高港财富中心大厦续建结构改造设计

2022-04-15南京大学建筑规划设计研究院有限公司高级工程师

中国建筑装饰装修 2022年6期

潘华南京大学建筑规划设计研究院有限公司高级工程师

彭阳南京大学建筑规划设计研究院有限公司

1 工程概况

高港财富中心大厦位于江苏省泰州市扬子江路，始建于2009年，地下共2层，地上共24 层，建筑高度为97.15 m，结构体系为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，结构封顶后项目因故停滞，2016 年更换业主后对项目启动续建，调整外立面和内部建筑布局功能，增补塔楼中庭楼面，增加楼梯、电梯等竖向交通等。本次续建涉及规划变更和建筑功能变化，需对原结构进行整体复核和加固。

图1 改造前建筑现状

图2 改造后的建筑效果图

2 后续使用年限和抗震设防目标的确定

不同的后续使用年限对材料要求、使用荷载以及地震作用有不同的取值标准，也意味着不同的改造投入。因此，需合理确定后续使用年限和抗震设防目标，在结构的可靠性与改造的经济性之间达到一种平衡。

关于后续使用年限，《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023-2009）规定，2001年以后建造的现有建筑，其使用年限宜为50 年[1]。《混凝土结构加固设计规范》（GB 50728-2011）规定，混凝土结构的加固设计使用年限应按下列原则确定：一是结构加固后的使用年限，应由业主和建设方共同商定；二是结构加固材料中含有合成树脂或其他聚合物成分时，其结构加固后使用年限宜按30 年考虑[2]。

使用条件的变化、结构是否有较严重缺陷、材料性能有无劣化以及构件是否存在损伤是影响建筑使用年限的主要因素。本工程结构封顶7 年，通常情况下改造后目标可设定为50 年。但续建时《建筑抗震设计规范》《高层建筑混凝土结构技术规程》均升级为2010 版，新规范对结构要求均有所提高。如后续使用年限仍按50 年计算，结构体系和材料的耐久性能需进一步论证并采取相应措施予以保证。

经与建设方商讨权衡，本工程后续使用年限确定为其剩余使用年限43 年，虽略低于正常新建建筑50 年的预期，但适当降低了对现状结构材料耐久鉴定和处理的要求，将改造费用主要用于抗震和构件受力的优化和提升。

对于缩短的使用年限，《混凝土结构加固设计规范》（GB 50728-2011）也有明确规定：“对于使用年限到期后，经重新可靠性鉴定认为该结构工作正常，仍可继续延长其使用年限”[2]。因此，本项目确定的后续使用年限是一个妥协和具有可操作性的方案。

3 地基基础存在的问题

原结构有2 层地下室，底板标高为-7.08 m。采用桩筏基础，主楼筏板厚为1.80 m，裙楼筏板厚为0.70 m，为D=500 mm 预应力混凝土管桩，桩长为32 m，以粉土夹粉质黏土作为持力层，单桩承载力为1 800 kN。改造前后建筑总质量（1.0 恒＋1.0 活）分别为78 894 t 和83 911 t，总体荷载增加约6.4%，最大单桩反力为1 950 kN，超过原桩设计承载力，增加幅度约为8.3%。

由于项目当时是非正常停工，施工阶段相关资料未顺利移交，导致前期沉降观测数据缺失。从鉴定报告和现场实物的情况来看，暂未发现有异常沉降或倾斜等，初步判断该建筑基础目前的变形和受力尚在正常范围。桩反力超过原设计值，常采取补桩等措施，由于项目地处地下水丰富地区，处理地基基础时首先要解决地下水头过高问题，即需对地块整体降水，处理所需费用多且施工难度大，因此需进一步评估分析，寻找对策。

4 地基基础分析与处理

4.1 考虑地下水对地基基础有利的作用

结合上海地区高层项目经验，可合理利用水浮力对桩承载力的有利作用[3]。本项目位于丰水区，勘探报告提供的地下水常水位为-2.95 m（相对本楼正负零标高），高出地下室底板较多。采用PKPM软件调整地下水位高度验算桩基承载力。当地下水位取常水位-2.95 m 和-4.75 m时，软件计算结果中最大桩反力分别为1700 kN 和1790 kN，也即地下水降至常水位以下1.80 m 左右时，桩反力小于原设计单桩承载力特征值1800 kN，此时桩基仍是安全的。若未来周边场地存在深基坑施工和开挖降水，此情形对本工程不利，须采取保护措施。

4.2 在地下水有利作用不存在时的基础分析

相关案例及现场实测证实，桩土分担存在且可承担5%～25%的建筑物荷载[3-4]。当地下水位降低，水浮力的有利影响不存在时，因桩反力已超过原设计的单桩承载力特征值（未超过桩身强度），反映到基础上即沉降变形增大。随着沉降发生，底板下土层进一步压实，地基土和底板将参与共同受力，本工程底板下为粉土夹粉砂层和粉砂层，厚度不小于10 m，底板下土层地基承载力特征值为140 kPa，具有一定承载能力，因此需要分析不同变形情况下桩和筏板的受力情况。

计算时根据地基上任一点所受的压力强度P与该点的地基沉降量S成正比的特点，采取假定不同的基床系数来模拟基底土参与程度[4]，寻找桩土共同作用时的规律。采用PKPM 软件提供的“基本模型”和“沉降迭代模型”进行沉降计算[5]。其中，依据岩土勘察规范[6]，取桩刚度和基床系数经验下限值，桩刚度取100 000 kN/m3，基底土基床系数分别取2 000 kPa/m、5 000 kPa/m 来模拟的桩土共同作用，计算基础及桩反力和底板配筋，软件计算结果如表1 所示。

此时桩反力小于桩设计承载力，主楼范围筏板配筋小于实际配筋，基本能满足承载要求。而裙楼底板局部出现计算值大于实际配筋的情况（原裙楼底板的原始配筋为18&150 双向双层），如表1 所示，现计算得轴线②-⑤与 - 间裙楼底板出现Y 向面筋不足21.2 cm2（表中其余含义类同）。因此，筏板需要采取加固措施。基床系数5 000 kPa 时，计算的基础最大沉降约61 mm，满足规范《地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的要求[7]。

表1 桩土共同作用下底板受力情况

依据上述分析，在本项目中，采用对底板板面进行钢筋补强加固，也为将来地下水位可能降低做了准备措施。同时建议将上部结构有条件部位容重相对较大的砌体墙拆除，改为轻钢龙骨，进一步减轻结构自重，减小基础荷载。

4.3 适当考虑地基提高系数

参照《建筑物移位纠倾增层改造技术规范》（CECS 225—2007）第7.6.2 条相关规定，沉降稳定的建筑物，地基基础承载力特征值可适当提高，5 ～10 年时的提高系数为1.05 ～1.15[8]。本工程主体结构已建成6 ～7 年，基础已有一定的沉降压实。根据对现状地下室的观察，地下室底板未发现新的渗漏开裂，初步说明地下室基础变形和受力尚在基础正常范围。改造后桩反力虽略有增加，超过当初桩承载力特征值设计8.3%，但总体幅度不大。因此，可考虑地基基础压实承载力提高的有利作用。

4.4 地基基础的处理策略

目前，处理桩基础难度较大，综合考虑本工程的有利因素，基础可采取加强监测、暂缓补桩处理的策略。同时，要特别注意周边场地可能发生超深基坑开挖降水的不利情况。在进行底板加强措施后，正常情况下基础是可以满足使用要求的。

改造建成后1 年多的沉降观测数据反映，基础沉降基本趋于稳定，变形值在规范允许范围内，本工程采取的暂缓处理策略符合预期。同时也说明，基础处理方案选择应从多方面分析比较，以达到经济合理和安全的目标。

5 底部剪力墙优化改造

在进行结构整体计算后发现，本工程原结构整体刚度偏大，X 方向最大层间位移角为1/1 492，Y 方向层间位移角为1/1 376，均比规范限值小很多，底部几层核心筒处还存在连梁剪压比超限情形。进一步分析后认为：一是原结构整体刚度偏大，导致整体地震力也会相应较大；二是结构底部存在较长墙体，最大墙长为12.1 m，而规范建议的墙段长不宜大于8.0 m，超过较多，墙体延性较差，并且过长过刚的墙段承担的楼层剪力也大，常导致连梁计算不易通过。因此，有必要对剪力墙进行一定程度的优化。

经多轮试算，同时权衡其他各构件的受力和配筋情况，改造方案对底部几层墙体采取了适当开洞削弱的处理措施。底部长墙开洞削弱后，对应连梁剪力得到降低，总体地震力也有所减小，原部分剪压比超限的连梁，改造后剪力小于剪压比允许值，减小了连梁加固难度。开洞前后连梁剪力变化如表2 所示。

表2 连梁剪力对比（以LL1 为例）

6 结构构件加固要点

本工程综合采用了粘贴碳纤维、粘钢、扩截面、外包钢等多种加固改造技术，所选加固工艺是较成熟的手段。工程实践表明，结构的加固效果除了与所采用的方法有关，还取决于结构方案及其布置是否合理、构件之间的连接与拉结是否可靠、构造措施是否得当等。

本工程加固实践中某些细节仍值得注意和参考。

（1）本工程设计年限大于40 年，应要求加固材料通过长期应力作用能力的检验。

（2）要重视新老混凝土结合面处理，结合面的粗糙度是影响结合面抗拉、抗剪强度的首要因素。当抗剪强度计算不足时，需考虑增设连接短筋。

（3）梁构件加固设计要控制加固后的裂缝宽度和变形量，遵循强剪弱弯的设计原则。对于采用粘钢和粘贴碳纤维技术进行抗弯加固的梁，应注意加固后的构件正截面受弯承载力的提高幅度不超过40%。

（4）为了保证所植钢筋锚固的可靠性，需控制植筋的间距和边距要求。新增构件或扩截面加固时，常遇到钢筋根数较多、钢筋排布困难的问题，可采用如下方法解决。一是适当增加构件宽度和每排钢筋可排布根数。二是将跨中钢筋在非正截面受弯段截断（延伸长度需满足锚固要求），减少植入钢筋的根数。三是在支座处增设水平加腋，扩大钢筋植筋排布间距。

（5）植筋深度应满足规范要求。当因支座尺寸限制，无法满足计算的植筋深度要求时，可采取变通措施。一是选用小直径、多根数钢筋；二是适当超配钢筋，降低钢筋应力，折减植筋深度；三是采用附加锚固构造措施。

（6）在洞口边、墙柱边粘贴钢板和碳纤维时，应保证其水平锚固长度满足要求，否则应采取附加锚固措施。