高港財富中心大廈續建結構改造設計

潘 華 南京大學建筑規劃設計研究院有限公司高級工程師

彭 陽 南京大學建筑規劃設計研究院有限公司

1 工程概況

高港財富中心大廈位于江蘇省泰州市揚子江路，始建于2009年，地下共2層，地上共24 層，建筑高度為97.15 m，結構體系為鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，結構封頂后項目因故停滯，2016 年更換業主后對項目啟動續建，調整外立面和內部建筑布局功能，增補塔樓中庭樓面，增加樓梯、電梯等豎向交通等。本次續建涉及規劃變更和建筑功能變化，需對原結構進行整體復核和加固。

圖1 改造前建筑現狀

圖2 改造后的建筑效果圖

2 后續使用年限和抗震設防目標的確定

不同的后續使用年限對材料要求、使用荷載以及地震作用有不同的取值標準，也意味著不同的改造投入。因此，需合理確定后續使用年限和抗震設防目標，在結構的可靠性與改造的經濟性之間達到一種平衡。

關于后續使用年限，《建筑抗震鑒定標準》（GB 50023-2009）規定，2001年以后建造的現有建筑，其使用年限宜為50 年[1]。《混凝土結構加固設計規范》（GB 50728-2011）規定，混凝土結構的加固設計使用年限應按下列原則確定：一是結構加固后的使用年限，應由業主和建設方共同商定；二是結構加固材料中含有合成樹脂或其他聚合物成分時，其結構加固后使用年限宜按30 年考慮[2]。

使用條件的變化、結構是否有較嚴重缺陷、材料性能有無劣化以及構件是否存在損傷是影響建筑使用年限的主要因素。本工程結構封頂7 年，通常情況下改造后目標可設定為50 年。但續建時《建筑抗震設計規范》《高層建筑混凝土結構技術規程》均升級為2010 版，新規范對結構要求均有所提高。如后續使用年限仍按50 年計算，結構體系和材料的耐久性能需進一步論證并采取相應措施予以保證。

經與建設方商討權衡，本工程后續使用年限確定為其剩余使用年限43 年，雖略低于正常新建建筑50 年的預期，但適當降低了對現狀結構材料耐久鑒定和處理的要求，將改造費用主要用于抗震和構件受力的優化和提升。

對于縮短的使用年限，《混凝土結構加固設計規范》（GB 50728-2011）也有明確規定：“對于使用年限到期后，經重新可靠性鑒定認為該結構工作正常，仍可繼續延長其使用年限”[2]。因此，本項目確定的后續使用年限是一個妥協和具有可操作性的方案。

3 地基基礎存在的問題

原結構有2 層地下室，底板標高為-7.08 m。采用樁筏基礎，主樓筏板厚為1.80 m，裙樓筏板厚為0.70 m，為D=500 mm 預應力混凝土管樁，樁長為32 m，以粉土夾粉質黏土作為持力層，單樁承載力為1 800 kN。改造前后建筑總質量（1.0 恒＋1.0 活）分別為78 894 t 和83 911 t，總體荷載增加約6.4%，最大單樁反力為1 950 kN，超過原樁設計承載力，增加幅度約為8.3%。

由于項目當時是非正常停工，施工階段相關資料未順利移交，導致前期沉降觀測數據缺失。從鑒定報告和現場實物的情況來看，暫未發現有異常沉降或傾斜等，初步判斷該建筑基礎目前的變形和受力尚在正常范圍。樁反力超過原設計值，常采取補樁等措施，由于項目地處地下水豐富地區，處理地基基礎時首先要解決地下水頭過高問題，即需對地塊整體降水，處理所需費用多且施工難度大，因此需進一步評估分析，尋找對策。

4 地基基礎分析與處理

4.1 考慮地下水對地基基礎有利的作用

結合上海地區高層項目經驗，可合理利用水浮力對樁承載力的有利作用[3]。本項目位于豐水區，勘探報告提供的地下水常水位為-2.95 m（相對本樓正負零標高），高出地下室底板較多。采用PKPM軟件調整地下水位高度驗算樁基承載力。當地下水位取常水位-2.95 m 和-4.75 m時，軟件計算結果中最大樁反力分別為1700 kN 和1790 kN，也即地下水降至常水位以下1.80 m 左右時，樁反力小于原設計單樁承載力特征值1800 kN，此時樁基仍是安全的。若未來周邊場地存在深基坑施工和開挖降水，此情形對本工程不利，須采取保護措施。

4.2 在地下水有利作用不存在時的基礎分析

相關案例及現場實測證實，樁土分擔存在且可承擔5%～25%的建筑物荷載[3-4]。當地下水位降低，水浮力的有利影響不存在時，因樁反力已超過原設計的單樁承載力特征值（未超過樁身強度），反映到基礎上即沉降變形增大。隨著沉降發生，底板下土層進一步壓實，地基土和底板將參與共同受力，本工程底板下為粉土夾粉砂層和粉砂層，厚度不小于10 m，底板下土層地基承載力特征值為140 kPa，具有一定承載能力，因此需要分析不同變形情況下樁和筏板的受力情況。

計算時根據地基上任一點所受的壓力強度P與該點的地基沉降量S成正比的特點，采取假定不同的基床系數來模擬基底土參與程度[4]，尋找樁土共同作用時的規律。采用PKPM 軟件提供的“基本模型”和“沉降迭代模型”進行沉降計算[5]。其中，依據巖土勘察規范[6]，取樁剛度和基床系數經驗下限值，樁剛度取100 000 kN/m3，基底土基床系數分別取2 000 kPa/m、5 000 kPa/m 來模擬的樁土共同作用，計算基礎及樁反力和底板配筋，軟件計算結果如表1 所示。

此時樁反力小于樁設計承載力，主樓范圍筏板配筋小于實際配筋，基本能滿足承載要求。而裙樓底板局部出現計算值大于實際配筋的情況（原裙樓底板的原始配筋為18&150 雙向雙層），如表1 所示，現計算得軸線②-⑤與 - 間裙樓底板出現Y 向面筋不足21.2 cm2（表中其余含義類同）。因此，筏板需要采取加固措施。基床系數5 000 kPa 時，計算的基礎最大沉降約61 mm，滿足規范《地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）的要求[7]。

表1 樁土共同作用下底板受力情況

依據上述分析，在本項目中，采用對底板板面進行鋼筋補強加固，也為將來地下水位可能降低做了準備措施。同時建議將上部結構有條件部位容重相對較大的砌體墻拆除，改為輕鋼龍骨，進一步減輕結構自重，減小基礎荷載。

4.3 適當考慮地基提高系數

參照《建筑物移位糾傾增層改造技術規范》（CECS 225—2007）第7.6.2 條相關規定，沉降穩定的建筑物，地基基礎承載力特征值可適當提高，5 ～10 年時的提高系數為1.05 ～1.15[8]。本工程主體結構已建成6 ～7 年，基礎已有一定的沉降壓實。根據對現狀地下室的觀察，地下室底板未發現新的滲漏開裂，初步說明地下室基礎變形和受力尚在基礎正常范圍。改造后樁反力雖略有增加，超過當初樁承載力特征值設計8.3%，但總體幅度不大。因此，可考慮地基基礎壓實承載力提高的有利作用。

4.4 地基基礎的處理策略

目前，處理樁基礎難度較大，綜合考慮本工程的有利因素，基礎可采取加強監測、暫緩補樁處理的策略。同時，要特別注意周邊場地可能發生超深基坑開挖降水的不利情況。在進行底板加強措施后，正常情況下基礎是可以滿足使用要求的。

改造建成后1 年多的沉降觀測數據反映，基礎沉降基本趨于穩定，變形值在規范允許范圍內，本工程采取的暫緩處理策略符合預期。同時也說明，基礎處理方案選擇應從多方面分析比較，以達到經濟合理和安全的目標。

5 底部剪力墻優化改造

在進行結構整體計算后發現，本工程原結構整體剛度偏大，X 方向最大層間位移角為1/1 492，Y 方向層間位移角為1/1 376，均比規范限值小很多，底部幾層核心筒處還存在連梁剪壓比超限情形。進一步分析后認為：一是原結構整體剛度偏大，導致整體地震力也會相應較大；二是結構底部存在較長墻體，最大墻長為12.1 m，而規范建議的墻段長不宜大于8.0 m，超過較多，墻體延性較差，并且過長過剛的墻段承擔的樓層剪力也大，常導致連梁計算不易通過。因此，有必要對剪力墻進行一定程度的優化。

經多輪試算，同時權衡其他各構件的受力和配筋情況，改造方案對底部幾層墻體采取了適當開洞削弱的處理措施。底部長墻開洞削弱后，對應連梁剪力得到降低，總體地震力也有所減小，原部分剪壓比超限的連梁，改造后剪力小于剪壓比允許值，減小了連梁加固難度。開洞前后連梁剪力變化如表2 所示。

表2 連梁剪力對比（以LL1 為例）

6 結構構件加固要點

本工程綜合采用了粘貼碳纖維、粘鋼、擴截面、外包鋼等多種加固改造技術，所選加固工藝是較成熟的手段。工程實踐表明，結構的加固效果除了與所采用的方法有關，還取決于結構方案及其布置是否合理、構件之間的連接與拉結是否可靠、構造措施是否得當等。

本工程加固實踐中某些細節仍值得注意和參考。

（1）本工程設計年限大于40 年，應要求加固材料通過長期應力作用能力的檢驗。

（2）要重視新老混凝土結合面處理，結合面的粗糙度是影響結合面抗拉、抗剪強度的首要因素。當抗剪強度計算不足時，需考慮增設連接短筋。

（3）梁構件加固設計要控制加固后的裂縫寬度和變形量，遵循強剪弱彎的設計原則。對于采用粘鋼和粘貼碳纖維技術進行抗彎加固的梁，應注意加固后的構件正截面受彎承載力的提高幅度不超過40%。

（4）為了保證所植鋼筋錨固的可靠性，需控制植筋的間距和邊距要求。新增構件或擴截面加固時，常遇到鋼筋根數較多、鋼筋排布困難的問題，可采用如下方法解決。一是適當增加構件寬度和每排鋼筋可排布根數。二是將跨中鋼筋在非正截面受彎段截斷（延伸長度需滿足錨固要求），減少植入鋼筋的根數。三是在支座處增設水平加腋，擴大鋼筋植筋排布間距。

（5）植筋深度應滿足規范要求。當因支座尺寸限制，無法滿足計算的植筋深度要求時，可采取變通措施。一是選用小直徑、多根數鋼筋；二是適當超配鋼筋，降低鋼筋應力，折減植筋深度；三是采用附加錨固構造措施。

（6）在洞口邊、墻柱邊粘貼鋼板和碳纖維時，應保證其水平錨固長度滿足要求，否則應采取附加錨固措施。

7 結語

改造加固是技術難度大、決策過程復雜的系統性工程。改造設計需將結構整體概念及加固施工有機結合，并進行多方案的經濟技術比較。加固措施需考慮現場施工的可操作性，有效保證設計效果。通過具體工程的介紹，為類似改造處理提供一定的借鑒。