建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)的深入探討

王璊璊

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

隨著城市化建設(shè)的高速發(fā)展，已有很大一部分建筑失去了使用價(jià)值，并且其現(xiàn)狀不具備新的使用功能，所以,城市中產(chǎn)生了許多閑置建筑物，這并不利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為解決這一問(wèn)題，必須提出專業(yè)的方案，以賦予這些閑置建筑物新的價(jià)值，這對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的加固改造提出了新的要求，即既要保障人們的安全，又要提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久性，還要改變建筑結(jié)構(gòu)的使用要求。本文提出以通過(guò)更新、更好、更適宜的結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)，選擇合適的加固材料，并將工程目標(biāo)與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)相結(jié)合，制定具體的解決方案并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固改造。

1 建筑結(jié)構(gòu)加固改造的意義和原則

1.1 建筑物結(jié)構(gòu)加固改造的意義

隨著時(shí)間的推移，既有建筑物在使用過(guò)程中其使用功能會(huì)逐漸退化，或者由于使用功能的變化和技術(shù)條件的缺陷，喪失了使用的價(jià)值。但是，如果能結(jié)合既有建筑自身的特點(diǎn)科學(xué)合理的分析，找到既適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，又適合建筑物特點(diǎn)的用途，并對(duì)建筑物實(shí)施有效的加固措施，就可以延長(zhǎng)建筑物的使用壽命。因此，對(duì)于閑置的既有建筑物，有必要進(jìn)行安全檢測(cè)和市場(chǎng)調(diào)研分析，以科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)估既有建筑物的可用性、安全性和耐久性，進(jìn)而做出最適用、最經(jīng)濟(jì)的加固設(shè)計(jì)方案。

1.2 建筑物結(jié)構(gòu)加固改造的原則

1.2.1 統(tǒng)一性原則

建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)方案首先要考慮建筑結(jié)構(gòu)的完整性，因?yàn)榻ㄖ锏慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)件會(huì)影響建筑物整體的穩(wěn)定性，如果對(duì)某些存在問(wèn)題的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行加固和改善，就會(huì)影響建筑物整體的抗震性能，改變其周圍構(gòu)件的受力。因此，建筑物的結(jié)構(gòu)加固改造應(yīng)考慮對(duì)整個(gè)建筑物的影響，在設(shè)計(jì)階段對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，避免工程出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

1.2.2 合理性原則

建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)不僅要考慮其完整性，還要考慮其在工程建設(shè)中的合理性。科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方案可以保證加固改造工程的質(zhì)量和安全性。另外，設(shè)計(jì)階段還要控制施工成本，最大限度地保證工程施工的性價(jià)比。

1.2.3 必要性原則

為提高建筑結(jié)構(gòu)的加固改造效果，應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)階段分析結(jié)構(gòu)加固改造的必要性。建筑物在長(zhǎng)期使用的過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)因受到日常老化、自然災(zāi)害等因素的影響，常有裂縫、表面剝落等情況出現(xiàn)。若要對(duì)存在這些問(wèn)題的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固改造，應(yīng)該分析必要性。對(duì)于損壞程度較低的部分結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)具體情況進(jìn)行局部修補(bǔ)[1]。

1.2.4 安全原則

為了保證建筑結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和改造的有效性，必須將安全原則貫穿于建筑結(jié)構(gòu)改造的全過(guò)程。加固設(shè)計(jì)工作應(yīng)委托原設(shè)計(jì)單位或具有相關(guān)資質(zhì)的設(shè)計(jì)單位，而且不僅要保證建筑物加固后的安全可靠性，也要考慮加固施工過(guò)程的安全性。為了有效地保護(hù)施工人員，建筑物內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)都采用了施工保護(hù)措施[2]，如圖1所示。

圖1 建筑物結(jié)構(gòu)加固改造

2 建筑結(jié)構(gòu)加固改造的技術(shù)

隨著建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑改造技術(shù)水平也在不斷提高，但發(fā)展時(shí)間仍較短，整體處于開發(fā)階段，還沒(méi)有現(xiàn)行相對(duì)穩(wěn)定的市場(chǎng)秩序，也沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范經(jīng)營(yíng)活動(dòng)原則。并且我國(guó)的建筑加固改造工作一般集中在設(shè)計(jì)院、高校科研院所和高校科研機(jī)構(gòu)，沒(méi)有可代替承擔(dān)的生產(chǎn)工作產(chǎn)業(yè)。

對(duì)于因建筑使用功能變化而導(dǎo)致的負(fù)荷增加，需要對(duì)結(jié)構(gòu)整體及局部加強(qiáng)計(jì)算分析，不同部位、不同的受力特點(diǎn)選擇不同的加固方式。對(duì)于懸臂等關(guān)鍵部位，應(yīng)考慮加強(qiáng)安全儲(chǔ)備。

混凝土結(jié)構(gòu)常用的加固方法有加大截面法、外包型鋼法、置換混凝土法、增加支點(diǎn)法、粘貼碳纖維布法等加固技術(shù)。每種方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，一個(gè)加固工程可以根據(jù)建筑空間的使用功能、施工的便利性和造價(jià)等因素選擇一種或多種加固技術(shù)。

2.1 加大截面法加固技術(shù)

加大截面法加固技術(shù)是建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)中最常用的技術(shù)，施工難度較低。加大截面法的主要技術(shù)手段是使用大于原結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度的混凝土來(lái)擴(kuò)大現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面。使用加大截面加固技術(shù)可以有效地增強(qiáng)建筑物的承載力。另外，在加固現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，需配置錨栓或采用植筋的方式將舊部件和新部件連接起來(lái)，并對(duì)新舊構(gòu)件交接的界面進(jìn)行處理，以達(dá)到整體截面計(jì)算的要求，顯著提高了其承載力、剛度、穩(wěn)定性，或改變其自振頻率[3]。

2.2 外包型鋼法加固技術(shù)

外包型鋼法加固技術(shù)的原理是通過(guò)黏結(jié)技術(shù)將型鋼或扁鋼加固到混凝土結(jié)構(gòu)的外層，型鋼或偏鋼與混凝土結(jié)構(gòu)使用結(jié)構(gòu)膠粘劑連接。

與加大截面法加固技術(shù)相比，外包型鋼法加固技術(shù)的可靠性更高，因?yàn)樗加玫慕ㄖ臻g更少，施工技術(shù)更成熟。但也存在不足之處，例如，鋼構(gòu)件性能易受高溫、腐蝕等因素的影響。

2.3 置換混凝土法加固技術(shù)

置換混凝土法加固技術(shù)用高強(qiáng)度、高性能的混凝土替換有缺陷、強(qiáng)度低、性能差的原有混凝土。該技術(shù)的原理是使原構(gòu)件的承載力得到恢復(fù)，以符合工程設(shè)計(jì)要求的一種直接加固法。該技術(shù)在工程施工的過(guò)程中比較容易操作，常用于混凝土柱、混凝土梁的缺陷部位，施工中造價(jià)低，但施工周期長(zhǎng)，并且對(duì)結(jié)構(gòu)支撐技術(shù)和結(jié)構(gòu)卸載技術(shù)的要求較高。

2.4 增加支點(diǎn)法加固技術(shù)

增加支點(diǎn)法加固技術(shù)是通過(guò)增加建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部的支承點(diǎn)以減小建筑結(jié)構(gòu)的位移和跨度，從而有效提高建筑結(jié)構(gòu)的承載力的技術(shù)。該技術(shù)是比較傳統(tǒng)的間接加固技術(shù)。通常用于沖擊較小的構(gòu)件，如梁、板等。由于建筑構(gòu)件和支承結(jié)構(gòu)差異很大，原構(gòu)件存在二次受力的情況，需根據(jù)實(shí)際情況，有選擇地使用彈性支承加固技術(shù)和剛性支承加固技術(shù)。

2.5 粘貼碳纖維布法加固技術(shù)

粘貼碳纖維布法加固技術(shù)具有非常良好的效果，是建筑結(jié)構(gòu)加固改造的重要手段之一，主要采用碳布黏結(jié)劑將碳纖維布貼于原構(gòu)件的混凝土表面，使之成為具有整體性的復(fù)合截面，從而達(dá)到為原構(gòu)件提供承載力和延性的一種直接加固方法。粘貼碳纖維布法加固技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，例如，輕質(zhì)高強(qiáng)，施工簡(jiǎn)便，可以用在曲面或轉(zhuǎn)角部位，既不增加原構(gòu)件重量，也不影響建筑外形等，在我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)改造產(chǎn)業(yè)中有很好的發(fā)展前景[4]。

3 建筑結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

為推動(dòng)“十四五”期間檔案事業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，黨的十九屆五中全會(huì)和《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》指出了檔案工作目前存在的問(wèn)題、發(fā)展目標(biāo)和規(guī)劃。可見，檔案庫(kù)房的建設(shè)任務(wù)刻不容緩。

現(xiàn)有一座閑置建筑物，其建于20世紀(jì)90年代，建筑面積約為8000 m2，原用作倉(cāng)庫(kù)，柱網(wǎng)、層高與荷載情況都與檔案庫(kù)房相近，并設(shè)有垂直升降梯。根據(jù)檢測(cè)單位提供的鑒定報(bào)告、原結(jié)構(gòu)圖紙和多次的實(shí)地考察的結(jié)果，初步認(rèn)定該倉(cāng)庫(kù)經(jīng)加固改造后可滿足檔案庫(kù)房的使用條件。初步方案是將對(duì)外服務(wù)用房、檔案業(yè)務(wù)的技術(shù)用房、辦公室用房等主要功能用房布置在建筑物的1層，2~5層主要為檔案庫(kù)房。改造后檔案庫(kù)房使用面積約為6000 m2，可庫(kù)存的檔案數(shù)量約為400萬(wàn)卷。

此閑置倉(cāng)庫(kù)為5層現(xiàn)澆框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類），首層層高為8.0 m，2~5層層高均為3.6 m，外觀較為陳舊。原基礎(chǔ)采用φ400和φ500直徑的預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，φ400徑單樁承載力設(shè)計(jì)值為1300 kN，φ500徑單樁承載力設(shè)計(jì)值為1800 kN。建筑物總高約22.4m，平面形狀為矩形，總平面尺寸為76 m×21 m。柱網(wǎng)較規(guī)則，尺寸為7.6 m×10.5 m，采用主次梁梁板結(jié)構(gòu)。1層層高為8.0 m，2~5層層高均為3.6 m。原2層的設(shè)計(jì)活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為10.0 kN/m2，3~5層活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為6.0 kN/m2。

本項(xiàng)目參照乙級(jí)檔案管的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50223—2008）及《檔案館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 25—2010）的規(guī)定，乙級(jí)檔案館建筑物的抗震設(shè)防類型應(yīng)不低于丙類。根據(jù)國(guó)家檔案局《機(jī)關(guān)檔案管理規(guī)定》第十八條，檔案庫(kù)房樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為8.0 kN/m2，樓梯、走廊、門廳樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5 kN/m2。

根據(jù)建筑布局、原始資料、鑒定報(bào)告、機(jī)關(guān)檔案、庫(kù)房的荷載要求及樓房的現(xiàn)狀初步計(jì)算分析確定倉(cāng)庫(kù)具備加固條件。基礎(chǔ)局部加固、柱子整體加固、2層梁板局部加固、3~5層梁板整體加固、天面梁局部加固改造后，滿足作為機(jī)關(guān)檔案庫(kù)房的承載力要求。

加固改造設(shè)計(jì)具體實(shí)施方案如下。

（1）基礎(chǔ)采用微型鋼管樁局部加固，擴(kuò)大原有承臺(tái)，新、舊承臺(tái)采用植筋的技術(shù)連接。

（2）首層原有地面拆除，重新澆搗地骨。

（3）1~5層柱采用加大截面法加固，2層局部框架梁采用粘貼鋼板法加固，3～5層梁采用加大截面法結(jié)合粘貼碳纖維布法或粘貼鋼板法加固，天面層局部框架梁采用粘貼鋼板法加固。

（4）2層樓板局部采用粘貼碳纖維布法加固，3～5層樓板板面新增疊合板加固，板底采用粘貼碳纖維布法加固。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑結(jié)構(gòu)加固改造工程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是根據(jù)建筑的實(shí)際使用功能、施工和經(jīng)濟(jì)情況設(shè)計(jì)最合理的改造方案和加固方法。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，筆者對(duì)結(jié)構(gòu)加固改造設(shè)計(jì)提出了以下4點(diǎn)建議。

（1）原有結(jié)構(gòu)的鑒定和檢查是加固改造設(shè)計(jì)的先決條件，必須嚴(yán)格按照現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。不能為了降低成本而忽視原始結(jié)構(gòu)的鑒定和檢查過(guò)程，也不得將鑒定結(jié)果直接用于施工。

（2）由于改造項(xiàng)目的特殊性，現(xiàn)有建筑物往往與原施工圖不一致。除施工原因外，施工過(guò)程中缺少變更說(shuō)明和公開記錄。因此，設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要對(duì)施工圖進(jìn)行多次現(xiàn)場(chǎng)檢查，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

（3）加固工程數(shù)量暴增，施工隊(duì)伍的質(zhì)量和材料市場(chǎng)也參差不齊。設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)加固材料的性能提出嚴(yán)格的要求，由具備加固資格的專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工。必要時(shí)要安排人員在現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工，確保節(jié)點(diǎn)的可操作性，禁止野蠻施工。同時(shí)必須了解各種加固材料的材料性能，預(yù)付由于對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不足而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。例如，強(qiáng)化塑料不能承受高溫，化學(xué)注入后焊接會(huì)影響材料性能，因此需要采取必要的冷卻措施。

（4）要保證新構(gòu)件與原有結(jié)構(gòu)連接的可靠性，充分考慮新舊界面的抗剪承載力、構(gòu)件的整體性。