既有建筑增设悬挑结构加固改造设计

晋哲锋 （安徽省城乡规划设计研究院，安徽 合肥 230022）

1 概述

随着我国科学技术和社会经济的快速发展，生活水平不断提高，人们越来越重视建筑物是否安全环保、美观实用。随着社会的进步和时间的推移，许多建筑物的结构和功能已无法满足要求，因此如果可以有效解决既有建筑物的加固、改造、修复等方面面临的问题，将为这个社会的发展提供更好的机遇[1]。根据现状情况对建筑物进行加固和改造，使其能够满足正常使用和安全性的要求或实现“旧建筑、新功能”的目标，已经成为目前诸多工程设计人员和研究团队重要课题方向。

2 工程概况

该工程为某基地综合业务用房，位于合肥市滨湖新区，采用钢筋混凝土框架结构，于2013年底竣工并投入使用至今。主体结构地上8层，无地下室，除首层为业务用房，层高3.90m外，其余以上各层均为单人宿舍，层高3.60m，结构总高度29.10m。工程结构安全等级二级，结构重要性系数1.0，设计使用年限50年，抗震设防烈度Ⅶ度（0.10g），地震分组第一组，风荷载0.35 kN/m2，框架抗震等级二级，建筑场地类别为Ⅱ类。

3 改造加固的范围和内容

由于该工程2～8层原先按照单人宿舍设计的使用面积已不能满足业主要求，为扩大使用面积同时实现对原外墙保温、隔音品质等提升的需求，针对建筑物现状涉及的改造内容有：①该工程2～8层南北两侧均外挑1m，如图1所示；②原南北两侧煤矸石空心砖砌筑外墙统一拆除，为减轻自重改用蒸压加气混凝土砌块砌筑。

图1 新增悬挑平面图

4 改造加固的技术原则

①整体考虑，全面分析的原则[2]，通过调研发现该工程原设计采用的是现行规范，施工及验收资料齐全，因此判定该结构整体符合原设计要求；②局部与整体加固的原则[3]，通过计算控制柱轴压比、基础承载力等关键结构构件满足规范限值的情况下，推算出结构的最大外挑长度为1m，扩展后的空间经业主单位确认能够满足使用要求，所以仅需局部加固，既充分发挥原有结构的整体性能，又避免对整体结构进行加固，对改造成本的控制及施工具有重要意义[4]；③混凝土改造加固需与施工方法紧密结合，把握对原有结构不动或少动的原则，尽可能减少对原有结构的破坏和损伤，同时采取有效措施，确保新增结构与原结构的连接可靠。本工程改造加固设计、施工过程中多次召开专家会，并和施工单位充分沟通，优化调整设计方案。

5 加固改造的技术措施

①整体指标验算：经过改造前后计算模型的对比分析可以得出整体参数变化不大，计算结果均满足规范要求，如下表所示。由于增加结构悬挑，2层及以上各层自重有所增加，刚重比略有下降，自振周期、弹性层间位移角稍有增大，改造前后最大层间位移与平均层间位移的比值完全一致，与该工程竖向抗侧力构件未做任何改造加固调整的实际工况是相符的。

②承载力验算：通过比较分析，增加结构悬挑后由于外边柱梁端弯矩加大，分担了更多的内力，因而外边柱轴压比增加明显，内排柱轴压比略有降低，外边柱最大轴压比由0.68增至0.74，内排柱最大轴压比由0.70降至0.67。通过调整结构外挑尺寸满足抗震等级为二级的框架柱轴压比不超过0.75的规范限值，最终确定结构外挑尺寸1m。该工程采用柱下独立基础，持力层为粘土层，地基承载力260kPa，竣工投入使用7年，未发现由地基承载力不足或不均匀沉降造成的结构缺陷。经过验算除局部外边柱下基底平均压力值超过地基承载力外，其余大部分基础能够满足承载力验算要求，且超出的幅度亦在5%范围内，考虑地基土的“压密效应”地基承载力可予以提高[5]，使其增加的荷载由原地基土承担，因此在施工过程中采用沉降观测进行动态跟踪，辅助设计判断基础是否安全。

改造前后结构参数对比

图2 加固改造后结构整体模型

6 关键节点设计

改造工程中新增梁、板节点均有比较成熟的做法，采用植筋等技术成熟、施工方便可靠。但该工程新增部分由于是悬挑结构，目前没有统一的规范、图集等成熟的设计方法。按照以往类似工程案例，悬挑结构可分为混凝土悬挑和钢结构悬挑，钢结构悬挑造价较高，对施工安装精度要求高，在框架柱上固定悬挑钢梁预埋板的植筋数量多，对原结构有一定损伤，且后期墙体砌筑及装修工序繁琐，隔音吸声效果不理想，因此该工程拟采用混凝土悬挑的做法。在后加悬挑结构中，混凝土悬挑梁与原结构框架柱的连接节点是悬挑设计的关键节点。前期设计方案中，采用后锚固植筋与柱子直接连接的常规做法，但在设计方案的讨论过程中，提出梁柱节点核心区位置原有钢筋接头数量较多，植筋施工较困难，且柱子在植筋方向上高度亦不能满足植筋深度的要求。因此，经过多次修改完善悬挑节点方案后确定采用上翻悬挑梁+钻孔+柱墩的做法，节点如图3、图4所示。

图3 新增混凝土悬挑梁与原框架柱连接节点平面图

图4 新增混凝土悬挑梁与原框架柱连接节点剖面图

加固改造节点中受力复杂，钢筋交叉多，施工难度大，做好关键节点的设计是加固改造的重点。该种节点设计避免了在梁柱节点核心区钻孔植筋，同时选择在柱子4根纵筋间钻孔布置悬挑梁顶部的3根受力主筋，由于柱子在悬挑方向高度不满足植筋深度要求，因此在柱子背面设置一个柱墩，和原有梁柱绑在一起，悬挑梁的3根受力主筋均锚固在柱墩内，确保了悬挑结构工作机理的牢固可靠，同时采用高压注浆封闭孔洞，与新增柱墩一起降低由于穿筋开孔后造成柱子损伤的不利影响。综合来说，此方案受力直接，做法可靠，施工方便，得到了业主和施工单位的高度认可，取得了较好的社会效益。

7 结语

我国建筑业随着国民经济建设的快速发展，在经历大规模的建设之后，也将进入改建与新建并重时期。对已有建筑物结构的鉴定、加固和改造已成为国内外建筑工程界普遍关注的热点问题。本文结合实际工程简要介绍了悬挑结构加固改造的基本原则和技术措施，但由于改造加固项目现况的不确定性，因此加固方法及加固工艺也不尽相同。随着经济及技术的不断发展进步，结构加固理论及加固材料也在逐渐完善和创新，加固改造越来越显示出其社会和经济效益。