既有混凝土建筑与新建钢结构建筑连接设计建议

吴灏斌，孟珊，张楠祥，梁硕，马宇希

（中国建筑第二工程局有限公司，广东深圳 518000）

1 旧混凝土建筑与新钢结构建筑连接工程的设计思路

1.1 收集原混凝土建筑工程相关资料

在既有混凝土建筑与新建钢结构建筑连接工程的设计过程中，最关键的是要对既有建筑的相关资料进行搜集。既有建筑的工程资料是后续实施改扩建施工的关键依据，如果没有对既有建筑的相关资料进行详细、周密的审查，则难以确保工程的可行性。这些工程资料具体包括原工程的概况、地质勘察资料、工程设计图纸、施工环境分析等，还包括原工程施工的相关资料，如工程验收记录、工程设计变更、工程量核定清单等。一切与原有建筑工程的相关资料都应被收集整理，为连接工程设计提供依据，只有这样才能为原有建筑与新建结构连接工程施工奠定扎实的基础[1]。

1.2 对既有建筑物进行全面鉴定

在连接工程施工设计前，要对既有混凝土建筑结构进行全面的鉴定，鉴定通常包括两方面：

1）鉴定原有混凝土建筑结构的安全性。在原建筑物上连接新建钢结构建筑，必须与建筑物现有规范相符合，确保已施工的结构与实际设计和原建筑施工资料保持一致，才能更好地开展新建钢结构建筑连接施工。如果既有建筑物随着使用年限的增长而导致建筑结构遭到损坏，使用存在问题，安全性存在缺陷，后期硬要在建筑物上连接新建钢结构建筑，必定会对建筑物整体造成巨大损害。

2）鉴定既有混凝土建筑结构的抗震性。在既有建筑结构上连接新建钢结构建筑，会导致既有建筑物的结构和功能发生改变，可能会导致建筑结构承担的负荷增加。如果既有混凝土建筑结构的抗震性能不能满足施工要求，就需要重新考虑连接工程是否可行。因此，要对既有混凝土建筑结构进行抗震鉴定，根据改扩建之后的结构状科学建立力学模型，做好抗震分析，确保既有建筑物的抗震性能可以满足连接工程的实际要求按照相应的规范，对既有建筑物进行加固改造。

1.3 制订工程设计方案

在对既有建筑进行全面的鉴定之后，要制订科学的设计方案。设计方案首先要参考既有建筑的工程资料，并与新的工程施工资料相结合，例如，新工程的地质勘查报告、施工图等，对建筑的桩基、基础、上部结构制订完善的设计方案。在既有混凝土建筑与新建钢结构建筑连接的过程中，要考虑到地层沉降问题，对既有建筑桩基设计中桩型的选择以及持力层的设计要反复核实校验，在满足工程连接施工要求的基础上，根据具体情况进行针对性的处理。通常情况下，如果既有混凝土建筑物的桩基不能再继续使用，就必须将其全部拆除，在既有桩基承载力无法满足现有施工要求的情况下，要进行补桩施工。除此之外，对于既有混凝土建筑为独立基础的，可以采取增加基础面积或者加大基础高度的方法，保证既有混凝土建筑与新建钢结构建筑的有效连接。同时，可以采用扩大横截加固方法以及粘贴纤维复合材料加固法，对既有混凝土建筑结构进行多重加固。

2 工程实例

某既有建筑物，在施工时采用混凝土框架结构，建筑物主体为地上28层，地下室2层。现为完善建筑物功能，需要进行建筑物改扩建施工，在既有建筑物上新建钢结构工程，新建部分的总建筑面积约为30 000 m2，地下建筑面积约达9 000 m2，层高为地下4.5 m；地上1层、2层的高度分别为5.1 m和4.8 m；3层与4层的高度一致，同为5.8 m。由于该连接工程连接节点位置采用的建筑材料不相同，既涉及混凝土结构，又涉及钢结构，连接节点部分受力情况较为复杂，因此，给工程连接设计带来了许多困难。

3 在既有混凝土建筑上连接新建钢结构建筑的设计建议

结合该工程案例，在既有建筑物与新建钢结构建筑连接设计的过程中，主要从以下4个方面入手。

3.1 新建钢梁与钢筋混凝土柱相连接

在既有混凝土建筑结构上新建钢结构建筑，必定要将钢梁与混凝土柱相连接，连接会进一步加大混凝土柱的受荷面积。由于该工程中既有建筑物的建设时间较为久远，无法准确掌握混凝土柱的强度承载力，因此，要对梁柱连接进行处理。设计中将工字型钢柱紧靠混凝土柱，横截面尺寸为250 mm×250 mm×8 mm×12 mm，钢梁和钢柱之间采用铰接方式连接起来。铰接在一起的梁和柱能够独立转动，梁与柱之间没有弯矩的传递，这样，钢柱只需要承受钢梁传递的轴力。铰接首先要在原钢筋混凝土墙中设置预埋件，并在预埋件上焊牢连接板，采用高强度螺栓将连接板与型钢梁腹板连接起来，如图1所示。然后再沿着混凝土柱的长度方向植入钢筋，钢筋间间隔为0.5 m，钢筋要锚入墙中，锚固长度与箍筋配置应符合国家相关标准。锚固长度计算公式为：

图1 新建钢梁与钢筋混凝土墙连接示意图

L=adfy/ft（1）式中，fy为钢筋的抗拉强度；ft为混凝土的轴心抗拉强度；a为钢筋的外形系数，根据钢筋类型的不同则取值不同，通常情况下，带肋钢筋外形系数取值0.14，光面钢筋外形系数取值0.16；d为钢筋的直径。

在钢筋锚入墙体中后，用混凝土将钢柱的外部包围起来，钢柱采用柱脚栓与原有钢筋混凝土柱的承台相连接，使新建钢筋结构与原混凝土柱连接成一个整体[2]。

3.2 新建钢梁与钢筋混凝土梁相连接

连接钢筋混凝土梁与新建钢梁时，最关键的问题是确定复合钢筋混凝土的最大承载能力，当钢筋混凝土结构承载超过最大限度时，有可能导致混凝土结构遭到破坏。在对既有建筑的安全性进行鉴定以及明确工程参数的基础上，可以采用铰接的方式将新建钢梁与钢筋混凝土梁连接。在混凝土梁上使用螺栓安装底座，再将钢梁固定或者焊接在底座上。钢筋混凝土梁承受钢梁传递的剪力可以有效减少钢筋混凝土梁的扭转效应。通过钢筋混凝土梁承受的剪力，对连接钢梁和混凝土梁的锚栓受拉承载力进行设计，可以按照式（2）进行计算：

式中，Ptv为锚栓钢材受拉承载力的设计值；ψE，t为锚栓受拉承载力抗震折减系数；Yut为锚栓钢材用于抗拉计算的强度设计值，需要根据锚栓钢材的性能等级进行取值，一般情况下，碳钢及合金钢锚栓根据性能等级分为4.8级、5.8级、6.8级、8.8级，相应的强度设计值分别为250 MPa、310 MPa、370 MPa、490 MPa；Bs为锚栓的有效截面面积。

在对锚栓钢材受剪承载力进行计算时，需要分别对有杆臂和无杆臂进行计算，计算公式为：

有杆臂锚栓钢材受剪承载力计算较为复杂，公式为：

无杆臂锚栓钢材受剪承载力计算公式为：

式中，Ca为锚栓钢材受剪承载力的设计值；σ为被验算锚栓承受的轴向拉应力，σ的取值是固定的，通常为锚栓钢材受拉承载力设计值/锚栓的有效截面面积；Fet为锚栓的横截抵抗矩；αn为约束系数；L0为杠杆臂的计算长度；ψE，V为锚栓受剪承载力抗震折减系数；Yut为用于抗剪计算的强度设计值。本工程中应用的锚栓直径大于12 mm，锚固深度超过6 cm，通过分析和计算可确定,该工程锚固设计符合新建钢梁与钢筋混凝土梁的连接要求，同时新建钢结构建筑与原有建筑物的施工资料保持一致。

3.3 既有混凝土建筑与新建钢结构连接接头施工缝防水处理

在新建钢结构建筑时，要注意连接位置的防水处理。如果既有混凝土建筑与新建钢结构建筑连接部位由于不均匀沉降而出现裂缝，必然会导致渗水问题。因此，在施工中要控制防水混凝土结构底板的混凝土垫层强度不得低于C15，厚度不能小于0.1 m。在软弱土层，混凝土垫层的厚度要达到0.15 m以上。

在本工程中，为了做好建筑接头施工缝的防水处理，施工之前先要将混凝土基层上的污物清理干净，可采用清水冲洗的方式进行清理。然后在旧混凝土面上剔槽，槽形为U形槽，操作起来简便，效率高。操作中沿着既有建筑物混凝土面的下部钢筋上口2 cm，上部钢筋下口2 cm弹线后剔除形成U形槽。U形槽的深度为5 cm，为了避免施工接缝面有明水流动，工程采用钢丝刷将U形槽内的污物刷洗干净[3]。同时，将旧混凝土接缝面肉眼可见的已经硬化的水泥浮浆采用油灰刀刮除干净。然后采用SM胶，沿槽以鱼鳞状的形式打出均匀的胶条，将整个槽腔封闭起来。SM胶是遇水膨胀嵌缝胶，能够在遇到水时发生膨胀固化从而堵住渗水口。SM胶条会出现两次膨胀，在混凝土初凝之前出现首次缓膨胀。这次膨胀的作用主要是让胶条更加密实地贴合在新旧混凝土上。在发生渗漏后，遇水SM胶条会出现再次膨胀，并出现固态化，再次膨胀的作用是封堵渗水路线，从而解决既有混凝土建筑与新建钢结构连接接头施工缝渗水的问题。接下来是预埋IT管，即全断面出浆注浆导管，IT管布置在胶下口紧贴着混凝土的接缝表面，然后将IT管与出浆注浆管的一端打通。

4 结语

综上所述，为了完善老旧建筑的功能，对城市老旧混凝土建筑进行改扩建是非常普遍的。在原有的混凝土建筑结构上连接钢结构，最重要的是要着眼于工程实际，优化工程设计方案。充分考虑既有混凝土结构的承载能力，提高工程连接实施的可行性，采取科学的、合理的措施提高新旧建筑连接的安全性、可靠性，确保既有混凝土建筑与新建钢结构建筑能够有效地结合。