某建筑地下室功能改变结构加固设计

叶建农 刘大可 夏长春 周建

0 引言

位于南京湖南路商业圈核心地段的某地块项目包含A、B、C、E、F、G 六个地块，总建筑面积526 000m2，主要建筑功能为商业、办公、公寓、住宅及配套设施。其中C 地块项目由地上3 栋百米框剪结构公寓塔楼和地下连成整体的4 层地下室组成。其中4 层地下室为框架结构，从底至上层高依次为4.6m、3.8m、5.5m、5.5m，建筑功能为：负四层为平战结合核六级人防车库，负三层、负二层为机动车库，负一层为商铺。

根据规划设计，为C 地块项目物业提供能源的锅炉房、冷冻机房、消防水池等设施位于相邻B 地块地下室。2019 年下半年，甲方提出因市场原因需延缓B 地块开发进度，导致已经售出的C 地块项目物业将面临无能源可供而无法运营的境地。经甲方与设计多轮讨论评估，决定对C 地块地下室进行规划与设计变更，将C 地下室负二层、负一层b-G 轴以南、9 轴以东原为停车位、商铺的区域改为能源站，包括配电房、锅炉房、冷冻机房、3 处消防水池（每个约水量420t，水有效水高度2.6m）。当时C 地块地下室以及上部塔楼结构已经封顶。经计算复核，变更区原结构设计承载力不能满足改变功能后的使用荷载要求，因此需要对该区域以及相邻区域结构进行加固设计。由于上部塔楼的嵌固端位于地下室顶板，因此对于发生在地下室的本加固设计不影响已经封顶的塔楼主体结构设计。

1 加固设计方案

1.1 加固设计计算原则

根据本改造工程的荷载与受力特点，以及甲方提出尽量避免大规模拆除的要求，加固设计确立如下原则：

（1）总体受力协调：个别构件增大截面加固可能引起相邻构件的刚度分布变化从而改变传力路径。应从整个结构体系的安全来考虑，验算相邻结构及构件的承载力。

（2）充分利用原结构承载力：尽可能保留原有结构构件，减少拆除的工作量，减少加固工作量，方便施工。

（3）先检测鉴定，后加固：对原混凝土构件尺寸以及材料强度等取值采用原图纸强度设计值与现场实测值相结合的原则，按不利的截面、强度、配筋进行结构的计算分析。

1.2 加固结构布置原则

本次变更改造区域位于纯地下室投影范围（上部无塔楼），框架结构，原楼盖体系为双次梁或单次梁布置。针对能源站设备用房的荷载布置特点，采取以下结构布置原则：

（1）结合原框梁、次梁布置，在负一层锅炉房各大型锅炉的设备基础长边或短边之下、负二层冷冻机房各大型机组设备基础长边或短边之下增设次梁，使得设备荷载传力路径简短、明确。模型计算中，设备运行荷载落在所在梁格内，无设备的梁格活载输入4.0kN/m2。

（2）结合原框、次梁布置，对有效水量负一层432t、负二层两个各415t 的消防水池，在其钢筋混凝土池壁下增设次梁，不影响建筑使用的情况下，混凝土池壁尽量满跨布置，这需要与建筑沟通协调。混凝土池壁顶至水面上500mm 止，池壁主筋不锚入上层老梁中，即不与上层主体梁连结。

（3）变更前后计算输入的楼面荷载对照如表1。

表1 变更前后楼面附加恒载与活载对照表

1.3 加固方法

采用原主体结构PKPM 模型，根据上述结构布置原则对大型设备以及消防水池进行布梁、输入荷载后进行SATWE 初步计算，根据计算结果以及《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）[1]采取相应的加固方法，如表2。

表2 构件加固方法选择

由于粘钢加固工程量较少，后改为加大截面法。另外，经验算，原地基基础结构设计仍可满足变更后使用功能的要求。

2 本加固设计中的难点

本改造工程中，荷载增加最大者为3 处消防水池区域处的原结构梁板的截面承载力与需求相距甚远，因此对该区框架梁的加固采用增设支点法。由于建筑布置限制，无法采用文献[1]与文献[2]中推荐的人字形拉杆，只得采用单侧拉杆；对拉杆材料的选择，经计算6处拉杆轴拉力在900～1700kN，数值较大，钢筋混凝土拉杆处于水池中需要满足裂缝控制的纵筋较多，通过植筋锚入原结构梁柱的方式无法确保后锚固质量。最终选择采用热轧宽翼缘型钢HW350mm×350mm×1mm2×19mm 作为拉杆截面，外包混凝土保护套。钢拉杆上端与框架柱铰接连结、下端与加固梁跨中顶面铰接连结。经多方案计算，共计在6 处设置斜钢拉杆，使得满足计算承载力要求的前提下加固工程量最少。以负二层为例，负二层加固平面示意图如图1 所示。

图1 负二层结构改造平面图

以斜拉杆LG2 为例，图2～图4 为拉杆主要节点图。

图2 拉杆LG2 示意以及其下节点连接示意

图3 下节点埋板锚筋及对拉螺杆布置平面与剖面示意

图4 拉杆截面以及型钢螺栓连接示意

钢拉杆与主体结构柱、框梁的连接计算与构造是本次改造设计中的重点与难点。由于型钢穿原柱、梁混凝土强度较高（柱C60，梁C40），柱梁内受力钢筋较多，型钢穿柱、梁施工较困难，因此连接采用“内层钢筋植筋+外围穿原结构对拉螺杆”的连接方式。锚筋与对拉螺杆受力按如下计算：（1）钢斜拉杆轴向拉力分解为相互垂直的拉力与剪力传给植筋与对拉螺杆。（2）考虑锚筋与对拉螺杆受拉变形协调，拉力按螺杆与锚筋各自的面积进行分配，锚筋面积计算按照《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB 50010-2010）[3]9.7.2条预埋件锚筋面积计算。（3）植筋的锚筋不考虑抗剪，剪力全部由对拉螺杆承担。（4）对拉螺杆抗拉、抗剪强度设计值按《钢结构设计标准》（GB50017-2017）[4]表4.6.6 中8.8 级B 级螺栓强度值采用，并按11.4.5 条公式考虑多根螺栓排列受力不均匀而对设计抗剪强度进行折减。（5）外排对拉螺杆距拉杆形心较远，拉杆与梁柱连接的正面与背面锚板需要设置加劲肋保证锚板刚度将拉力与剪力尽可能均匀地传给锚筋群与螺杆群中的每一根。（6）型钢斜拉杆就位后在水池楼面按25kN/m2荷载配重，待构件变形稳定后再绑扎钢筋、浇筑外层混凝土保护套。

以斜拉杆LG2 为例，其下节点连接计算如表3。

表3 斜拉杆LG2 下节点连接计算

3 本加固改造工程设计与施工要点

（1）新增结构与原结构能否形成整体共同工作是加固改造项目建成后能否正常使用的关键点。新老混凝土连接的界面凿毛、涂刷界面胶等处理的施工要求，应严格按《建筑结构加固工程施工质量验收规范》（GB50550-2010）[5]中5.2 节“界面处理”执行，如花锤在混凝土粘合面上錾出麻点深约3mm、点数每平方米达到 600～800 点的均匀分布等。新梁与老结构的连接可采用图6 连接面键槽处理的做法。

图6 新加梁与原混凝土构件连接间距的措施

（2）采用增大截面加固法对混凝土结构进行加固时应卸除作用在结构上的活载以及楼面面层。新加结构因应力、应变滞后，不能充分发挥作用，特别是当原结构工作的应力、应变值较高时，容易出现原结构与后加部分先后破坏的各个击破现象，导致加固效果不理想或根本不起作用。

（3）植筋施工应严格按加固设计说明以及文献[5]第19章的工序和技术要求执行。其中清孔质量到位是保证植筋性能的关键因素。受力纵筋植筋长度按文献[1]确定，并需要进行拉拔试验验证；当某梁宽的设计植筋数量较多不满足5d 间距要求时，可以采用图5 所示的节点。

图5 植筋量多时满足植筋

（4）新增框架梁、斜杆施工，需要在原楼板上钻孔、凿洞，应减少对原结构的损伤，不得影响原结构的安全。

（5）加固施工中每一道工序的施工质量较大程度决定了改造工程的成功与否。因此项目应由具有结构加固专项施工资质的单位施工。

（6）对新加结构的受力和变形应加强观测，并对建筑物的整体变形情况进行监测[6]。

4 结语

目前本项目正在施工中。经过对于本项目的加固设计和改造施工过程，笔者心得体会如下：

（1）对于改变使用功能后的结构布置，应根据新的实际荷载以及原结构的条件进行简洁布置梁或支撑，使受力明确，并优化结构加固方案，在满足安全的前提下选取便于实现的、方便施工的加固方法。

（2）加固设计涉及新老结构、不同材料的共同受力，工作机理复杂，计算公式中参数多、场景多，设计应充分考虑每个参数取值的可靠性，合理评估施工难易程度，对设计留取足够的安全系数。

（3）对本改造工程中钢拉杆与老结构的连接采取植筋与对拉螺杆共同承担方式的计算，规范没有明确的公式。希望读者同行与专家给予批评指正以及建议。