大跨度混凝土结构加层改造设计分析

贾传胜，陈武雄

（深圳中建院建筑科技有限公司，广东 深圳 518000）

随着建筑工程的投入使用，其结构会随着环境、时间的变化而产生各种程度的损伤，从而极大地降低建筑的耐久性及可靠性。随着人们对建筑的要求越来越高，就需要针对建筑的结构进行综合评估，结合实地调查数据，制订出合理的加层改造方案，进而提高原建筑的使用质量及安全性。

对于混凝土结构来说，其加层改造技术已经越来越成熟，改造方法也越来越多，加固的技术也越来越完善。但是，由于不同的方法有不同的优势与劣势，且适用的范围也不同，因此相关施工单位在对大跨度建筑混凝土结构进行加层改造时，应充分结合建筑的实际情况，在保障建筑安全可靠的基础上，最大限度地满足加层改造的需求，确保施工方案的合理性。

1 项目工程简述

某建筑工程项目为综合性写字楼，其结构包含了地下的2层，地上的22层，建筑面积共计为28721m2。该建筑的主体结构为框架剪力墙结构，以桩筏作为基础，其局部结构的平面图如图1所示。其中2-5-E-H表示的是新建的地上建筑部分，其他均为原有的建筑结构。新建建筑部分为原先建筑中的地下2层，地上的部分为空地，现计划新建3层钢结构，与建筑的主体结构实现连接。

根据《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2012）及《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367—2013）中的相关标准规定，利用PKPM来进行建模计算，发现原建筑的桩基承载力不足，地下2层中部分柱的承载力不足，严重影响建筑的整体安全性，需要进行改造加固[1]。

图1 某建筑结构图（单位：mm）

2 原有建筑结构的检测

对于混凝土结构加层改造项目，必须提前对原有建筑进行鉴定，然后才能开展相应的加层改造设计；先进行加固，然后才能进行加层。需对原有的建筑结构的可靠性进行鉴定，进而判断其加层改造的可行性，检查是否存在加层的潜力，其中主要包括对建筑整体的施工质量进行检测，查看是否存在安全隐患、在后续的使用中是否存在异常情况、建筑整体的结构是否能满足加层改造的基本条件，鉴定的数据结果是开展加层改造设计的基础。为了让加层改造设计更加准确，对原建筑的鉴定需从以下两个方面进行[2]。

2.1 调查分析地基性能

通过对目标建筑的上部结构进行鉴定发现，该建筑结构并未出现开裂、位移等情况，进而能够判断其地基足够稳定，不存在不均匀沉降的情况。随后经过钻探得知，该建筑地基的承载力为150kPa，电气室区域随着加层，其荷载发生了上升变化，但经过分析计算之后判断建筑地基的承载能力符合要求，不需要对地基进行加固[3]。其中变压器室由于设备荷载相对较大，在加层之后经过对荷载进行计算，判断地基承载力不足，进而需要加固地基[4]。

2.2 检测构件承载能力

不管是直接对原有建筑进行加层，还是先对原有建筑加固然后再加层，都需要检验原建筑构建的承载能力。为此必须结合原建筑构件的实际情况，对其构件承载能力进行细致的检测，例如梁、柱、板等部分。通过对该建筑结构现阶段实际情况的勘察发现，该建筑的整体结构相对完好；通过使用回弹、钻芯取样的方式对混凝土的强度进行检测分析后发现，该建筑的基础、梁、柱等部分的混凝土强度能够达到C20，符合进行加层改造的强度要求。另外，通过检测建筑中的钢筋强度、钢筋数量、钢筋分布发现，也符合加层的要求。总的来说，通过对该建筑实际情况进行计算检测发现，该建筑中的主要承载结构及构建的承载能力符合加层改造的需求[5]。

3 加层改造方案设计

3.1 合理地选择加层方案

对于大跨度混凝土结构加层改造工程项目来说，经济、高效、安全、可靠的设计是改造成功的基础。开展加层改造设计，必须在基于保障原结构安全的前提下，确保新结构的安全性[6]。在选择加层改造方案时，必须严格遵守以下要求：（1）在对建筑的结构进行改造时，要尽可能地充分利用原先的结构，结合建筑的实际情况对改造设计方案进行优化。需要注意的是，在进行设计的过程中，要尽可能降低改造工作量，在保障工程安全性的基础上，合理地控制加层的高度，使用大开窗作为围护墙体。（2）要尽量减少新建楼层楼面的荷载，加层的墙体等材料尽量使用轻质材料。在对该建筑进行改造施工的过程中，其底部的电气室也需确保能够正常运转，这表明在对原建筑进行加层时，不能让建筑施工影响电气室的正常运转。因而在设计加层改造方案时，需充分考虑众多可能出现的因素，逐一计算分析，得出最佳结构型式，进而确保建筑的承载能力符合要求，同时还要便于施工，提高施工效率与质量。

3.2 科学地进行加层结构连接

对于如何连接加层结构，加层柱与下面部分进行连接是最为重要的部分，由于原建筑框架中没有预留钢筋搭接，因此在加层改造过程中，确保夹层柱钢筋连接的质量是非常重要的。

首先，在设计方面，需确保钢筋连接相关设计符合受力要求，确保垂直力能够与水平力之间有效传递。在施工方面，需确保框架节点以及钢筋密集区域的施工便捷性，如需使用钻孔植筋，就要确保钻孔的可行性，尽量避免对原建筑结构造成损伤，对结构的连接设计要简单、有效。

其次，对于钢筋的连接方式，加层钢筋与原建筑钢筋连接可通过直接连接方式，也就是直接焊接钢筋，也可以进行间接连接，即在原建筑设置钢牛腿之后焊接钢筋。直接连接的方式可分为焊接连接、钻孔植筋，其中焊接连接的使用最为广泛，通过焊接钢筋，能够保障受力直接、稳定；钻孔植筋又可分为一般植筋、高性能植筋，一般植筋指的是利用水泥、微膨胀黏结剂来加固，高性能植筋是利用聚氨酯、甲基丙烯酸酯与水泥混合形成的黏结剂固定。高性能植筋在强度与性能等方面具有优势，在钢筋连接中应用相对广泛。间接连接指的是利用焊接、胀锚螺栓固定钢牛腿以后再焊接钢筋，其中钢牛腿能承担一定的剪力，从而能够有效解决剪力过大、结合面较弱的问题。

最后，对于建筑钢筋连接方式的选择，由于原建筑中的混凝土结构节点部分的钢筋较多，且十分密集，在其顶部进行钻孔作业相对困难，因此建设使用钻孔植筋的方法。在对其进行设计时，需加固框架柱，在柱脚区域加设钢板，并将钢板焊接。

3.3 对建筑加层结构进行复核、加固

在实际加层过程中，经常会遇到原建筑的结构截面以及配筋在加层之后无法满足荷载要求的情况，这便需要对原建筑的结构进行加固。最常见的加固方式有预应力加固、加大截面加固、外黏钢板加固等多种加固方式，每种加固方式都有其特点、优势以及适用的范围，需结合实际情况来选择加固方式[7]。由于该建筑在加层之后建筑的高度及荷载能力会发生变化，进而使下部梁柱受力情况也发生了变化，因此在完成加层改造之后，还需对建筑中的柱、梁等变化进行细致的复核，结合建筑框架计算原理，对建筑混凝土结构中的梁柱内力进行计算，进而能够按照原先建筑梁柱的截面配筋对承载力进行复核。例如轴框架柱，在对其进行加固处理时，利用角钢L50×4选择湿式外包钢技术，对建筑中的原混凝土框架柱进行加固。但在实际施工中，必须确保角钢能够与原建筑柱的混凝土进行牢固的黏结，进而保障角钢与混凝土协同工作。对于加层的构造来说，主要是通过建筑框架中的梁柱来完成对荷载的传递，对原建筑结构中的楼板造成的影响要小许多。通过计算发现，框架梁配筋符合加层截面配筋的需求，进而无须再对框架梁进行加固[8]。

4 结束语

对该建筑的加层改造已经完成两年，在这两年的实际使用过程中，尚未发现安全方面的问题，实际加层改造的效果较为良好。经过对该建筑的加层改造进行设计发现，大跨度混凝土结构在进行加层改造的过程中，必须结合预期改造以及建筑的实际情况，在确保经济性、安全性的基础上，合理选择加层改造方案，不仅要考虑建筑的安全性，还要重点关注加固完成之后建筑的整体效果。

综上所述，对旧建筑进行加层改造是一项值得推广、发展的技术，但在实际建设过程中需要注意的事项也很多，不仅需要对原建筑的整体结构进行检验，判断建筑加层改造的可行性，还需要高度重视实际施工中的各环节，从而避免造成安全事故，让现有建筑的价值得到最大限度的开发。