某板柱-抗震墙结构书库功能改造设计与施工控制

2020-04-07董贺勋薛书洋

安徽建筑 2020年1期

董贺勋，薛书洋

（南京大学建筑规划设计研究院有限公司，江苏南京210000）

1 工程概况

某高校图书馆书库部分建成于1984年，地上部分为7层，其中1～6层层高2.400m,7层层高为4.800，室内外高差1.200m，屋面结构高度为20.400m，柱距为5.000m×5.000m，平面及剖面详见图1、图2，结构形式为板柱-抗震墙结构，其中2、4、6层楼板为110mm厚钢筋混凝土现浇楼板，即为“软板层”，该楼层通过设置1.250m×1.250m间距的方钢管支撑于硬板层或建筑地坪，软板与框架柱相连处采用钢埋件连接。原设计3、5、7层及屋面板为采用升板法施工的200mm钢筋混凝土楼板，即“硬板层”，原设计柱帽平面尺寸为1900×1900，锥形柱帽边缘高度50mm，柱帽高度560mm，柱帽剖面详见图3，原设计混凝土墙、柱及楼板混凝土强度等级均为300号（相当于C28左右），原框架柱尺寸500mm×500mm，基础形式为桩基础。

2 加固方案的选择

由于建筑功能的调整，该书库部分调整为院系科研试验楼，根据功能需求，原有净高无法满足科研设备的使用和安装要求，用于科研区域则因其净高过低，造成空间压抑感。经与建设方协商，决定拆除2、4、6层楼板，该房屋由改造前7层变为改造后4层，各层层高均为4.800m，获得了较好的使用效果。

图1

图2

图3

拆除软板层后，按照原有结构尺寸建模计算，经计算，层间位移角不满足规范要求，框架柱截面及配筋不满足计算要求，通过计算并考虑施工的便宜性，确定采用增大截面法对柱进行加固，框架柱加固后截面为700mm×700mm，即每侧加大125mm。加固实施结构方案有如下两种，方案1：维持原结构形式，即仍为板柱-抗震墙结构；方案2：拆除柱帽，增设框架梁，将结构形式改为框架-抗震墙。

方案1：进行改造后仍为板柱-抗震墙结构，因进行加固后框架柱纵向钢筋需穿过原有柱帽，原设计柱帽为锥形，施工难度大，且在原有柱帽范围内无法设置箍筋，不能对增大截面部分的框架柱纵向钢筋在梁、柱节点区形成有效约束；另，由于节点核心区混凝土为原有混凝土，强度等级较低，无法通过加固替换该部分混凝土，不符合强节点、弱构件概念设计理论；该建筑设计完成于1983年，原有柱上板带中未设置暗梁，不符合《建筑抗震设计规范》中关于设置构造暗梁的要求，即无防楼板脱落的措施，楼面荷载仅靠柱帽进行传递，无延性防强震破坏措施。可知进行加固改造，若仍维持原有板柱-抗震墙结构方案，因其存在多处不符合概念设计要求而不具备可行性。

方案2：若改造为框架-抗震墙结构，则需要拆除柱帽，否则框架梁纵向钢筋无法通过梁、柱节点区，经计算，框架梁截面400×350即可满足规范各项指标要求，由于框架柱内纵向钢筋需要穿越节点核心区，并绕开原框架柱所在位置，在梁柱节点处通过设置水平加腋的做法保证纵向钢筋在节点区通过，如图4.a，由于钢筋需在加腋处进行弯折，对应纵向钢筋在节点核心区内两个方向钢筋交叉处需再次弯折，钢筋加工和钢筋的就位都存在较大困难。考虑到施工因素，框架梁截面调整为750×350，见图4.b做法，此时钢筋仅需在梁柱节点核心区钢筋交叉处弯折即可，施工方便构造简单。

图4 （a）

图4 （b）

为了混凝土梁浇筑施工方便，在梁顶对应于新增梁位置沿梁净跨等间距开设3个200mm×300mm混凝土浇筑孔，为增加新增梁与原有楼板的受力及变形协调，在浇筑孔内设置抗剪钢筋，在无浇筑孔位置按200mm间距设抗剪钢筋，并将板底凿毛方便新老混凝土更好的结合。

3 施工方案

由于改造建筑为升板结构，各层楼板仅靠承重销和后浇筑柱帽与预制柱间齿槽将楼层荷载传给框架柱，柱帽是传递荷载的唯一构件，因其施工年代久远，柱帽内构造无法检视，拆除柱帽前必须对柱帽进行完全卸载，并保证在框架柱加固和新增框架梁施工期间楼板变形控制在允许范围内，合理制定施工方案，并对施工过程中楼板的变形进行监测十分必要。

施工方案以两个楼层作为一个施工流水段，按如下步骤进行加固施工：①建筑地坪以下框架柱截面加固和地坪施工；②设置支撑，实现柱帽卸载，并设置变形检测装置；③间隔轴线拆除柱帽；④施工拆除柱帽轴线梁、柱。

①建筑地坪以下框架柱截面加固和地坪施工。因框架柱需进行增大截面法加固，加固框架柱前需对各框架柱周围逐个开挖至承台顶，将原框架柱表面凿毛，将框架柱新增纵筋植入原有承台，纵筋预留至非连接区段以上标高，并合理设置钢筋连接区段，将框架柱加固至建筑地坪标高以上并预留施工缝，对柱周围开挖范围采用3∶7灰土分层夯填至建筑地坪底。由于该建筑首层需布置大量试验设备基础，地坪基层采用配有双层钢筋的加厚结构板，待地坪基层达到设计强度之后兼作施工支撑的可靠支撑面。

②设置支撑，实现柱帽卸载，并设置变形检测装置。为实现柱帽的完全卸载，并考虑到两个楼层作为一个施工流水段，施工支撑选择了格构柱式施工支撑，即每个柱帽处设置一根格构柱，格构柱由4个HW200×200工字钢柱肢，L56×36×5角钢缀条构成，实现对原结构的脱换，为实现格构柱顶部与楼板的完全顶紧，在格构柱每个柱肢顶设置带丝扣可调柱肢长度的托板，通过调整丝扣实现每个柱肢对楼按的完全顶紧，该机构也可根据变形监测的反馈情况对格构柱的各柱肢长度进行调节。支撑柱柱肢底设置化学锚栓与楼板或结构地坪可靠相连。

按照施工活荷载取1.5kN/m2，恒荷载按实际计算值取用，经验算格构式施工支撑最大弹性变形为1.16mm，格构式支撑具有足够的刚度。

③间隔轴线拆除柱帽。拆除过程采用同层间隔轴线、同一施工段的两个楼层也按间隔轴线拆除柱帽的施工顺序。由于格构式施工支撑较无变形的原有柱帽存在变形上的差异，托换过程会使楼板产生附加变形和应力水平的变化，采用该施工顺序拆除柱帽减小了楼板产生附加变形的的应力叠加效应，避免出现格构式施工支撑同时承受两个楼层荷载的工况，不同施工段间也按此方法设计施工顺序。

④施工拆除柱帽轴线梁、柱。在拆除柱帽之后进行柱、梁施工，垂直于该轴线方向的框架梁，间隔轴线分别施工至对应跨度的1/3和2/3,再施工相邻跨的后浇梁，实现新增框架梁截面不在同一位置设置施工缝，后施工的垂直方向框架梁段采用微膨胀混凝土，实现对已浇筑梁段混凝土的收缩补偿。

4 变形控制和变形调节

为了监测楼板的变形情况，在每层楼面上设置10个变形监测点，用以检测楼板的竖向变形，布点位置如图5所示，变形检测数值以5d为一个监测周期，检测结果显示一个监测周期内相邻监测点的变形差最大值为0.20mm，施工过程中通过调整柱顶丝扣对各点的变形实施反向调节，即对变形较大点格构柱长度伸长，减小变形，对于竖向变形较小点适当缩短格构柱柱长，使对应点变形适度放大，从而达到控制楼板变形差的目的。整个检测周期内累计沉降变形差最大值为3.55mm，其变形允许值参照《建筑地基基础设计规范》相邻框架柱地基允许沉降差，楼板变形值均小于规范限值。