既有建筑结构改造加固浅议

湛永红， 贺明华， 钱正安

（1.贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008；2.中机中联工程有限公司，重庆 400039；3.黔东南民族职业技术学院，贵州 556000）

0 引言

经过几十年的建设发展，尤其是从1998年中央政府确定了城镇住房的市场化、货币化、商品化改革方向之后，国内的房地产建设项目快速增加。通过查询统计数据，从2000年～2020年这20年，房地产竣工面积平均每年以20%左右速度增加。目前，国内既有建筑的建筑面积已经超过约400亿m2。随着城镇化的快速发展，各大城市中心城区的新建建设用地供应将明显减少，中心城区既有建筑的结构改造、加固将会明显增多。其次，我国建筑的结构设计使用年限绝大多数为50年，从1980年开始算起，到今天已41年。自2000年算起，到现在也已20年，大部分建筑已经进入“中年”，随之而来的是建筑结构的逐渐老化（混凝土碳化、钢筋锈蚀、抹灰层开裂脱落，结构布置不够合理等）；再次，随着社会经济的发展，经济模式、商业形态、社会团体的组织结构等日新月异，许多既有建筑的装修风格、建筑布局等已不满足当下的功能使用要求，需要对建筑、装修进行改造，这些改造必然伴随结构改造与加固。

针对由于建筑装饰材料的老化，使用单位的人数的增加和组织结构的调整对建筑功能布局要求的改变而进行的改造，往往只是调整局部布置，改变墙体的布置。对于这种细小的改造，宜先对结构构件进行仔细校核，在构件满足承载力和正常使用要求的前提下再对整体结构按现行规范对相关整体指标进行判定，尽量少加固、不加固，以尽最大程度减轻对结构的破坏。而对需要改变建筑功能、增加结构荷载、拆除局部结构构件或改变部分结构布置等的改造，则需要对结构进行加固计算设计。此时则需要完整建模，根据现行规范对结构进行计算分析。

1 工程概况

项目为某办公楼，该建筑设计完成时间为1998年，2000年竣工。该建筑采用80系列规范进行设计。场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度，抗震设防类别为丙类；基础采用人工挖孔桩基础。总建筑面积约3500m2，采用框剪结构，结构长43.2m，宽12.9m；建筑地上6层，无地下室。结构总高度23.1m，局部高度24.6m，局部错层，纵向共7跨，横向1跨见图1。该建筑结构平面布置比较规则，纵向各开间尺寸均为3.6m，进深均为5.4m，平面中间为2.1m宽走廊。

图1 标准层结构平面布置图（单位：mm）

2 加固的原因及改造内容

随着使用单位人员增加以及其组织结构的调整，原建筑的房间布置不再满足运营的需要，使用单位要求对原建筑进行改造。改造的主要内容包括：①原1层特种仓库需改造增加仓库面积，需拆除部分钢筋混凝土填充墙（此墙仅为建筑功能的钢筋混凝土墙，并非竖向承重构件）；②将位于原2层（4.5m标高）的计算机房移动至第4层（11.70m标高），原4层该区域为办公室。根据87版荷载规范，办公室活荷载取值为1.5kN/m2，而根据使用单位对机房的要求，机房的活荷载为8kN/m2，由于第4层荷载增加，需要对该区域进行加固；③3～6层各层均有部分房间布局需要改变，改变的方式，在原横向框架梁（次梁）上拆除或增加填充墙。需要验算复核既有结构构件的承载力和变形；④屋顶新增30t水箱及暖通设备荷载，需对部分竖向构件进行计算复核加固。

3 结构检测结果

检测结果表明，混凝土强度基本满足原设计强度要求，未见明显碳化；所测构件的钢筋与设计图纸吻合（原设计，各主要受力构件混凝土强度等级均为C30，钢筋均为HRB335）；构件的截面尺寸也基本与设计图纸吻合。结构构件仅局部表面缺陷，且其工作无异常。楼、屋面板未发现损伤、变形过大、裂缝等异常情况，工作正常。

4 加固原则及计算依据

4.1 加固原则

根据项目的改造特点，改造强度不大，本着能不加固尽量不加固的原则，通过修改模型核算，在满足承载力及正常使用要求的基础上减少结构的加固工程量。同时，尽量使用轻质材料，减小新增荷载对原结构的影响。对改造区域的相关部位，尤其是梁、柱和基础进行了仔细核算，经核算后必须加固的部位采用对原结构破损较小的加固方法，尽量减少对原结构的损坏。

4.2 计算依据

根据现行《混凝土结构设计规范》3.7.3［1］对既有结构进行改建扩建或加固改造而重新设计时，承载能力极限状态的计算应要符合本规范的规定。

根据新版《建筑结构可靠性设计统一标准》［2］结构荷载的分项系数从2001年版《建筑结构可靠性设计统一标准》［3］的1.2，1.4变为现在的1.3，1.5。

根据新版的《建筑结构设计荷载规范》（以下简称12版《荷规》）［4］与87版《建筑结构设计荷载规范》［5］（以下简称87《荷规》）对办公楼楼面活荷载的取值有所提高，12版《荷规》办公楼楼面活荷载取值2kN/m2，87版《荷规》办公楼楼面活荷载取值为1.5kN/m2，提高了33.3%。

现行《抗规》［6］相比89版《抗规》［7］在对结构内力调整、结构体系的塑性机构控制方面有明显不同的规定。

5 改造后结构分析

5.1 结构整体分析

结构整体指标包括：剪重比、扭转位移比、刚重比、周期比以及位移比等，是反应结构整体刚度和受力特点的关键参数。在对既有结构进行改造，加固时需要重新根据现行规范对原有结构的整体指标进行复核。

原结构采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，框架为单跨框架，横向剪力墙为双片横向剪力墙见图1，①、⑦、⑩、轴设置剪力墙。总高度23.1m，局部24.6m。

经建模分析计算，结构的整体指标基本满足现行规范要求。仅结构在偶然偏心地震作用规定水平力下的楼层最大位移比为1.74（强刚模型）不满足现行《抗规》3.4.4条不大于1.50的规定。为提高结构抗侧刚度，减小结构层间位移比，决定在③轴横向增设钢筋混凝墙或增设钢支撑。经建模分析对比，同时考虑到增设钢支撑之后，钢支撑框架的混凝土构件应在构造上比原结构提高一级（《抗规》G.1.2），原结构构造抗震等级不满足要求，最终采用增设一小片钢筋混凝土剪力墙，在不影响结构抗震构造要求的前提下，降低结构的水平变形，使其满足整体指标的要求。由此可见，既有结构的改造时，结构整体复核时不仅要考虑整体指标的抗震计算，还要考虑抗震措施［8］。

项目为钢筋混凝土-框剪结构，沿Y向为单跨框架，在①、⑦、⑩、轴总共设置有8片剪力墙，沿X向为纯框架布置。总体指标参数计算结果显示结构为不规则结构。为此，需根据《抗震鉴定标准》6.2的要求对结构进行综合抗震能力指数计算。经计算，楼层综合能力指数大于1.0，满足承载力要求。

5.2 构件加固受力特征

加固构件的受力特征与新浇筑构件的受力特征不同，加固构件属于二次受力构件，其内力计算较为复杂，需要考虑构件在加固前因初始受力产生的变形，残余内力以及新旧材料之间的协同受力等［9，10］。

5.3 主要受力构件的计算及加固

项目原设计完成于1998年，设计规范主要采用的是87《荷规》，89《混规》，89《抗规》，与现行规范相比，其主要计算参数变化如表1所示。

表1 原设计规范与现行规范主要参数

目前，对于常规的多层混凝土结构，结构计算程序已能较好的对既有结构进行对比计算分析。根据《建筑抗震加固技术规程》3.0.4［11］和《建筑抗震鉴定标准》1.0.5［12］的规定，既有建筑应按后续设计使用年限为40年的B类建筑进行设计。抗震承载力调整系数按现行《抗规》取值，实配与计算配筋比值设为1.0。

从表1可知，相比原设计采用的规范体系，现行规范体系对结构设计各方面均有所提高。分项系数分别比原《荷规》提高了8%、7%；室内活荷载比原《荷规》提高了33%，再考虑抗震措施的调整，梁柱组合内力设计值有大幅度增加。

进行计算分析时，应先按既有建筑的结构布置建立原结构模型，按现行规范体系输入相关参数。

同时，根据竣工图纸输入实配钢筋，通过程序的加固鉴定模块进行分析计算。计算结果表明，原实配配筋与按新规计算配筋差别较多。尤其是沿走廊布置的纵向次梁，在主要改造楼层（2层，4层）该次梁配筋在端部实配钢筋与改造后模型计算所得的计算配筋差别较大。此外，在原设计活荷载较大的部分区域（4层档案室，活荷载原设计为12kN/m2），经复核原始设计的梁（框架梁、次梁）各层均有多处不满足承载力要求的情况，柱实配钢筋除局部楼层不满足以外，其余楼层均满足，所有楼层的柱的轴压比均满足规范要求。基础及地基的承载力也满足要求。

5.3.1 荷载梳理

本着尽量少加固的原则，对项目较多处不满足现行规范计算配筋的情况，首先对结构荷载进行了梳理。仔细校对各专业竣工图纸，重新计算了各楼层实际荷载。将恒荷载由原来的5.0kN/m2，改为4.2kN/m2。其次，仔细计算梁上隔墙自重，计算时根据楼层高度和梁高，确定梁上隔墙实际自重。

5.3.2 计算方式调整

针对部分梁配筋过大和梁挠度超标的情况，根据现行《混规》5.2.4考虑楼板作为翼缘对梁刚度和承载力的提高，从而降低梁挠度和跨中计算配筋。

针对部分梁支座处配筋不足的情况，根据现行《混规》5.4.3采用塑性调幅的方式，适当减小支座处负弯矩，增大跨中正弯矩，尽量使支座处实配钢筋满足承载力要求，不满足的部位采用粘钢加固。

5.3.3 改变用材

针对局部楼层新增填充墙较多的情况，为降低梁底弯矩，跟建设方商量采用轻质隔墙。

5.3.4 加固方法

通过前述3种方式的调整，已大幅度减少了配筋不足的构件数量，针对仍不满足计算配筋的构件进行结构加固。

加固的方式主要有增大截面法，贴碳纤维片材法，外包型钢法以及粘钢法。增大截面法对提高构件的承载力较为明显，同时对结构损坏较小。粘钢法和贴碳纤维片材法对构件的承载力提高幅度有限，仅适用于承载力增加较少的构件。

通过加固设计，经加固之后的结构构件均满足承载力和正常使用的变形要求。

6 结语

通过此次设计，总结归纳出以下结构改造加固的设计经验。

（1） 在对既有建筑结构进行改造加固时，需首先对其整体指标进行复核，不仅要满足抗震计算的要求，还要满足抗震措施的要求。

（2） 既有建筑结构改造加固前应结合竣工资料（各专业竣工图、工程变更、技术洽商等），也需在原设计地勘报告等中仔细梳理既有建筑的恒载、活载，并结合检测鉴定报告中对现有结构材料的参数取值进行建模分析。

（3） 结构改造应充分利用规范关于构件内力设计的规定，比如，考虑楼板翼缘对提高梁的抗弯刚度的规定，梁弯矩调幅的规定，对抗震调整系数降低的规定等提高构件的承载力或降低构件所受组合内力。

（4） 在满足使用功能的情况，尽量采用轻质材料，降低结构所受恒载。

（5） 加固时要结合各种加固方法的特点有针对性的进行结构加固设计。