既有建筑結構改造加固淺議

湛永紅， 賀明華， 錢正安

（1.貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008；2.中機中聯工程有限公司，重慶 400039；3.黔東南民族職業技術學院，貴州 556000）

0 引言

經過幾十年的建設發展，尤其是從1998年中央政府確定了城鎮住房的市場化、貨幣化、商品化改革方向之后，國內的房地產建設項目快速增加。通過查詢統計數據，從2000年～2020年這20年，房地產竣工面積平均每年以20%左右速度增加。目前，國內既有建筑的建筑面積已經超過約400億m2。隨著城鎮化的快速發展，各大城市中心城區的新建建設用地供應將明顯減少，中心城區既有建筑的結構改造、加固將會明顯增多。其次，我國建筑的結構設計使用年限絕大多數為50年，從1980年開始算起，到今天已41年。自2000年算起，到現在也已20年，大部分建筑已經進入“中年”，隨之而來的是建筑結構的逐漸老化（混凝土碳化、鋼筋銹蝕、抹灰層開裂脫落，結構布置不夠合理等）；再次，隨著社會經濟的發展，經濟模式、商業形態、社會團體的組織結構等日新月異，許多既有建筑的裝修風格、建筑布局等已不滿足當下的功能使用要求，需要對建筑、裝修進行改造，這些改造必然伴隨結構改造與加固。

針對由于建筑裝飾材料的老化，使用單位的人數的增加和組織結構的調整對建筑功能布局要求的改變而進行的改造，往往只是調整局部布置，改變墻體的布置。對于這種細小的改造，宜先對結構構件進行仔細校核，在構件滿足承載力和正常使用要求的前提下再對整體結構按現行規范對相關整體指標進行判定，盡量少加固、不加固，以盡最大程度減輕對結構的破壞。而對需要改變建筑功能、增加結構荷載、拆除局部結構構件或改變部分結構布置等的改造，則需要對結構進行加固計算設計。此時則需要完整建模，根據現行規范對結構進行計算分析。

1 工程概況

項目為某辦公樓，該建筑設計完成時間為1998年，2000年竣工。該建筑采用80系列規范進行設計。場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為6度，抗震設防類別為丙類；基礎采用人工挖孔樁基礎?？偨ㄖ娣e約3500m2，采用框剪結構，結構長43.2m，寬12.9m；建筑地上6層，無地下室。結構總高度23.1m，局部高度24.6m，局部錯層，縱向共7跨，橫向1跨見圖1。該建筑結構平面布置比較規則，縱向各開間尺寸均為3.6m，進深均為5.4m，平面中間為2.1m寬走廊。

圖1 標準層結構平面布置圖（單位：mm）

2 加固的原因及改造內容

隨著使用單位人員增加以及其組織結構的調整，原建筑的房間布置不再滿足運營的需要，使用單位要求對原建筑進行改造。改造的主要內容包括：①原1層特種倉庫需改造增加倉庫面積，需拆除部分鋼筋混凝土填充墻（此墻僅為建筑功能的鋼筋混凝土墻，并非豎向承重構件）；②將位于原2層（4.5m標高）的計算機房移動至第4層（11.70m標高），原4層該區域為辦公室。根據87版荷載規范，辦公室活荷載取值為1.5kN/m2，而根據使用單位對機房的要求，機房的活荷載為8kN/m2，由于第4層荷載增加，需要對該區域進行加固；③3～6層各層均有部分房間布局需要改變，改變的方式，在原橫向框架梁（次梁）上拆除或增加填充墻。需要驗算復核既有結構構件的承載力和變形；④屋頂新增30t水箱及暖通設備荷載，需對部分豎向構件進行計算復核加固。

3 結構檢測結果

檢測結果表明，混凝土強度基本滿足原設計強度要求，未見明顯碳化；所測構件的鋼筋與設計圖紙吻合（原設計，各主要受力構件混凝土強度等級均為C30，鋼筋均為HRB335）；構件的截面尺寸也基本與設計圖紙吻合。結構構件僅局部表面缺陷，且其工作無異常。樓、屋面板未發現損傷、變形過大、裂縫等異常情況，工作正常。

4 加固原則及計算依據

4.1 加固原則

根據項目的改造特點，改造強度不大，本著能不加固盡量不加固的原則，通過修改模型核算，在滿足承載力及正常使用要求的基礎上減少結構的加固工程量。同時，盡量使用輕質材料，減小新增荷載對原結構的影響。對改造區域的相關部位，尤其是梁、柱和基礎進行了仔細核算，經核算后必須加固的部位采用對原結構破損較小的加固方法，盡量減少對原結構的損壞。

4.2 計算依據

根據現行《混凝土結構設計規范》3.7.3［1］對既有結構進行改建擴建或加固改造而重新設計時，承載能力極限狀態的計算應要符合本規范的規定。

根據新版《建筑結構可靠性設計統一標準》［2］結構荷載的分項系數從2001年版《建筑結構可靠性設計統一標準》［3］的1.2，1.4變為現在的1.3，1.5。

根據新版的《建筑結構設計荷載規范》（以下簡稱12版《荷規》）［4］與87版《建筑結構設計荷載規范》［5］（以下簡稱87《荷規》）對辦公樓樓面活荷載的取值有所提高，12版《荷規》辦公樓樓面活荷載取值2kN/m2，87版《荷規》辦公樓樓面活荷載取值為1.5kN/m2，提高了33.3%。

現行《抗規》［6］相比89版《抗規》［7］在對結構內力調整、結構體系的塑性機構控制方面有明顯不同的規定。

5 改造后結構分析

5.1 結構整體分析

結構整體指標包括：剪重比、扭轉位移比、剛重比、周期比以及位移比等，是反應結構整體剛度和受力特點的關鍵參數。在對既有結構進行改造，加固時需要重新根據現行規范對原有結構的整體指標進行復核。

原結構采用鋼筋混凝土框架-剪力墻結構，框架為單跨框架，橫向剪力墻為雙片橫向剪力墻見圖1，①、⑦、⑩、軸設置剪力墻。總高度23.1m，局部24.6m。

經建模分析計算，結構的整體指標基本滿足現行規范要求。僅結構在偶然偏心地震作用規定水平力下的樓層最大位移比為1.74（強剛模型）不滿足現行《抗規》3.4.4條不大于1.50的規定。為提高結構抗側剛度，減小結構層間位移比，決定在③軸橫向增設鋼筋混凝墻或增設鋼支撐。經建模分析對比，同時考慮到增設鋼支撐之后，鋼支撐框架的混凝土構件應在構造上比原結構提高一級（《抗規》G.1.2），原結構構造抗震等級不滿足要求，最終采用增設一小片鋼筋混凝土剪力墻，在不影響結構抗震構造要求的前提下，降低結構的水平變形，使其滿足整體指標的要求。由此可見，既有結構的改造時，結構整體復核時不僅要考慮整體指標的抗震計算，還要考慮抗震措施［8］。

項目為鋼筋混凝土-框剪結構，沿Y向為單跨框架，在①、⑦、⑩、軸總共設置有8片剪力墻，沿X向為純框架布置?？傮w指標參數計算結果顯示結構為不規則結構。為此，需根據《抗震鑒定標準》6.2的要求對結構進行綜合抗震能力指數計算。經計算，樓層綜合能力指數大于1.0，滿足承載力要求。

5.2 構件加固受力特征

加固構件的受力特征與新澆筑構件的受力特征不同，加固構件屬于二次受力構件，其內力計算較為復雜，需要考慮構件在加固前因初始受力產生的變形，殘余內力以及新舊材料之間的協同受力等［9，10］。

5.3 主要受力構件的計算及加固

項目原設計完成于1998年，設計規范主要采用的是87《荷規》，89《混規》，89《抗規》，與現行規范相比，其主要計算參數變化如表1所示。

表1 原設計規范與現行規范主要參數

目前，對于常規的多層混凝土結構，結構計算程序已能較好的對既有結構進行對比計算分析。根據《建筑抗震加固技術規程》3.0.4［11］和《建筑抗震鑒定標準》1.0.5［12］的規定，既有建筑應按后續設計使用年限為40年的B類建筑進行設計。抗震承載力調整系數按現行《抗規》取值，實配與計算配筋比值設為1.0。

從表1可知，相比原設計采用的規范體系，現行規范體系對結構設計各方面均有所提高。分項系數分別比原《荷規》提高了8%、7%；室內活荷載比原《荷規》提高了33%，再考慮抗震措施的調整，梁柱組合內力設計值有大幅度增加。

進行計算分析時，應先按既有建筑的結構布置建立原結構模型，按現行規范體系輸入相關參數。

同時，根據竣工圖紙輸入實配鋼筋，通過程序的加固鑒定模塊進行分析計算。計算結果表明，原實配配筋與按新規計算配筋差別較多。尤其是沿走廊布置的縱向次梁，在主要改造樓層（2層，4層）該次梁配筋在端部實配鋼筋與改造后模型計算所得的計算配筋差別較大。此外，在原設計活荷載較大的部分區域（4層檔案室，活荷載原設計為12kN/m2），經復核原始設計的梁（框架梁、次梁）各層均有多處不滿足承載力要求的情況，柱實配鋼筋除局部樓層不滿足以外，其余樓層均滿足，所有樓層的柱的軸壓比均滿足規范要求?；A及地基的承載力也滿足要求。

5.3.1 荷載梳理

本著盡量少加固的原則，對項目較多處不滿足現行規范計算配筋的情況，首先對結構荷載進行了梳理。仔細校對各專業竣工圖紙，重新計算了各樓層實際荷載。將恒荷載由原來的5.0kN/m2，改為4.2kN/m2。其次，仔細計算梁上隔墻自重，計算時根據樓層高度和梁高，確定梁上隔墻實際自重。

5.3.2 計算方式調整

針對部分梁配筋過大和梁撓度超標的情況，根據現行《混規》5.2.4考慮樓板作為翼緣對梁剛度和承載力的提高，從而降低梁撓度和跨中計算配筋。

針對部分梁支座處配筋不足的情況，根據現行《混規》5.4.3采用塑性調幅的方式，適當減小支座處負彎矩，增大跨中正彎矩，盡量使支座處實配鋼筋滿足承載力要求，不滿足的部位采用粘鋼加固。

5.3.3 改變用材

針對局部樓層新增填充墻較多的情況，為降低梁底彎矩，跟建設方商量采用輕質隔墻。

5.3.4 加固方法

通過前述3種方式的調整，已大幅度減少了配筋不足的構件數量，針對仍不滿足計算配筋的構件進行結構加固。

加固的方式主要有增大截面法，貼碳纖維片材法，外包型鋼法以及粘鋼法。增大截面法對提高構件的承載力較為明顯，同時對結構損壞較小。粘鋼法和貼碳纖維片材法對構件的承載力提高幅度有限，僅適用于承載力增加較少的構件。

通過加固設計，經加固之后的結構構件均滿足承載力和正常使用的變形要求。

6 結語

通過此次設計，總結歸納出以下結構改造加固的設計經驗。

（1） 在對既有建筑結構進行改造加固時，需首先對其整體指標進行復核，不僅要滿足抗震計算的要求，還要滿足抗震措施的要求。

（2） 既有建筑結構改造加固前應結合竣工資料（各專業竣工圖、工程變更、技術洽商等），也需在原設計地勘報告等中仔細梳理既有建筑的恒載、活載，并結合檢測鑒定報告中對現有結構材料的參數取值進行建模分析。

（3） 結構改造應充分利用規范關于構件內力設計的規定，比如，考慮樓板翼緣對提高梁的抗彎剛度的規定，梁彎矩調幅的規定，對抗震調整系數降低的規定等提高構件的承載力或降低構件所受組合內力。

（4） 在滿足使用功能的情況，盡量采用輕質材料，降低結構所受恒載。

（5） 加固時要結合各種加固方法的特點有針對性的進行結構加固設計。