某工程加固改造设计合理性分析

王梅芳 （安徽南巽建筑规划设计院有限公司，安徽 合肥 230011）

1 工程概况

该工程建于2014年，为5层框架，地下1层，地上4层，A区层高为首层5.4m，B区层高为首层5.1m，二～四层均为4.8m,建筑高度为23.85m，建筑面积约5.7万m²。原设计为普通商业功能，两栋建筑仅以连廊相连，且两栋建筑的标高不同，在连廊位置应考虑高差不同，完成建筑高差的过渡。改造后建筑功能变化较大，业态调整也较多，导致结构加固改造内容较多，改造难度较大，例如新增电影院和儿童乐园，导致结构大区域的开洞；中庭原开洞区域要求封堵增加建筑功能，而周边梁原结构采用预应力梁，为加固带来很大难度；两栋楼之间连廊区域扩大，也设置建筑功能房间，此区域要采用钢结构连接，节点处理较为复杂。

根据规范及主管部门有关文件，对新建或改建建筑均应按照最新规范进行设计，原设计结构已不能满足改造后建筑功能的需求，大部分构件均应进行加固。

2 建筑工程加固程序

建筑工程加固为确保既有建筑加固安全，应遵循以下程序：原有结构检测鉴定（可靠性和抗震性能鉴定）→加固方案选择（安全、经济）→加固施工图设计（规范，宜施工）→施工图审查（严谨）→加固施工（专业）→竣工验收。

首先应委托专业检测机构对建筑物进行可靠性鉴定，包括对其现状进行调查，查清楚建筑的使用条件、所处环境及结构目前的状况；根据结构鉴定的需要确定调查的主要内容、具体范围和技术要求，完成对结构整体安全性的调查。而因该工程存在特殊情况，原工程仅完成主体工程，未进行竣工验收，与工程相关的四方均已更换，原设计、施工资料不全，故检测机构还应对建(构)筑物的结构布置、结构体系完整性、构件材料强度、混凝土构件的配筋、结构与构件几何尺寸等进行全面检测与原设计图纸进行比对，并绘制工程现状图，为加固设计提供依据。

其次根据本工程特点、结构的布置、结构构造和抗震承载力等因素，采用相应的鉴定方法进行综合抗震能力分析评价，对现有的建筑提出相应的抗震减震对策和处理意见。而本工程原设计施工图已审图合格，能满足当时的国家规范要求，检测机构应对其进行复核性抽检，明确施工与设计一致性。而根据上级主管部门有关通知规定改建、扩建工程应按现行规范执行，本工程应提高一档进行地震作用计算，而原设计抗震构造措施虽已提高一级，能满足现行规范要求，但地震作用的高度也会导致结构构件加固较多。

3 混凝土结构加固设计方法

既有建筑的加固设计，应与实际施工方法结合，采取有效措施保证新增构件与原结构连接可靠，新增截面与原截面连接牢固，形成整体共同工作，并应避免对地基基础及未加固部分的结构、构件造成不利影响。以少动或不动原结构为原则，以传力简洁明确为宗旨，以结构安全为准绳，进行加固设计。

加固原则是先体系后构件。结构体系加固：所谓结构体系就是指竖向构件和水平构件组成的空间结构，具有明确的计算简图和合理的力流传递路径。常见混凝土结构体系为框架结构、框剪结构、框筒结构、筒中筒结构等。当改造前后的建筑发生较大改变如建筑性质发生改变引起抗震设防类别的改变，如本工程这种情况，或建筑增加层数使建筑高度的改变导致抗震措施可能提高，这些改变已不是单纯构件加固能满足要求的，必须针对结构整体，从结构体系入手进行加固，然后在合理的结构体系下，经整体计算分析，对个别仍不能满足要求的构件进行补强加固。

混凝土结构构件加固方法：增大截面法、混凝土置换法、外粘型钢法、粘贴钢板法、粘贴纤维复合材料法、绕丝法、钢绞线网片-聚合物砂浆法、外加预应力法、增设支点法等。其中目前建筑工程中常用增大截面法、粘贴纤维布法、粘贴钢板法。

地基基础加固分为缺陷性注浆加固补强和承载力不足时的基础加固。补强注浆加固主要是为基础由于外力损伤、地基不均匀沉降、冻胀等非荷载原因引起的开裂或损伤时，可采用注浆法对基础进行补强加固。承载能力不足的基础加固主要是因功能改变（建筑增层）或设计失误（荷载丢失）使荷载增加较大而导致基础结构承载力不足时，要对基础进行的加固。采用的方法主要有肋梁加固、局部加腋、板面增浇叠合层、外包钢板、角钢或钢筋混凝土围套等方法。当基础本身承载力不足而地基承载力足够时，可只加固基础，尽量不要扰动原地基土。

4 加固方案选择及难点处理

本工程建筑功能改变较大，存在大面积的封洞口，开洞口的情况对结构整体影响较大，整体计算表明，原设计大部分框架主梁、次梁、框架柱均不满足要求，承载力要求增加超过40%的较多，且框架梁端配筋不足也较多。而建筑层高受限，增大截面法影响建筑功能，这给加固方案的确定带来了难度，经过多次现场勘察、反反复复试算，并进行经济性比较，加固思路如下：

方案阶段考虑在楼电梯间隔墙位置增设剪力墙，将原框架结构体系变为框架-剪力墙结构体系的结构体系加固法，框架-剪力墙结构体系降低了框架的抗震等级，经计算分析，由于荷载有较大增加，与框架结构体系直接加固的构件量相差不大，而新增墙的量远大于减少的构件加固量，故仍采用框架结构体系进行加固。

原结构图恢复模型计算可知，其扭转周期比大于0.9，虽然规范未要求多层框架结构要控制此参数。但限制结构的抗扭刚度不能太弱。限制结构的抗扭刚度关键就是限制扭转为主第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比（简称周期比）。当两者接近时，由于振动耦联的影响，结构的扭转效应就会明显增大。抗震设计中采取措施减少周期比，使结构具有必要的扭转刚度，因此本工程加固设计中采用增加边梁高度及加大框架柱截面等方式，将周期比调整至0.9以下，从而降低结构的扭转效应，确保建筑的安全。

结构加固设计最常用的方法：粘贴钢板法、粘贴纤维法，有施工较为简便，原构件自重增加小，对结构影响较小，也不改变结构外形，不影响建筑使用空间等优点。但也有其缺陷，规范要求为防止使用胶粘剂的结构加固部分意外失效而导致的建筑物坍塌，此方式结构构件加固应控制在一定范围内进行，并应对原结构进行验算。验算要求为原结构、构件能承担1.2～1.5倍恒载标准值的作用，包括受弯承载力和受剪承载力。对原结构、构件提供附加的安全保护。故加固设计采用粘贴钢板加固法和粘贴碳纤维布加固法时，构件加固后正截面受弯承载力的提高幅度不应超过40%，并验算其受剪承载力，不能出现受弯承载力提高后而导致构件受剪破坏先于受弯破坏。本工程加固设计时承载力提高不超过此限值的梁板采用粘贴碳纤维布进行加固，框架柱采用粘贴钢板方式进行加固。

原结构开大洞口区域，框架主梁及次梁采用预应力措施，目前现状是梁端顶部有部分钢筋外露，表面有大量浮浆，结构存在一定的安全隐患，为更好地了解钢筋外露是当时施工规范养护不到位引起的，还是施加预应力引起的，已委托专业检测机构进行专项检测，确定加固后的结构安全。而改造后的建筑要封洞口，这就给结构加固带来很大的难度。既要确定建筑功能的实现又要确定原预应力不受到破坏，就不能直接在预应力梁上进行采用后锚固技术。封堵区域如图1所示三角形开洞区域。图示中正交十字梁的为后张法预应力梁，确保加固过程中不破坏原有预应力构件的受力特性，使新增板块传力直接明确，就充分利用周边柱，将荷载直接传到框架柱上，新增板块与原预应力梁间采用油毡分隔，上面采用建筑做法连成一体。具体洞口加固封堵图如图2所示。本工程这种洞口封堵较多都是采用这种方式，封堵结构传力均采用新增梁板直接传力到框架柱或新增构件上，与原有预应力构件不产生直接作用。

图1 封堵区域示意图

图2 洞口封堵图

本工程A区长度59.1m，B区长度56.4m，两幢楼间间距14m，原建筑为实现两侧连通采用弧形钢结构连廊进行连接，存在一定的安全隐患。改造建筑为了更好地利用此建筑，将中间95.4m×14m区域的一半均做了连接，并且设置建筑功能而非仅连廊功能，此区域跨度较大，底层中间为主要通道不是增加柱支撑，直接采用混凝土梁板结构加固，会将两幢楼连成一体，结构总长度达到129.5m，结构超长，使用期间的温度应力会较大，而既有建筑与新建建筑不同，原设计未考虑温度应力的作用，后期增加难度较大。与加固结构设计原则相违背。故仍连接为非刚接，采用滑动支座，温度应力通过支座移动释放。采用混凝土结构连廊梁高较大，对建筑功能有影响，施工难度大，采用钢结构连廊自重较轻，在框架柱上增设牛腿，并对区域采用包钢加固，并采用SAP2000进行有限元模拟分析，确定节点安全。

5 结论

通过该改造工程的设计，有了以下的体会。

①改建工程设计与新建工程设计存在很大差别，新建工程在一张白纸上实现的建筑意图，而改建工程则在已有画作实现新的意图，受原有框架的限制，更注重现场情况的调研，真正要求做到理论联系实际，才能更好地完成自己的作品。

②工程设计中也要有一定的前瞻性，为后期加固改造预留一定的空间，减少后期改建的难度。加固施工要有先进性，构件拆除应采用无损作业。

③加固设计将结构安全放在首位，施工简便、造价经济等诸方面也要考虑，才能选择最合理的加固方案，采取最有效的加固技术措施，以求能达到最佳的加固效果，既满足建筑功能，又确保结构安全。

④加固设计中也可以考虑采用新技术与新工艺。随着经济技术的发展新技术新工艺也有长足的进步，减震隔震技术在加固工程中的应用也越来越广泛。

最后，该工程在加固设计前期为确保工程的安全、合理、经济，特请行业专家、高校教授召开了专题咨询会，得到他们的悉心指导，受到很大的启发，在此表示最诚挚的感谢。