某银行办公楼主体结构安全性鉴定及改造加固设计

2020-02-14安贵仓唐晓琳魏常宝杨士豹刘恒镇

广东土木与建筑 2020年1期

安贵仓，唐晓琳，魏常宝，杨士豹，刘恒镇

（甘肃土木工程科学研究院有限公司兰州730020）

0 引言

本文通过对某银行办公楼检测鉴定及改造的实践，提出了一些经济合理的改造措施，既满足了业主的需求，又避免了大拆大建造成的不必要浪费。经过对建筑主体结构的检测鉴定，并结合建筑改造后使用功能的改变，对原结构进行了加固和改造设计，以达到新业主的使用要求。针对本工程的检测、鉴定、改造与加固设计工作流程，归纳总结了从整体结构的检测鉴定到局部结构的加固设计思路和流程，通过计算结构在加固前后的指标并进行比较，结构加固后，结构的刚度有了较大幅度的提高，抗震性能得到了较大的改善，为同类工程的鉴定和加固提供一定的参考［1］。

1 工程概况

某银行办公楼始建于1996 年，原建筑功能为办公、餐饮、住宿为一体的综合楼，因该建筑地处某商业繁华区域，拟对该楼进行加层改造后作为某银行办公楼使用。该楼为框架-剪力墙结构，长45.7 m，宽24.7 m，建筑高度71.70 m，平面布置呈矩形，地下2层，地上21层，其中1～4 层带裙房，20 层、21 层为局部两层，建筑面积为21 300 m2。拟将该建筑局部20 层（原19 层屋面）处增加1 层，作为多功能会议室使用，其余各层均按银行办公楼的建筑功能要求进行改造。该楼原设计基础为箱型基础，持力层为卵石层。该楼结构布置平面图如图1所示。

2 结构鉴定

2.1 结构抗震整体计算分析

图1 办公平面布置Fig.1 Floor Plan of the Office Building

该楼抗震设防类别为丙类，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8 度（0.20g，第三组），特征周期0.45 s，多遇地震影响系数最大值0.16，周期折减系数0.9，结构阻尼比0.05，考虑偶然偏心，剪力墙抗震等级为一级，框架抗震等级为二级，地面粗糙度为C类。

计算荷载根据原建筑功能和做法，结合现行《建筑结构荷载规范》［2］取值。因该楼混凝土强度实测满足设计要求，故抗震承载力复核验算时，混凝土强度按原设计强度等级取值。

对该楼改造前的结构进行抗震整体计算分析与抗震鉴定，验算分析与鉴定结果如表1、表2 所示，柱抗弯、抗剪、抗压承载力，梁抗弯、抗剪及板抗弯承载力验算结果均满足现行《建筑抗震设计规范》［3］要求。

2.2 安全性鉴定

对该楼整体倾斜进行检测，整体倾斜在现行《民用建筑可靠性鉴定标准》［4］允许范围内，上部结构在目前荷载状况下未发现沉降裂缝、变形和位移，地基基础现状完好；基础混凝土强度均满足原设计要求，依据文献［4］，该楼地基基础安全性鉴定评级为Au级。

表1 改造前承载力验算结果Tab.1 Checking Calculation of Bearing Capacity and Results of Seismic Appraisal before Transformation

依据文献［4］，先对各类型构件的各项安全性鉴定指标进行评定，再对构件集进行评定，再次对上部承重结构的安全性进行综合评定，得到该楼上部承重结构的安全性为Cu级。

该楼主体结构的安全性鉴定评级，应根据地基基础、上部承重结构的安全性评定结果进行评级。因此该楼结构安全性评级评为Csu级，即安全性不符合文献［4］对Asu级的规定，显著影响整体承载，应采取措施进行处理。

3 加层改造结构的整体抗震计算分析

3.1 加层改造设计

根据业主的使用要求，对该楼进行建筑功能整体改造，20 层（原19 层屋面）拟增加1 层，改造为大空间多功能会议室，其余均按银行办公楼功能进行改造。为达到业主需要的使用功能，对新加层结构部分的结构体系应考虑到工期短、重量轻和地震作用影响小等优点，加层部分的大空间房屋采用单层门式刚架结构进行，加层改造结构布置如图2所示。

3.2 加层改造设计分析

图2 新增钢结构改造平面布置Fig.2 Plane Layout of New Steel Structure Reform

表2 改造前柱、梁抗震构造措施鉴定结果Tab.2 Identification Results of Seismic Measures for Columns and Beams before Reconstruction

加层的钢结构柱布置在下部钢筋混凝土框架柱顶，尽量避免新增钢结构放置在钢筋混凝土结构梁顶，不能将新增钢结构布置在钢筋混凝土屋面板顶。加层钢结构柱脚与下部混凝土柱顶采用螺栓加外包钢筋混凝土柱帽铰接柱脚的连接方案，并且在加层结构外围设置纵横向钢筋混凝土“地梁”，该“地梁”除与加层钢结构柱脚可靠连接，还应与原结构周边屋面梁顶面可靠连接。加层改造后对该楼的整体结构重新进行结构抗震计算与分析［1］。

3.3 加层改造后的结构性能分析

建筑各层改造部位建筑功能和内部布局发生变化。建筑加层处使用功能发生了变化，楼面均布活荷载标准值增大为3.5 kN/m2，其余新增荷载为加层结构柱脚内力。加层后整体结构实际为混合结构，为简化计算，将局部加层简化为各种“荷载”，加到结构顶部。因加层面积所占全楼面积很少，故结构计算时仍按钢筋混凝土结构进行，将加层结构根据实际荷载简化为柱顶集中荷载（包括恒荷载和活荷载）。改造后的结构抗震承载力计算与抗震鉴定结果如表3、表4所示。改造后柱抗弯、抗剪、抗压承载力，梁抗弯、抗剪及板加层处抗弯承载力验算结果部分不满足文献［3］的要求。

该楼19层屋面加层及改变了部分使用功能后，经分析下部结构抗震整体性满足规范要求，但下部结构局部框架梁、框架柱承载能力及加层部位屋面现浇板受弯承载力不满足要求。因此，该楼必须先对结构加固处理后方能进行加层改造。

4 加固方案

选取按照经济、安全、适用的原则，在加固设计中应有效利用原结构设计的富余量，充分发挥原有构件的潜力，采用材料具有与原结构相同并有效地进行连接、造价低、坚固耐用及尽量减少湿作业等特点，更加符合改造加层结构的使用性［5］。针对承载力不满足要求的下部结构构件，综合应用粘贴碳纤维布加固法、粘贴钢板法、外粘型钢法加固以及增大截面法等技术。

表3 改造后承载力验算结果Tab.3 Checking Calculation of Bearing Capacity and Results of Seismic Appraisal after Transformation

4.1 框架梁的加固方法

对受弯、受剪承载力不满足的部分框架梁根据不同情况，采用粘贴碳纤维布加固法、粘贴钢板法、外粘型钢法、加大截面法加固梁，用以补充梁的配筋量不足，达到提高梁的正截面受弯承载力和斜截面受剪承载力的目的［6，7］。梁加固做法如图3所示。

图3 框架梁加固示意图Fig.3 Schematic Diagram of Frame Beam Reinforcement

表4 改造后柱、梁抗震构造措施鉴定结果Tab.4 Identification Results of Seismic Measures for Columns and Beams after Reconstruction

4.2 加层部位梁板加固方案

针对19 层屋面加层部位，因改变使用功能新增荷载后，使该部位原结构现浇板的受弯承载力不满足。加固时对该部位原屋面防水、保温层做法均应清除至现浇板结构层，然后采取对加固面层除尘、接触面清理、表面打磨平整的措施。因该现浇板属连续双向板，加固主要采取双面双向加固，加固方法采取板顶加大截面法（即新增叠合层），板底粘贴碳纤维加固的方法。板顶新增40 mm 厚钢筋混凝土叠合层，叠合层布置如图4 所示，板底碳纤维加固示意图如图5 所示。对加层改造部位的框架梁采用增大截面法进行加固处理［8］，做法如图6所示，次梁承载力不采用补强钢筋的方式进行加固处理，做法如图7所示。

4.3 框架柱加固方案

对承载力不足的框架柱，采用外粘型钢法进行加固处理，做法如图8所示。

图4 板顶增浇叠合层平面Fig.4 Layer Plane of Increased Casting on Plate Top

图5 板加固示意图Fig.5 Schematic Diagram of Plate Reinforcement

图6 板顶增浇叠合层主梁增大截面加固示意Fig.6 Strengthened Sketch of Enlarged Cross-section of Main Girder with Additional Pouring Composite Layer on Top of Slab

图7 板顶增浇叠合层次梁加固示意图Fig.7 Schematic Diagram of Reinforcing Laminated Beam with Additional Pouring at the Top of Slab

图8 柱加固示意图Fig.8 Schematic Diagram of Column Reinforcement

5 结构加固前后的主要整体指标对比

由于结构改造加固后，上部结构荷载部分相应增大，为了确保其安全性，对加固后结构进行整体验算复核。经对加固前后计算数据进行对比，该楼加固后相比加固前构件承载力均有所提高，结构的安全性也有提高，抗震性能也得到了改善，结构满足构造也能够满足抗震要求。结构加固前后整体抗震验算对比结果如表5所示。

6 结语

本工程在改造与加固设计中综合考虑结构的功能要求及力学性能，充分利用原结构力学性能，选择了多种结构加固设计方案，尽量使结构加固设计达到最优化状态。本工程采用的结构加固方法通过再次整体抗震验算，证明了此次结构加固能够全面提高该楼结构的整体承载，其抗震性能也有了较大程度的增强［8，9］。该楼改造与加固后投入使用6年多，经多次现场查看，该楼未发现异常现象及结构裂缝、变形，改造及加固结构连接牢固，该楼的加固方案合理有效。改造设计满足了该建筑新的使用功能要求，加固设计满足了改造建筑的安全［11］使用要求，可为今后同类工程的鉴定、改造与加固提供借鉴［1］。