某中学教学楼的改扩建加固优化设计

2013-07-30郎婷恽波

山西建筑 2013年17期

郎婷恽波

(浙江工业大学建筑规划设计研究院有限公司，浙江杭州 310014)

1 工程概况

工程为一中学教学楼，位于浙江省杭州市，建于2003年，为现浇混凝土框架结构，无地下室，地上5层，底层层高4.2 m，以上各层3.8 m，建筑总高度约19.400 m，总建筑面积约 8 690 m2，基础形式为人工挖孔桩基础。按2002系列规范(非抗震)进行设计，建成后使用至今。根据现行2010版抗震规范，该地区设防烈度为6度，第一组。

图1为原建筑平面图，图2为改扩建后的建筑平面图。改扩建加固设计后续使用年限为50年。本工程主要的建筑改造内容如下:

1)整体建筑改造成单廊式教学楼。

2)原有建筑外立面改造。

3)西面两处从1层～5层各新增1个楼梯，北面和南面新增办公房间。

4)拆除走廊以南和走廊以西的教室。

5)东北面1层～5层新增厕所。

6)屋顶增设坡屋面。

图1 原教学楼平面布置图

图2 改扩建教学楼平面布置图

此改扩建工程不仅改变了平面形状、功能布置还包括立面加层，同时又涉及抗震规范的交替，使得需处理的情况和未定因素较多。

2 加固改造设计思路

1)在确定改造加固方案前，必须对已有结构进行检查和可靠性鉴定分析，全面了解已有结构的材料性能、结构构造和结构体系以及缺陷和损伤等结构信息，分析结构的受力现状和持力水平。

2)结构改造加固方案的选择应充分考虑建筑、设备各工种的具体要求以及已有结构实际现状和加固后结构的受力特点，尽可能实现“强柱弱梁、强剪弱弯”的设计概念，保证加固后结构体系方便使用，传力线路明确，结构可靠。

3)在确定加固方案时，尽量减少对原有结构或构件的拆除和损伤，对已有结构或构件，在经结构检测和可靠性鉴定分析后，对其结构组成和承载能力等有了全面了解的基础上，应尽量保留并利用其作用。拆除原有结构构件，对保留的原有结构部分可能带来较严重的损伤，必须进行拆除工作时，需制订拆除方案和配备专业的施工人员，必要时需对方案进行专家论证。

3 结构整体抗震性能分析

本工程同时涉及改建和扩建，如果考虑老规范是无法满足要求和统一标准的，所以必须按照现行规范进行扩建和加固设计。根据抗震设防分类标准，高中教学楼属于重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度1度的要求加强其抗震措施，也就是说在原非抗震构造的基础上要提高两级到三级抗震设防来进行构造措施。

提高抗震性能最直接的方法是减小自重，原填充墙墙体材料使用的是非轻质墙体，不利于抗震，同时由于平面隔墙位置变化以及立面效果的改变，处理方式是把原结构的所有内隔墙和外墙全部拆除，采用轻质砌块，要求容重不大于7.0 kN/m3。

结构整体抗震性能最直观的体现在建筑物布置的规则性上，原建筑为L形的平面不规则建筑;改建方案为“口”形平面，“口”形平面中包含了改建和新建两部分，为了使结构平面强度和刚度匀称而不出现特别薄弱的部分，采用设置抗震缝的方法来对平面进行划分，把“口”形平面分成四个部分(见图2)，使各个部分的平面和立面规则，利于抗震。抗震缝的设置也把原本繁杂的改造内容分区分块，变得易于实现。

对分缝后的结构用SATWE有限元软件进行抗震性能整体分析，对结构基础、梁、柱、板等构件进行验算，情况如下:

1)原结构梁布置不变处，板配筋基本能满足要求，但是在改建部分和原结构的交界处，会有个别板支座负筋不够。

2)原框架梁的纵筋配筋富余较大，新增隔墙处下的次梁搁置处，以及使用功能改变处，部分框架梁的箍筋不够。

3)柱轴压比基本能满足要求，但分两种情况，部分是抗弯纵筋和箍筋都不足，部分是纵筋满足要求但箍筋不足。

4)柱位不变处，原人工挖孔桩承载力能满足要求;柱位变化较大处，需增加桩数，但是在新旧结构交接处，如何利用原桩成为一个问题。

抗震加固的目的不仅仅是为了使各个构件的配筋能够满足要求，更重要的是提高构件的抗震性能，而抗震性能体现在强度、延性、整体性以及传力途径四个方面，所以在选择加固方法的时候需要更多的比较与分析。

4 加层方案的选择

屋顶增设坡屋面方案采用钢筋混凝土结构或者钢结构，比较如下:

1)钢筋混凝土结构与下部结构刚度统一，造价低，坚固耐用等特点，但是自重增加较大，可能会引起基础承载力不够和下部的柱子轴压比不足的问题。

2)钢结构自重小，施工周期短，但是可能会有刚度突变等不利影响。

从对原结构影响较小的角度出发，本工程的加层采用钢结构。钢结构加层设计的重点是节点，钢构件与混凝土连接处的尺寸必须进行测量，量体裁衣。为了减小对原建筑构件的影响，钢柱布在框架柱上，柱脚采用铰接，避免对原框架柱产生附加弯矩和剪力。

5 加固设计

5.1 三种常用加固方式的比较

1)外粘型钢法(即湿式外包钢法);2)粘贴钢板法;3)粘贴碳纤维法。

从20世纪90年代国家就已发布有关加固的推荐性标准，在这期间不断有新的加固技术面世，以混凝土的直接加固法而论，湿式外包钢法与粘贴钢板法以及粘贴碳纤维法这三种加固方法效果好，应用广泛且技术相对成熟，在混凝土结构的加固工程中，往往不可避免的采用这三种方式中的一种或几种。但是一个加固工程如何真正能做到合理、经济、适用，还需要灵活的应用。

表1从各角度对比了湿式外包钢法与粘贴钢板法以及粘贴碳纤维法这三种加固方法各自的特点，为选用提供依据。

表1 三种常用加固方式对比

5.2 碳纤维加固对大偏压柱的影响

从表1可以看出，碳纤维加固能够增加延性的这个优点很突出，但是否也能对大偏压柱的轴压比和配筋产生影响，本人认为至少可以从以下几点来阐述:

1)约束混凝土可使混凝土强度提高，因为碳纤维的高强度决定了最终围压的大小，高弹性模量决定了提供围压的刚度。

2)约束混凝土可使混凝土极限变形提高。

3)柱的抗剪承载力可以提高(尤其对于短柱和抗震非常有用)。这三点的提高，可使柱中的混凝土应力应变曲线关系发生变化，变高，变长，体现在截面设计中就是构件的极限曲率大了，轴压比限值和相对受压区高度限值都能够相应放松;混凝土强度提高，柱配筋也相应减小。

5.3 柱、梁、板的加固

1)部分框架柱在地震作用下抗弯纵筋不足，且实际配筋面积与验算所需配筋面积差距较大，因而采用外包钢法，用角钢的有效截面面积代替需要增加的纵筋面积。纵筋能够满足要求的情况下，尚有箍筋不够的情况则采用碳纤维加固的方法。

2)主梁的加固。12 m跨度的框架梁，截面400×960，原次梁位置不变，增加分隔墙，不影响使用功能的前提下，新增次梁采用铰接支座，植筋仅作为固定作用，避免了采用刚接节点时的种种弊端，见图3。框梁原配筋满足梁受弯承载力要求，但次梁搁置处需进行抗剪加固，U形箍两端外贴100 mm宽压条进行锚固，见图4。

3)板采用碳纤维加固，出现在新旧结构交界附近的支座处，采用单层碳纤维布粘贴于板面，宽度为100 mm，轴线距离为500 mm。

图3 新增次梁与框架梁的搭接

图4 碳纤维加强箍

5.4 基础的加固设计

在本次的加固改造中，人工挖孔桩是一个有利的条件，直径较大，抵抗侧向变形能力较强，具有较好的稳定性，承载力也有富余，但个别位置的桩位布置在改造设计中也有新的问题，见图5。○12轴～○13轴间为走廊，○12轴和○13轴上有填充墙，如果仅仅在原基础平面上增大基础面积，承载力没有问题，但是在拆除填充墙的卸载过程和以后的加载过程中如何保持结构的自稳定成为一个新的问题，两柱一桩如天平般的平衡状态势必会被破坏。为解决这一问题，图6的改造方案在原承台两侧各增设人工挖孔桩，增大承台范围，形成联合承台。

图5 原基础平面

图6 改造基础平面

图7 新老承台的连接

图8 抗剪槽的做法

5.5 新旧承台的连接以及抗剪槽

结构加固的一个关键问题就是新旧结构之间的协同工作以及新旧结合面的连接问题。

与天然基础的按地基承载力计算底面积不同，多桩承台的底面积一般按构造要求，对承台高度则需进行冲切和抗剪验算。在条件允许的情况下，新旧承台的连接可以在不进行钢筋锚固的情况下实现，同时也避免了新桩与老承台的连接问题。本工程原承台标高－2.900，室外地坪的设计标高－0.900，在旧承台顶面上重新增加新承台不影响使用功能，如图6，图7所示。

混凝土规范中的抗剪验算，是解决斜截面抗剪的问题，新旧混凝土面的连接不是斜截面抗剪的问题，而是直截面“抗滑移”的问题，规范没有解决，但是在加固设计时必须考虑这个问题。新旧混凝土界面设置“抗剪键”，做法是新增界面的中部位置老界面凿毛时向内凿出200宽25深的抗剪槽，界面凿毛后清除浮灰及松动残渣，涂刷混凝土界面剂后浇筑新增混凝土，新增梁混凝土强度等级比原结构大一级，见图8。