某老旧建筑改造工程的结构设计方案

郭振东

(山西省建筑科学研究院有限公司，山西 太原 030001)

1 工程概况

本工程为太原市某临街老旧建筑改造工程，20世纪80年代建成并投入使用。该建筑为砌体结构，地上3层；局部存在内框架：现浇梁支撑于周边墙体形成大空间体系。现今，业主与设计单位沟通后提出可行的建筑功能改造要求；同时要求设计单位根据该建筑的《鉴定报告》(第三方检测机构提供)对该建筑已存在的安全隐患进行相应解决。

2 工程中存在问题

该建筑现状平面如图1所示(现状结构平面图)：根据《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》)7.1.2第二款注，可知该建筑属于横墙很少的结构(未超过《抗规》7.1.2条8度0.2g丙类建筑高度12 m及层数4层要求)；现状楼面及屋面处设置圈梁，但全楼未设置构造柱：不满足现行《建筑抗震设计规范》(以下简称《抗规》)7.3.1(强条)；7.3.2;7.3.8(强条)。

通过建模计算分析可知：梁端支撑处砌体局部受压承载力不满足现行规范《砌体结构设计规范》(以下简称《砌规》)5.2.4要求；墙体抗震验算不满足《抗规》7.2要求。

该建筑建成初使用功能为办公(某国有企业行政办公)；多年后，企业从该建筑搬离，办公楼用于商业出租(1层为临街商铺，2层、3层用于培训机构培训、办公使用)。商业出租期间，2层、3层租户因业务使用要求，未与房东(也即本工程业主)协商，私自后砌砖墙对2层、3层进行分隔(图1：2层/3层平面图中阴影部分为租户后砌墙，后砌墙体材料为机制烧结砖)，形成下部大开间，上部为小开间的结构体系。现状结构墙体沿竖向不连续，不利于抵抗地震力(详见《抗规》7.1.7条第二款)。

业主要求建筑改造后：2层、3层可满足大空间餐厅及商铺使用功能要求。根据现行《建筑结构荷载规范》5.1可知：2层、3层建筑功能由办公改造为餐厅后，楼面活荷载增大(2.0 kN/m2调整为3.5 kN/m2);原结构梁、板不满足改造后功能使用要求。

3 改造方案

墙体采用钢筋混凝土板墙加固，通过在钢筋混凝土板墙纵横墙交接部位设置配筋加强带来代替构造柱，解决既有建筑中构造柱布置不满足《抗规》的问题。

在现浇梁下支撑部位新增壁柱，并与原有墙体采取有效连接措施。可以解决砌体局部受压承载力不满足的问题。

针对墙体抗震验算不满足及墙体沿竖向不连续的问题，同时考虑业主提出改造后的功能要求。综合考虑提出改造方案：首先将2层、3层租户后砌墙体拆除，并对原结构梁、墙体进行加固(拆除墙体可以满足业主的大空间需求；同时也可以减轻上部荷载，对结构体系较为有利。同时要考虑不利情况：改造完成投入使用后，2层，3层租户仍有可能因使用需求而砌墙，先前的结构隐患可能再次出现。所以，设计时梁上荷载按照重量较轻的砌块考虑，并对相应结构构件进行加固。同时将此意见及隔墙砌筑要求告知业主，方便其日后管理，减少可能的安全隐患。业主对设计方提出的意见表示认同)。1层～3层增设框架梁、柱，墙体采用钢筋混凝土板墙加固(混凝土板墙单侧加固时厚度140 mm,双侧加固时单面厚度70 mm)。使得整个结构体系合理，各项计算结果满足《抗规》要求。

按照改造后楼面活荷载建模计算，确定对结构梁、楼板进行加固。

4 设计参数的确定

1)加固设计使用年限。

原有建筑建成于20世纪80年代，经与甲方协商讨论，按照现行《建筑抗震鉴定标准》1.0.3；1.0.4要求，该建筑按照后续使用年限30年考虑。

2)抗震设计参数。

该建筑为商业建筑，建筑面积1 200 m2，根据《建筑工程抗震设防分类标准》(以下简称《设防标准》)6.0.5条及条文说明，抗震设防类别应划分为标准设防类。根据《抗规》附录A.0.4规定：太原市抗震设防烈度为8度(加速度0.2g，第二组)，按8度采取抗震措施。建筑结构安全等级为二级。

3)考虑到既有结构为砌体结构(存在既有内框架梁)，改造中要新增框架柱，按照《建筑抗震加固技术规程》(以下简称《抗震加固技术规程》)5.1.3条及条文说明：墙体加固时按照改变结构体系考虑。

4)墙体加固采取增设钢筋混凝土板墙加固(混凝土板墙单侧加固时厚度140 mm,双侧加固时单面厚度70 mm；根据《抗震加固技术规程》5.1.3条文说明：双面设置板墙且合计厚度不小于140 mm时，可视为增设钢筋混凝土墙。5.1.3条正文：新增的混凝土墙应计入竖向压应力滞后的影响并宜承担结构的全部地震作用。5.3.8条：双面板墙加固且总厚度不小于140 mm时，其增强系数可按增设混凝土抗震墙加固法取值。增设抗震墙加固设计详见本5.3.10～5.3.12)。

5)设计荷载：《建筑结构荷载规范》5.1.1规定(如表1所示)。

表1 设计荷载

5 设计内容

5.1 墙体设计

板墙混凝土强度等级为C25，厚度为70 mm，局部140 mm(山墙部位相邻建筑，为方便施工采用单面加固，厚度：140 mm;1层轴外侧墙垛裂缝明显，双面板墙加固单面厚度100 mm；楼梯间结构安全要求更严格，墙体双面加固时单侧厚度为80mm。竖向钢筋12，间距200；水平钢筋8，间距200)。计算程序采用PKPM2010(V4.2)结构设计计算软件系列中的鉴定加固模块进行结构计算。1层墙体增加钢筋混凝土板墙抗震验算计算结果详见图2，新增钢筋混凝土板墙新增混凝土条形基础(埋置深度按室外地下-1.0 m考虑，深于太原冻土深度0.8 m。若原基础埋深较浅，则生根于原结构基础深度；实际施工基坑开挖后，发现原结构基础较-1.0 m更深)。

5.2 增设壁柱设计

增设壁柱混凝土强度等级为C25，设计以《砌体结构加固设计规范》进行设计(计算方法：增设壁柱主要以提高局部承载力为目的，计算公式详见11.1.4，改造要求见11.1.2)。模型建模时输入新增柱，设计中此部分新增柱与原有墙体贴近时采取可靠的连接措施，砌体受压计算时及局部受压计算时此部分柱按壁柱考虑。

5.3 结构整体计算分析

新增框架柱与可视作改变结构体系的墙体组成新的结构体系(采取符合《抗震加固技术规程》5.1.3的措施对墙体采用增设钢筋混凝土板墙加固，可视作改变结构体系)。框架(梁、柱)设计时，按照框架—剪力墙模型进行建模计算，将墙体厚度设置为140 mm(部分混凝土墙体厚度为200 mm。即对框剪模型计算时，墙体中砌体部分不考虑，仅考虑混凝土部分)。按照《抗规》6.1.2条确定：框架等级三级，抗震墙等级二级。

通过计算结果发现：部分原结构结构梁不满足承载力要求(Ⓒ轴梁截面尺寸200×350，③轴～⑨轴梁截面尺寸250×600；因原始施工资料欠缺，施工中拆除2层、3层后砌墙时发现2层、3层Ⓒ轴缺少结构梁)，须对Ⓒ轴现浇梁进行扩截面加固(梁扩截面后为：300×650，纵横向主次梁关系发生变化；2层、3层Ⓒ轴新增框架梁；调整模型重新计算)。结构体系整体计算结果见表2。

表2 结构体系整体计算结果

以上计算均满足规范规求。

5.4 结构梁、板加固设计

按照建筑使用功能改变(对应的结构活荷载增大)，对模型调整计算。复核计算结果，对不满足承载力要求的楼板：板底及板顶采用粘贴碳纤维复合材加固(设计中主要参考规范条款见《混凝土结构加固设计规范》：10.1，10.2，10.9。设计结果：板底通长粘贴碳纤维布1T-100@250；板顶粘贴碳纤维布1T-100@250，伸出支座边1/3支座跨度。1T-100@250表示粘贴1层碳纤维布-宽度100-间距250 mm,本工程碳纤维布采用0.167 mm厚,抗拉强度设计值不小于2 300 MPa，高强度Ⅰ级碳布(300 g))。

屋顶楼板除存在承载力较差的问题，施工现场还发现屋顶板存在渗水现象。屋顶板加固时采用增设混凝土叠合层加固(先铲除原有建筑防水保温层，然后增设混凝土叠合层，最后重新做防水保温层。既可以提高屋顶板结构承载力，同时解决原有房屋存在的渗水保温的问题。增设混凝土叠合层，按照扩截面加固法设计，主要参考的规范条款见《混凝土结构加固设计规范》：5.1；5.2；5.5。设计结果：50 mm厚C30混凝土；钢筋单层双向直径8间距250;钢筋强度HRB400)。

对不满足承载力要求的梁进行加固(②轴～⑨轴横向梁的梁底、梁顶进行粘钢板加固。设计时参考规范章条款见《混凝土结构加固设计规范》9.2；9.3；9.6)。

5.5 施工注意事项

考虑本工程加固工程量较大而且复杂，施工中要拆除较多墙体存在安全隐患。为确保施工安全，特别对此做出说明：

1)墙体拆除在加固施工前进行，应对传递荷载的楼板进行卸荷支撑；先三层后二层进行拆除。加固施工时，应先加固竖向构件(墙体)，再加固水平构件(梁、板)。

2)施工时剔凿注意事项：剔凿前应根据受力情况确定是否应加支撑系统；剔凿时应重锤轻敲；剔凿过程中尽量避免损伤需保留的原有结构构件。

3)本工程所涉及到的改造区域，原结构构件应进行普查。发现钢筋锈蚀须进行处理；若锈蚀严重、影响结构安全，须与业主、设计、监理共同协商，进行加固处理。

4)由于该建筑是既有结构，构件实际尺寸与设计不尽相符，因此在施工前应对原结构的主要尺寸进行复核，然后下料施工。当构件实际尺寸与图中所示尺寸不符时，应以实际尺寸为准，当相差较大时应与设计人员协商。

5)施工中如发现结构存在破损等隐患时，应及时与业主、设计方、监理沟通联系。

6 结语

随着城市发展，老旧建筑改造项目日益增多。除了老建筑遗留的安全隐患要解决，还应注意建筑功能变化对原有结构的影响。设计中，设计人员对问题要归纳整理，不能缺项漏项；改造方案除应满足国家规范要求，还要合理可行；施工中发现问题，应及时调整；设计结果应确保结构整体性能和构件安全均能得到满足。