某銀行蕪湖分行辦公大樓改造加固設計分析

張 濤，陳顯文，王志明

(1.華誠博遠工程技術集團有限公司,江蘇 南京 210009;2.南京工大建設工程技術有限公司,江蘇 南京 210009; 3.典筑設計集團有限公司,江蘇 南京 210004)

2021年5月24日蕪湖市住房和城鄉建設局發布了《蕪湖市住房和城鄉建設局關于印發既有建筑改造施工圖設計審查要點(試行)的通知》[1](蕪湖市建函[2021]62號)文件。該文件在結構審查要點中規定:既有建筑改造時,當設防類別未提高,抗震單元內結構剛度變化不超過10%、重力荷載代表值增量不超過5%,且加固、改造的豎向抗側構件不超5%,水平抗側構件不超10%時,若按原設計烈度設防,延續原有設計年限,原則上可不需要進行抗震鑒定,加固改造區需先進行構件現狀檢測。既有建筑改造后續使用年限30 a,40 a及延續原有設計使用年限的,可執行原可靠性設計標準。

1 概述

既有建筑的改造加固應符合以下原則:1)滿足改造后的建筑安全性及使用性要求;2)不得降低建筑的抗震性能;3)不得降低建筑的原有耐久性。本文通過對某銀行蕪湖分行營業辦公大樓的改造加固工程的案例分析,探討改造區域或改造程度在一定范圍內的建筑,在滿足一定前提條件時,可以兼顧經濟性與安全性,適度加固。

2 工程概況

某銀行蕪湖分行營業辦公大樓,位于安徽省蕪湖市,該建筑為地下2層,地上23層的鋼筋混凝土框架-核心筒結構,梁板式筏板基礎,大直徑人工挖孔樁,建筑面積為19 276 m2。該建筑于1996年竣工,一直作為某銀行的營業辦公大樓使用,期間未進行過建筑使用功能的改變及結構構件的拆改。建筑標準層平面圖如圖1所示。

3 結構安全性鑒定

為了解該建筑目前的結構安全狀況,辦公大樓進行了結構安全性鑒定,主要鑒定結論如下:

1)根據現場調查,建筑周圍暫無可見裂縫,上部結構未發現不均勻沉降引起的裂縫和明顯整體傾斜。場地地下水位、土壓力等地質條件在使用過程中無有記載的人為或自然改變。評定地基基礎安全性等級為Bu級。

2)結構布置合理,形成完整的體系,傳力路徑明確;結構整體性構造和連接等基本符合標準要求,滿足安全要求。評定上部承重結構安全性等級為Bu級。

3)圍護系統的承重部分構造合理,連接方式正確,工作無異常。評定圍護系統承重部分的結構整體性安全性等級為Bu級。

根據GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標準[2]對該建筑進行安全性鑒定,綜合評定該建筑結構安全性等級為Bsu級,在正常使用條件下,可以安全使用。

4 建筑功能調整

因建設方對建筑使用的功能改變,現將3層辦公室改為多功能會議室,樓面活荷載[3]由2.0 kN/m2改為3.0 kN/m2;4層辦公室改為監控室及庫房,樓面活荷載由2.0 kN/m2改為6.0 kN/m2;屋面新增65 t水箱及空調外機組(每臺約300 kg);其余樓層為輕質隔斷分隔的辦公室。總體來講,本次建筑功能的調整未涉及到結構構件的拆改,僅僅是樓面使用荷載的增加[4]。

5 加固設計參數的確定及計算分析

依據《蕪湖市住房和城鄉建設局關于印發既有建筑改造施工圖設計審查要點(試行)的通知》蕪市建函[2021]62號文件,既有建筑結構改造審查要點:

1)既有建筑改造,當設防類別未提高,抗震單元內結構剛度變化不超10%、重力荷載代表值增量不超5%,且加固、改造的豎向抗側構件不超5%,水平抗側構件不超10%時:

a.可按原設計設防烈度進行加固改造;b.加固改造后延續原有設計工作年限;c.此類改造原則上不需要進行抗震鑒定,加固改造區域需先進行構件現狀檢測;d.既有建筑改造后續使用年限30 a,40 a及延續原有設計使用年限的,可執行原可靠性標準[5]。

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2)本建筑為延續原結構工作年限,即后續工作年限為23 a<30 a,屬于A類建筑,但實際是建于1995年,當時執行的為89抗規。依據GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規范[6]的5.1.4條,A類、B類建筑不應低于原建造時的抗震設計要求。本建筑實際上應滿足GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準[7]中B類建筑的抗震要求。故按照B類建筑,改造前和改造后分別建模計算,對比改造前后的計算結果,并統計加固前不滿足要求的構件的占比。經對比計算結果,改造前建筑的剛度及重力代表值如下:

恒載產生的總質量:23 220.849 t;活載產生的總質量:1 985.895 t;結構的總質量:25 206.744 t。活載產生的總質量、自定義工況荷載產生的總質量和結構的總質量是活載折減后的結果。

改造前建筑恒載、活載、層質量分布曲線見圖2,改造前多方向剛度簡圖見圖3,構件材料見表1,加固改造前樓層側向剪切剛度及剛度比見表2。

3)經建模計算,改造加固后建筑的剛度及重力代表值如下:

恒載產生的總質量:23 491.809 t;活載產生的總質量:2 430.616 t;結構的總質量:25 922.425 t。活載產生的總質量、自定義工況荷載產生的總質量和結構的總質量是活載折減后的結果。

改造加固后恒載、活載、層質量分布曲線見圖4,改造加固后多方向剛度簡圖見圖5,改造加固后樓層側向剪切剛度及剛度比見表3。

4)對比改造加固前后計算結果:

a.剛度增加的最大值在第8標準層:

X向剛度變化(3.24-3.09)/3.09=4.85%<10%;

Y向剛度變化(2.8-2.67)/2.67=4.86%<10%。

表1 構件材料

表2 加固改造前樓層側向剪切剛度及剛度比

b.重力荷載代表值增加:

ΔGe=(25 922.425-25 206.744/25 206.744=2.84%<5%。

c.未考慮核心筒抗側力構件數量時,豎向抗側力構件柱總數為521。經對比改造前后結構的配筋計算簡圖,經統計,共有24根混凝土柱軸壓比或配筋不滿足設計要求,需要進行加固。加固的豎向抗側力構件占比為24/521=4.6%<5%。

d.水平抗側梁構件總數為3 126根,對比改造前后結構的配筋計算簡圖,經統計,共有140根梁配筋不滿足設計要求,加固的梁占比140/3 126=4.48%<10%。

由以上統計數據可知,本建筑在延續原結構工作年限的前提下,滿足當地住建局通知文件的要求時,可按原設計可靠性設計標準及抗震設計規范的要求進行建模計算分析。

表3 改造加固后樓層側向剪切剛度及剛度比

6 結構加固設計

根據模型初步試算的結果,將需要加固的梁、柱及板底鋼梁輸入模型計算[8],調整加固構件截面規格直至滿足設計要求。經綜合分析對比后,本建筑主要的加固措施及節點詳圖[9]如下:

1)底部柱軸壓比不滿足要求,采用擴大截面的方式加固,見圖6。2)計算配筋超筋或較原有配筋面積增加不小于40%的梁,采用擴大截面的方式加固;配筋增加小于40%的梁,采用擴截面或粘貼碳布的方式加固,見圖7,圖8。3)混凝土樓板板面增加輕質加氣塊墻體及荷載較大的位置,板下增設鋼梁,板面負筋不足之處粘貼碳布,板底配筋不足之處粘貼碳布。4)原建筑采用人工挖孔樁,樁直徑為1.0 m～1.4 m,單樁承載力特征值為14 000 kN～18 500 kN。經比較改造加固前后柱底內力,柱軸力增加范圍為1%～16%,柱最大軸力為14 906.6 kN<18 500 kN,樁基承載力滿足要求(見圖9,圖10)。

7 結論

既有建筑具有鮮明的時代性,各個時期的建筑采用的設計規范不同,設計理念與今時也有差異。這就造成了加固改造受限制條件較多、技術難度較大的現象。所以,既有建筑的加固改造需要謹慎的綜合考慮,既要保證主體結構的整體安全,又要確保構件的承載能力和抗震能力不低于原設計。

為達到這一目標,首先要判別加固改造對原結構影響的大小。本建筑除底部柱加固外,其余均為樓面水平構件的加固,且重力荷載代表值及剛度突變均變化不大,沒有因加固產生新的薄弱層,地震作用效應不會顯著增加。由此,可判定本次改造加固對原結構的抗震能力影響較小。對于這類建筑,當延續原結構工作年限時,可按原設計可靠性設計標準及抗震設計規范進行計算分析。加固時,可以僅改在范圍及影響的相關范圍內(不少于相鄰一跨)進行加固。

同時,構件的承載能力的改變和剛度的變化,二者相互影響。實際的工作中,經常擔心結構的安全,著重于加強構件的承載力,忽略剛度的變化,是不合理的做法。所以,加固必須全面考慮,綜合分析,盲目的加固構件是不可取的。

加固設計是改造工程建設至關重要的環節,設計成果質量的好壞不僅直接影響建設工程的投資效益和質量安全,其技術水平和指導思想對老城市改造建設的發展也會產生重大影響。

近年來,一些地區逐漸形成了適合本地區經濟發展條件的指導性文件,對符合一定條件的改造加固進行了適度的放松,也是鼓勵業主和設計單位盡可能在充分利用原有結構的前提下,合理改造、適度加固。隨著新材料、新技術的發展,可供選擇的加固方案也會越來越多,但改造加固的基本原則不會變。2023年7月21日國務院審議通過了《關于在超大特大城市積極穩步推進城中村改造的指導意見》[10],未來將積極穩步實施城中村改造,我們也將面臨新的機遇和挑戰。