某老舊建筑改造工程的結(jié)構(gòu)設計方案

郭振東

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概況

本工程為太原市某臨街老舊建筑改造工程，20世紀80年代建成并投入使用。該建筑為砌體結(jié)構(gòu)，地上3層；局部存在內(nèi)框架：現(xiàn)澆梁支撐于周邊墻體形成大空間體系。現(xiàn)今，業(yè)主與設計單位溝通后提出可行的建筑功能改造要求；同時要求設計單位根據(jù)該建筑的《鑒定報告》(第三方檢測機構(gòu)提供)對該建筑已存在的安全隱患進行相應解決。

2 工程中存在問題

該建筑現(xiàn)狀平面如圖1所示(現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)平面圖)：根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》(以下簡稱《抗規(guī)》)7.1.2第二款注，可知該建筑屬于橫墻很少的結(jié)構(gòu)(未超過《抗規(guī)》7.1.2條8度0.2g丙類建筑高度12 m及層數(shù)4層要求)；現(xiàn)狀樓面及屋面處設置圈梁，但全樓未設置構(gòu)造柱：不滿足現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》(以下簡稱《抗規(guī)》)7.3.1(強條)；7.3.2;7.3.8(強條)。

通過建模計算分析可知：梁端支撐處砌體局部受壓承載力不滿足現(xiàn)行規(guī)范《砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》(以下簡稱《砌規(guī)》)5.2.4要求；墻體抗震驗算不滿足《抗規(guī)》7.2要求。

該建筑建成初使用功能為辦公(某國有企業(yè)行政辦公)；多年后，企業(yè)從該建筑搬離，辦公樓用于商業(yè)出租(1層為臨街商鋪，2層、3層用于培訓機構(gòu)培訓、辦公使用)。商業(yè)出租期間，2層、3層租戶因業(yè)務使用要求，未與房東(也即本工程業(yè)主)協(xié)商，私自后砌磚墻對2層、3層進行分隔(圖1：2層/3層平面圖中陰影部分為租戶后砌墻，后砌墻體材料為機制燒結(jié)磚)，形成下部大開間，上部為小開間的結(jié)構(gòu)體系。現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)墻體沿豎向不連續(xù)，不利于抵抗地震力(詳見《抗規(guī)》7.1.7條第二款)。

業(yè)主要求建筑改造后：2層、3層可滿足大空間餐廳及商鋪使用功能要求。根據(jù)現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》5.1可知：2層、3層建筑功能由辦公改造為餐廳后，樓面活荷載增大(2.0 kN/m2調(diào)整為3.5 kN/m2);原結(jié)構(gòu)梁、板不滿足改造后功能使用要求。

3 改造方案

墻體采用鋼筋混凝土板墻加固，通過在鋼筋混凝土板墻縱橫墻交接部位設置配筋加強帶來代替構(gòu)造柱，解決既有建筑中構(gòu)造柱布置不滿足《抗規(guī)》的問題。

在現(xiàn)澆梁下支撐部位新增壁柱，并與原有墻體采取有效連接措施。可以解決砌體局部受壓承載力不滿足的問題。

針對墻體抗震驗算不滿足及墻體沿豎向不連續(xù)的問題，同時考慮業(yè)主提出改造后的功能要求。綜合考慮提出改造方案：首先將2層、3層租戶后砌墻體拆除，并對原結(jié)構(gòu)梁、墻體進行加固(拆除墻體可以滿足業(yè)主的大空間需求；同時也可以減輕上部荷載，對結(jié)構(gòu)體系較為有利。同時要考慮不利情況：改造完成投入使用后，2層，3層租戶仍有可能因使用需求而砌墻，先前的結(jié)構(gòu)隱患可能再次出現(xiàn)。所以，設計時梁上荷載按照重量較輕的砌塊考慮，并對相應結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行加固。同時將此意見及隔墻砌筑要求告知業(yè)主，方便其日后管理，減少可能的安全隱患。業(yè)主對設計方提出的意見表示認同)。1層～3層增設框架梁、柱，墻體采用鋼筋混凝土板墻加固(混凝土板墻單側(cè)加固時厚度140 mm,雙側(cè)加固時單面厚度70 mm)。使得整個結(jié)構(gòu)體系合理，各項計算結(jié)果滿足《抗規(guī)》要求。

按照改造后樓面活荷載建模計算，確定對結(jié)構(gòu)梁、樓板進行加固。

4 設計參數(shù)的確定

1)加固設計使用年限。

原有建筑建成于20世紀80年代，經(jīng)與甲方協(xié)商討論，按照現(xiàn)行《建筑抗震鑒定標準》1.0.3；1.0.4要求，該建筑按照后續(xù)使用年限30年考慮。

2)抗震設計參數(shù)。

該建筑為商業(yè)建筑，建筑面積1 200 m2，根據(jù)《建筑工程抗震設防分類標準》(以下簡稱《設防標準》)6.0.5條及條文說明，抗震設防類別應劃分為標準設防類。根據(jù)《抗規(guī)》附錄A.0.4規(guī)定：太原市抗震設防烈度為8度(加速度0.2g，第二組)，按8度采取抗震措施。建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級。

3)考慮到既有結(jié)構(gòu)為砌體結(jié)構(gòu)(存在既有內(nèi)框架梁)，改造中要新增框架柱，按照《建筑抗震加固技術(shù)規(guī)程》(以下簡稱《抗震加固技術(shù)規(guī)程》)5.1.3條及條文說明：墻體加固時按照改變結(jié)構(gòu)體系考慮。

4)墻體加固采取增設鋼筋混凝土板墻加固(混凝土板墻單側(cè)加固時厚度140 mm,雙側(cè)加固時單面厚度70 mm；根據(jù)《抗震加固技術(shù)規(guī)程》5.1.3條文說明：雙面設置板墻且合計厚度不小于140 mm時，可視為增設鋼筋混凝土墻。5.1.3條正文：新增的混凝土墻應計入豎向壓應力滯后的影響并宜承擔結(jié)構(gòu)的全部地震作用。5.3.8條：雙面板墻加固且總厚度不小于140 mm時，其增強系數(shù)可按增設混凝土抗震墻加固法取值。增設抗震墻加固設計詳見本5.3.10～5.3.12)。

5)設計荷載：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》5.1.1規(guī)定(如表1所示)。

表1 設計荷載

5 設計內(nèi)容

5.1 墻體設計

板墻混凝土強度等級為C25，厚度為70 mm，局部140 mm(山墻部位相鄰建筑，為方便施工采用單面加固，厚度：140 mm;1層軸外側(cè)墻垛裂縫明顯，雙面板墻加固單面厚度100 mm；樓梯間結(jié)構(gòu)安全要求更嚴格，墻體雙面加固時單側(cè)厚度為80mm。豎向鋼筋12，間距200；水平鋼筋8，間距200)。計算程序采用PKPM2010(V4.2)結(jié)構(gòu)設計計算軟件系列中的鑒定加固模塊進行結(jié)構(gòu)計算。1層墻體增加鋼筋混凝土板墻抗震驗算計算結(jié)果詳見圖2，新增鋼筋混凝土板墻新增混凝土條形基礎(埋置深度按室外地下-1.0 m考慮，深于太原凍土深度0.8 m。若原基礎埋深較淺，則生根于原結(jié)構(gòu)基礎深度；實際施工基坑開挖后，發(fā)現(xiàn)原結(jié)構(gòu)基礎較-1.0 m更深)。

5.2 增設壁柱設計

增設壁柱混凝土強度等級為C25，設計以《砌體結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》進行設計(計算方法：增設壁柱主要以提高局部承載力為目的，計算公式詳見11.1.4，改造要求見11.1.2)。模型建模時輸入新增柱，設計中此部分新增柱與原有墻體貼近時采取可靠的連接措施，砌體受壓計算時及局部受壓計算時此部分柱按壁柱考慮。

5.3 結(jié)構(gòu)整體計算分析

新增框架柱與可視作改變結(jié)構(gòu)體系的墻體組成新的結(jié)構(gòu)體系(采取符合《抗震加固技術(shù)規(guī)程》5.1.3的措施對墻體采用增設鋼筋混凝土板墻加固，可視作改變結(jié)構(gòu)體系)。框架(梁、柱)設計時，按照框架—剪力墻模型進行建模計算，將墻體厚度設置為140 mm(部分混凝土墻體厚度為200 mm。即對框剪模型計算時，墻體中砌體部分不考慮，僅考慮混凝土部分)。按照《抗規(guī)》6.1.2條確定：框架等級三級，抗震墻等級二級。

通過計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：部分原結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)梁不滿足承載力要求(?軸梁截面尺寸200×350，③軸～⑨軸梁截面尺寸250×600；因原始施工資料欠缺，施工中拆除2層、3層后砌墻時發(fā)現(xiàn)2層、3層?軸缺少結(jié)構(gòu)梁)，須對?軸現(xiàn)澆梁進行擴截面加固(梁擴截面后為：300×650，縱橫向主次梁關(guān)系發(fā)生變化；2層、3層?軸新增框架梁；調(diào)整模型重新計算)。結(jié)構(gòu)體系整體計算結(jié)果見表2。

表2 結(jié)構(gòu)體系整體計算結(jié)果

以上計算均滿足規(guī)范規(guī)求。

5.4 結(jié)構(gòu)梁、板加固設計

按照建筑使用功能改變(對應的結(jié)構(gòu)活荷載增大)，對模型調(diào)整計算。復核計算結(jié)果，對不滿足承載力要求的樓板：板底及板頂采用粘貼碳纖維復合材加固(設計中主要參考規(guī)范條款見《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》：10.1，10.2，10.9。設計結(jié)果：板底通長粘貼碳纖維布1T-100@250；板頂粘貼碳纖維布1T-100@250，伸出支座邊1/3支座跨度。1T-100@250表示粘貼1層碳纖維布-寬度100-間距250 mm,本工程碳纖維布采用0.167 mm厚,抗拉強度設計值不小于2 300 MPa，高強度Ⅰ級碳布(300 g))。

屋頂樓板除存在承載力較差的問題，施工現(xiàn)場還發(fā)現(xiàn)屋頂板存在滲水現(xiàn)象。屋頂板加固時采用增設混凝土疊合層加固(先鏟除原有建筑防水保溫層，然后增設混凝土疊合層，最后重新做防水保溫層。既可以提高屋頂板結(jié)構(gòu)承載力，同時解決原有房屋存在的滲水保溫的問題。增設混凝土疊合層，按照擴截面加固法設計，主要參考的規(guī)范條款見《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》：5.1；5.2；5.5。設計結(jié)果：50 mm厚C30混凝土；鋼筋單層雙向直徑8間距250;鋼筋強度HRB400)。

對不滿足承載力要求的梁進行加固(②軸～⑨軸橫向梁的梁底、梁頂進行粘鋼板加固。設計時參考規(guī)范章條款見《混凝土結(jié)構(gòu)加固設計規(guī)范》9.2；9.3；9.6)。

5.5 施工注意事項

考慮本工程加固工程量較大而且復雜，施工中要拆除較多墻體存在安全隱患。為確保施工安全，特別對此做出說明：

1)墻體拆除在加固施工前進行，應對傳遞荷載的樓板進行卸荷支撐；先三層后二層進行拆除。加固施工時，應先加固豎向構(gòu)件(墻體)，再加固水平構(gòu)件(梁、板)。

2)施工時剔鑿注意事項：剔鑿前應根據(jù)受力情況確定是否應加支撐系統(tǒng)；剔鑿時應重錘輕敲；剔鑿過程中盡量避免損傷需保留的原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

3)本工程所涉及到的改造區(qū)域，原結(jié)構(gòu)構(gòu)件應進行普查。發(fā)現(xiàn)鋼筋銹蝕須進行處理；若銹蝕嚴重、影響結(jié)構(gòu)安全，須與業(yè)主、設計、監(jiān)理共同協(xié)商，進行加固處理。

4)由于該建筑是既有結(jié)構(gòu)，構(gòu)件實際尺寸與設計不盡相符，因此在施工前應對原結(jié)構(gòu)的主要尺寸進行復核，然后下料施工。當構(gòu)件實際尺寸與圖中所示尺寸不符時，應以實際尺寸為準，當相差較大時應與設計人員協(xié)商。

5)施工中如發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)存在破損等隱患時，應及時與業(yè)主、設計方、監(jiān)理溝通聯(lián)系。

6 結(jié)語

隨著城市發(fā)展，老舊建筑改造項目日益增多。除了老建筑遺留的安全隱患要解決，還應注意建筑功能變化對原有結(jié)構(gòu)的影響。設計中，設計人員對問題要歸納整理，不能缺項漏項；改造方案除應滿足國家規(guī)范要求，還要合理可行；施工中發(fā)現(xiàn)問題，應及時調(diào)整；設計結(jié)果應確保結(jié)構(gòu)整體性能和構(gòu)件安全均能得到滿足。