構件進行改善和加固處理。

（6） 本次結構改造后的設計使用年限為40年。

3 原結構抗震性能計算

為進一步明確既有結構的實際抗震能力，采用北京盈建科軟件股份有限公司編制的 YJK系列分析軟件，按照《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）、《高層建筑混凝土結構技術規程》（JCJ3-2010）對房屋改造方案進行抗震分析，得到如下結果：

3.1 周期與位移計算結果

結構自振周期（選取前3個振型）：

T1 T2 T3 Tt/T1 1.4939(0.45) 1.4065(0.00) 1.3556(0.51) 0.91

最大層間位移角及扭轉位移比：

X向位移角 Y向位移角 X向位移比 X向位移比1/370 1/329 1.11 1.4

由上述表格可看出，第一周期扭轉因子較大，結構抗扭較弱；X向及Y向位移角與現行規范限值差值較大，房屋整體抗側剛度較小。

3.2 內力計算結果

計算發現，改造后大部分框架梁及樓板配筋基本滿足要求，部分框架柱軸壓比偏大且配筋不足，局部框架梁變為懸挑梁后配筋不足。

4 結構改造加固設計

4.1 整體加固方案思路

根據原結構的抗震分析結果，為提高結構的整體抗扭剛度及抗側剛度，結合建筑室內設計效果，對梁板柱構件分別采取如下加固方案：

（1） 框架柱：建筑外圍框架柱及軸壓比不滿足規范要求的框架柱采用加大截面法進行加固；其余框架柱存在少許配筋不足時采用碳纖維加固的方法；

（2） 框架梁：外圍框架梁采用加大截面法進行加固；其余框架柱梁當許配筋不足時采用植筋或碳纖維加固的方法；

（3） 樓板：采用碳纖維加固方法；

4.2 西南角圓柱加固方法

此次改建，商業西南角A～B軸交1～2軸區域，地上各層平面調整較大：原有旋轉樓梯封堵且建筑輪廓調整較大，相關區域梁板宜拆除重建，如圖4.2.1中所示。由圖可知，重建區域主要豎向構件為一根地上直徑φ800mm的圓柱（地下一層直徑φ1000mm），考慮現場施工難度，如圓柱雙向布置框架梁，新建框架梁支座縱筋較多，若采用鉆孔植筋的方式錨入圓柱，則圓柱因為鉆孔導致其原有混凝土剝落、損傷比較厲害，且另一方面無法確保懸挑梁根部內力的有效傳遞。

圖4.2.1 平面西南角梁板重建區域

經研究討論，梁柱節點位置采用環梁的方式，基本避免圓柱因植筋產生的損傷，又能確保梁內力的有效傳遞，相關節點詳圖4.1.2。

此外，考慮到圓柱僅單方向框架梁拉結，為加強垂直方向對圓柱的相關約束，相關區域新建樓板加厚至 150mm；同時，板配筋加強，確保垂直方向水平地震力的有效傳遞。

圖4.2.2 環梁與圓柱節點示意

4.3 框架梁變懸挑梁加固方法

根據本次裝修改造方案，七層建筑立面收進半跨變為露臺，原有6m框架梁現變為3.2～4.0m的懸挑梁，原有梁頂鋼筋遠遠不滿足承載力設計要求；又因現場施工無法滿足保證懸挑梁頂植筋深度的要求，且植筋無法確保支座處內力的有效傳遞，故對其采用扁鋼加固的方式，如圖4.3.1。

圖4.3.1 平面西南角梁板重建區域

4.4 改造加固后的抗震驗算結果

根據柱梁板構件各自的加固方式，調整結構計算模型，修改采用截面加大法的梁柱截面尺寸，重新進行結構驗算，加固后的結構構件均滿足承載力的相關要求。主要整體計算指標如下：

結構自振周期（選取前3個振型）：

T1 T2 T3 Tt/T1 1.2140(0.00) 1.1956(0.00) 1.0805(0.99) 0.89

最大層間位移角及扭轉位移比：

X向位移角 Y向位移角 X向位移比 X向位移比1/609 1/563 1.09 1.25

上述結果表明，經加固改造后的結構整體驗算指標（位移角、位移比等）滿足現行規范的要求。

5 樓板應力分析

三層中庭部位根據方案效果改建后，樓板開洞增大（詳圖1.2），x向有效樓板寬度小于該層典型樓板寬度的50%；95年改建后的七夾層，僅局部存在樓板，樓板開洞面積大于本層面積的 30%；上述兩層均屬于平面不規則情況。設計中將三層和七夾層定義為彈性膜，進行樓板應力分析。

分析結果表明，在設防地震作用下，三層x向和y向的最大樓板拉應力分別為0.9N/mm2和1.0 N/mm2，小于C30混凝土樓板的抗拉強度標準值ftk=2.01N/mm2，仍能滿足彈性設計的要求；七夾層除凹角區域出現應力集中外，大部分區域 x向和y向的樓板拉應力分別小于1.6N/mm2和0.6N/mm2，小于C25混凝土樓板的抗拉強度標準值ft=1.78N/mm2，基本滿足中震彈性設計的要求。

由上，三層及七夾層大部分樓板應力處于可控制范圍，設計對洞口周邊薄弱部位樓板采取粘貼碳纖維方法進行加固加強，同時采取考慮七夾層和取消七夾層兩種電算模型，進行構件承載力包絡設計。

6 結論

對原有結構抗側剛度及抗扭剛度較弱的問題，結合構件實際承載力的要求，同時兼顧建筑室內效果，可采用增大截面法加大外圈框架梁柱的措施。

對特殊部位構件加固的處理，可結合規范、圖集及現場實際情況，采用合理可靠的加固方式。