某银行芜湖分行办公大楼改造加固设计分析

张 涛，陈显文，王志明

(1.华诚博远工程技术集团有限公司,江苏 南京 210009;2.南京工大建设工程技术有限公司,江苏 南京 210009; 3.典筑设计集团有限公司,江苏 南京 210004)

2021年5月24日芜湖市住房和城乡建设局发布了《芜湖市住房和城乡建设局关于印发既有建筑改造施工图设计审查要点(试行)的通知》[1](芜湖市建函[2021]62号)文件。该文件在结构审查要点中规定:既有建筑改造时,当设防类别未提高,抗震单元内结构刚度变化不超过10%、重力荷载代表值增量不超过5%,且加固、改造的竖向抗侧构件不超5%,水平抗侧构件不超10%时,若按原设计烈度设防,延续原有设计年限,原则上可不需要进行抗震鉴定,加固改造区需先进行构件现状检测。既有建筑改造后续使用年限30 a,40 a及延续原有设计使用年限的,可执行原可靠性设计标准。

1 概述

既有建筑的改造加固应符合以下原则:1)满足改造后的建筑安全性及使用性要求;2)不得降低建筑的抗震性能;3)不得降低建筑的原有耐久性。本文通过对某银行芜湖分行营业办公大楼的改造加固工程的案例分析,探讨改造区域或改造程度在一定范围内的建筑,在满足一定前提条件时,可以兼顾经济性与安全性,适度加固。

2 工程概况

某银行芜湖分行营业办公大楼,位于安徽省芜湖市,该建筑为地下2层,地上23层的钢筋混凝土框架-核心筒结构,梁板式筏板基础,大直径人工挖孔桩,建筑面积为19 276 m2。该建筑于1996年竣工,一直作为某银行的营业办公大楼使用,期间未进行过建筑使用功能的改变及结构构件的拆改。建筑标准层平面图如图1所示。

3 结构安全性鉴定

为了解该建筑目前的结构安全状况,办公大楼进行了结构安全性鉴定,主要鉴定结论如下:

1)根据现场调查,建筑周围暂无可见裂缝,上部结构未发现不均匀沉降引起的裂缝和明显整体倾斜。场地地下水位、土压力等地质条件在使用过程中无有记载的人为或自然改变。评定地基基础安全性等级为Bu级。

2)结构布置合理,形成完整的体系,传力路径明确;结构整体性构造和连接等基本符合标准要求,满足安全要求。评定上部承重结构安全性等级为Bu级。

3)围护系统的承重部分构造合理,连接方式正确,工作无异常。评定围护系统承重部分的结构整体性安全性等级为Bu级。

根据GB 50292—2015民用建筑可靠性鉴定标准[2]对该建筑进行安全性鉴定,综合评定该建筑结构安全性等级为Bsu级,在正常使用条件下,可以安全使用。

4 建筑功能调整

因建设方对建筑使用的功能改变,现将3层办公室改为多功能会议室,楼面活荷载[3]由2.0 kN/m2改为3.0 kN/m2;4层办公室改为监控室及库房,楼面活荷载由2.0 kN/m2改为6.0 kN/m2;屋面新增65 t水箱及空调外机组(每台约300 kg);其余楼层为轻质隔断分隔的办公室。总体来讲,本次建筑功能的调整未涉及到结构构件的拆改,仅仅是楼面使用荷载的增加[4]。

5 加固设计参数的确定及计算分析

依据《芜湖市住房和城乡建设局关于印发既有建筑改造施工图设计审查要点(试行)的通知》芜市建函[2021]62号文件,既有建筑结构改造审查要点:

1)既有建筑改造,当设防类别未提高,抗震单元内结构刚度变化不超10%、重力荷载代表值增量不超5%,且加固、改造的竖向抗侧构件不超5%,水平抗侧构件不超10%时:

a.可按原设计设防烈度进行加固改造;b.加固改造后延续原有设计工作年限;c.此类改造原则上不需要进行抗震鉴定,加固改造区域需先进行构件现状检测;d.既有建筑改造后续使用年限30 a,40 a及延续原有设计使用年限的,可执行原可靠性标准[5]。

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2)本建筑为延续原结构工作年限,即后续工作年限为23 a<30 a,属于A类建筑,但实际是建于1995年,当时执行的为89抗规。依据GB 55021—2021既有建筑鉴定与加固通用规范[6]的5.1.4条,A类、B类建筑不应低于原建造时的抗震设计要求。本建筑实际上应满足GB 50023—2009建筑抗震鉴定标准[7]中B类建筑的抗震要求。故按照B类建筑,改造前和改造后分别建模计算,对比改造前后的计算结果,并统计加固前不满足要求的构件的占比。经对比计算结果,改造前建筑的刚度及重力代表值如下:

恒载产生的总质量:23 220.849 t;活载产生的总质量:1 985.895 t;结构的总质量:25 206.744 t。活载产生的总质量、自定义工况荷载产生的总质量和结构的总质量是活载折减后的结果。

改造前建筑恒载、活载、层质量分布曲线见图2,改造前多方向刚度简图见图3,构件材料见表1,加固改造前楼层侧向剪切刚度及刚度比见表2。

3)经建模计算,改造加固后建筑的刚度及重力代表值如下:

恒载产生的总质量:23 491.809 t;活载产生的总质量:2 430.616 t;结构的总质量:25 922.425 t。活载产生的总质量、自定义工况荷载产生的总质量和结构的总质量是活载折减后的结果。

改造加固后恒载、活载、层质量分布曲线见图4,改造加固后多方向刚度简图见图5,改造加固后楼层侧向剪切刚度及刚度比见表3。

4)对比改造加固前后计算结果:

a.刚度增加的最大值在第8标准层:

X向刚度变化(3.24-3.09)/3.09=4.85%<10%;

Y向刚度变化(2.8-2.67)/2.67=4.86%<10%。

表1 构件材料

表2 加固改造前楼层侧向剪切刚度及刚度比

b.重力荷载代表值增加:

ΔGe=(25 922.425-25 206.744/25 206.744=2.84%<5%。

c.未考虑核心筒抗侧力构件数量时,竖向抗侧力构件柱总数为521。经对比改造前后结构的配筋计算简图,经统计,共有24根混凝土柱轴压比或配筋不满足设计要求,需要进行加固。加固的竖向抗侧力构件占比为24/521=4.6%<5%。

d.水平抗侧梁构件总数为3 126根,对比改造前后结构的配筋计算简图,经统计,共有140根梁配筋不满足设计要求,加固的梁占比140/3 126=4.48%<10%。

由以上统计数据可知,本建筑在延续原结构工作年限的前提下,满足当地住建局通知文件的要求时,可按原设计可靠性设计标准及抗震设计规范的要求进行建模计算分析。

表3 改造加固后楼层侧向剪切刚度及刚度比

6 结构加固设计

根据模型初步试算的结果,将需要加固的梁、柱及板底钢梁输入模型计算[8],调整加固构件截面规格直至满足设计要求。经综合分析对比后,本建筑主要的加固措施及节点详图[9]如下:

1)底部柱轴压比不满足要求,采用扩大截面的方式加固,见图6。2)计算配筋超筋或较原有配筋面积增加不小于40%的梁,采用扩大截面的方式加固;配筋增加小于40%的梁,采用扩截面或粘贴碳布的方式加固,见图7,图8。3)混凝土楼板板面增加轻质加气块墙体及荷载较大的位置,板下增设钢梁,板面负筋不足之处粘贴碳布,板底配筋不足之处粘贴碳布。4)原建筑采用人工挖孔桩,桩直径为1.0 m～1.4 m,单桩承载力特征值为14 000 kN～18 500 kN。经比较改造加固前后柱底内力,柱轴力增加范围为1%～16%,柱最大轴力为14 906.6 kN<18 500 kN,桩基承载力满足要求(见图9,图10)。

7 结论

既有建筑具有鲜明的时代性,各个时期的建筑采用的设计规范不同,设计理念与今时也有差异。这就造成了加固改造受限制条件较多、技术难度较大的现象。所以,既有建筑的加固改造需要谨慎的综合考虑,既要保证主体结构的整体安全,又要确保构件的承载能力和抗震能力不低于原设计。

为达到这一目标,首先要判别加固改造对原结构影响的大小。本建筑除底部柱加固外,其余均为楼面水平构件的加固,且重力荷载代表值及刚度突变均变化不大,没有因加固产生新的薄弱层,地震作用效应不会显著增加。由此,可判定本次改造加固对原结构的抗震能力影响较小。对于这类建筑,当延续原结构工作年限时,可按原设计可靠性设计标准及抗震设计规范进行计算分析。加固时,可以仅改在范围及影响的相关范围内(不少于相邻一跨)进行加固。

同时,构件的承载能力的改变和刚度的变化,二者相互影响。实际的工作中,经常担心结构的安全,着重于加强构件的承载力,忽略刚度的变化,是不合理的做法。所以,加固必须全面考虑,综合分析,盲目的加固构件是不可取的。

加固设计是改造工程建设至关重要的环节,设计成果质量的好坏不仅直接影响建设工程的投资效益和质量安全,其技术水平和指导思想对老城市改造建设的发展也会产生重大影响。

近年来,一些地区逐渐形成了适合本地区经济发展条件的指导性文件,对符合一定条件的改造加固进行了适度的放松,也是鼓励业主和设计单位尽可能在充分利用原有结构的前提下,合理改造、适度加固。随着新材料、新技术的发展,可供选择的加固方案也会越来越多,但改造加固的基本原则不会变。2023年7月21日国务院审议通过了《关于在超大特大城市积极稳步推进城中村改造的指导意见》[10],未来将积极稳步实施城中村改造,我们也将面临新的机遇和挑战。