基于后期加固改造的工業研發樓宇結構設計

徐弘亮 長沙億達創智置業發展有限公司工程師

2000年以后，全國各地出現了大量的工業地產項目，這些地產項目多用于工業制造廠房、物流倉庫和工業研發樓宇等。對于工業制造廠房和物流倉庫，后期入駐的企業比較明確，所以這類地產項目在設計階段就能根據企業的需求進行個性化設計；對于工業研發樓宇，后期入駐的企業存在較大的隨機性，在對這類地產項目進行設計時無法做到個性化設計。企業在入駐后可以根據荷載等級需求進行適當改造。

本文以億達梅溪湖健康科技產業園中3#樓的改造為例，研究如何對工業研發樓宇建筑進行加固，同時對工業樓宇建筑的樓面荷載與柱梁配筋取值進行了一些探討，力爭在產品的設計階段盡量滿足大多數企業的需求。

1 工程背景

億達梅溪湖健康科技產業園位于湖南省長沙市梅溪湖國際新城二期泉水路與金菊路交匯處，總建筑面積約300000 m2，容積率為1.5，多層辦公樓占主要部分，有少量的高層辦公樓。湖南省的一家本地企業購買了3#樓，該樓地上5層，地下1層，建筑高度21.45 m，總建筑面積6141 m2，單層建筑面積約1200 m2，可容納673人辦公，地下室層高3.9 m，首層層高4.5 m，標準層層高4.2 m。

3#樓結構形式為混凝土框架、預制管樁基礎，抗震基本烈度6度，設計基準期50年，主體結構設計使用年限為50年，標準柱距為8.1 m×8.1 m。首層現澆樓板厚度為160 mm，樓面恒載1.5 kN/m2，樓面活荷載為6 kN/m2。標準層現澆樓板厚度為120 mm，樓面恒載1.5 kN/m2，樓面活荷載3.5 kN/m2。平面布置形式為相同截面尺寸的十字形次梁（250 mm×550 mm），主框架梁的截面尺寸300 mm×700 mm，采用中國建筑科學研究院空間有限元分析設計軟件YJK 1.8.3設計整體結構。建筑平面布置圖和結構平面布置圖（如圖1、圖2）。

圖1 建筑平面布置圖

圖2 結構平面布置圖

入駐企業需要一個兩層通高兩跨的入戶大堂，而原設計的入戶大堂在首層的左上角，橫向和縱向均為一跨，非通高。所以需要新增一部電梯，從地下室至5層停靠。1層放置一臺大型的機械設備，2層做實驗室，實驗室內有重型實驗設備，且規劃一個檔案室。3～5層為常規辦公空間。1層機械設備荷載為6.5 kN/m2，2層實驗設備荷載如表1所示。

表1 2層實驗設備荷載

據表1中的單位承重，機身負極涂布房活載為5kN/m2，機身正極涂布房活載為5kN/m2，SEM分析室活載為8.5kN/m2，全電組裝室的活載為4.7 kN/m2，結構分析室的活載為3.15 kN/m2，表中XRD室的活載為4.73 kN/m2，扣電組裝室的活載為2.07kN/m2，電池檢測室活載為3 kN/m2。

2 改造方案

2.1 入戶大堂改造

由于3#棟北側位于園區內部，南側靠近市政道路，因此將改造后的入戶大堂選擇在南側中部。改造后的入戶大堂，需要切除2層相應位置的混凝土梁和樓板切除。原設計為十字型次梁，大堂的兩側需要將水平次梁切除一半，對原結構具有一定的損傷。如果采用目字型的次梁布置形式，大堂的兩側只需要順著縱向次梁方向切除混凝土板。這樣一來切除的難度小，對原結構的損傷也較少。

2.2 新增電梯改造

左側樓梯（LT1）處主梁和次梁的間距為2500 mm，滿足電梯轎廂的尺寸要求。新增電梯的位置安裝在此處，靠近樓梯和原有電梯，符合人流動線的要求，而且對地下室車位的影響也較小。施工時只需要鑿除新增電梯位置的混凝土樓面，新增1根200 mm×400 mm混凝土梁即可。新的入戶大堂和新增電梯的平面位置如圖2所示，圖中陰影部分即為改造后的入戶大堂，云線圈起來的部分即為新增電梯，電梯凈空尺寸為2500 mm×2500 mm，符合大部分電梯品牌轎廂的尺寸要求。

2.3 2層實驗室布置

根據企業的后期使用需求，將2層的平面劃分為上中下3個區域，每個區域分別是縱向的1個柱距8100 mm。機身負極涂布房（編號①）、機身正極涂布房（編號②）和全電組裝室（編號③）分別布置在上部區域從左至右的位置。結構分析室（編號④）、SEM分析室（編號⑤）和XRD室（編號⑥）分別布置在中部區域從左至右的位置。檔案室（活載5 kN/m2，編號⑦）、扣電組裝室（編號⑧）和電池檢測室（編號⑨）分別布置在下部區域從左至右的位置。實驗室的具體布置如圖3所示。

圖3 實驗室的具體布置

3 計算分析與加固

在原結構計算模型中，在首層右上角的區域放置機械設備，此區域樓面的活荷載由6 kN/m2提高為6.5 kN/m2；切除2層平面的入戶大堂范圍內的混凝土樓板和梁，新增電梯處增加1根200 mm×400 mm的混凝土梁（梁的兩端支座設置為鉸接），按照實驗室設備的荷載調整相應樓面的活荷載。模型調整完畢后，進行整體計算分析。

據計算結果可知，柱底軸力出現一定程度增大，但未超過原設計的基礎承載力可不做處理。首層柱（±0.000～4.500 m標高）的大部分配筋增大，軸壓比增大，2層梁板配筋增大，其他樓層的梁板柱配筋沒有顯著變化。

首層柱改造前后計算結果如表2所示，柱的縱向配筋顯著增大，主要分布在上部和中部區域，最大的增幅為33.3%，最小的增幅為6.3%。首層柱的加固補強采用柱四角新增受力角鋼（4L80×6或4L100×6），橫向新增綴板（80×4＠300），綴板與角鋼進行焊接[1-2]。新增角鋼和綴板均為Q235鋼材，加固施工前需要鑿除矩形柱四角保護層，打磨成圓角，圓化半徑為25 mm。

表2 首層柱改造前后的計算結果

2層樓板原設計板底配筋為C8＠200單層雙向，配筋面積為251 mm2，板面配筋為C8＠200和C8＠150（配筋面積為335 mm2）。改造后的板底配筋面積均未超過251 mm2，板面配筋在平面的上部和中部區域有部分超原設計配筋，最大的計算值為454 mm2，增大幅度為35.5%，其余部分計算值均在268～407 mm2，增大幅度為6.8%～21.5%。板面采用高強度I級碳纖維布加固，碳纖維布厚度為0.167 mm，抗拉強度標準值為3400 MPa。在板面支座的兩側粘貼一層寬100 mm、間距400 mm的碳纖維布（1T-100＠400）[3]。碳纖維布在支座每側的長度為相應板跨的1/4。碳纖維布加固板面如圖6所示。

圖4 加固柱立面

圖5 加固柱平面

圖6 二層板面碳纖維加固示意圖

改造后的計算結果顯示，2層樓面實驗室范圍的梁支座負筋和底筋均出現了一定程度的增大，梁支座負筋最大增幅為38.5%，梁底筋最大增幅為32%。梁的加固補強采用粘鋼板方式，梁支座的位置粘一層200 mm寬、3 mm厚的鋼板，鋼板長度為梁跨度的1/3；梁底部粘一層尺度為200 mm寬、3 mm厚的長鋼板，底部鋼板通過U型箍板、鋼壓條和化學錨栓固定[4]。粘鋼的鋼材均為Q235。粘鋼加固梁如圖7、圖8所示。

圖7 加固梁立面

圖8 加固梁1-1截面

根據上面的計算可知：一般工業研發樓宇的實驗室布置在1層和2層，因此工業研發樓宇設計時，1層的樓面活荷載取值5～6 kN/m2，相應豎向構件的配筋放大1.1倍；2層的樓面活荷載取值3.5 kN/m2，相應的梁配筋放大1.05倍；3層及以上的樓面活荷載取值2.0 kN/m2。這樣的設計不會大幅度增加建造成本，但有利于后期的加固改造。后期加固改造時可以采用較為方便快捷的粘碳纖維和粘鋼方式進行加固補強，避免了采用增大構件截面的方法進行補強。

4 結語

由以上分析可知，后期對樓板開洞、增加電梯或景觀樓梯等進行改造時，相比十字型的結構次梁，目字型的結構次梁具有拆除工作量小、對原結構損傷小的優點。在設計工業研發樓宇時，適當提高1層和2層的樓面活荷載，并適當提高豎向構件和2層梁的配筋率，不會大幅度增加建造成本，有利于后期的加固改造。