融合增大横截面与附加内外作用力的医院旧楼加固改造设计

周成

（复旦大学附属眼耳鼻喉科医院后勤保障部，上海 200030）

1 引言

在我国，随着城市化和现代化的推进，大量的旧楼需要进行改造以满足现代生活和工作的需要[1]。 医院旧楼由于设计和建造时期较早， 结构强度和抗震性能往往不能满足现行标准，同时，其功能布局也往往无法满足现代医疗服务的需求。 在实践中，已有许多尝试对旧楼进行改造的案例[2]。 其中，一种有效的改造方法是增大结构的横截面，使其拥有更高的承载力和抗震性。此外，通过附加内外作用力，可以进一步提高旧楼的稳定性[3]。 然而，如何将这两种方法有效融合仍然是一个值得深入探讨的问题。 因此，本文提出了一种融合增大横截面与附加内外作用力的医院旧楼的加固改造设计方法。 该方法预期可以在提高旧楼结构安全系数，提升其抗震能力的同时，还能在不改变原有楼宇面貌的情况下，实现楼宇功能的现代化改造。

2 旧楼现场勘测情况

2.1 总体情况

某医院建筑始建于1996 年，截至2023 年已有27 年的历史，属于旧式建筑。 该建筑为地上5 层钢筋混凝土框架结构房屋。 建筑总高度为22.3 m， 室内外高差为0.45 m， 绝对标高5.450 m。 房屋平面形状为矩形，东西方向总宽为17.4 m，南北方向总长为57.5 m。房屋总体为地上6 层，1 层层高4.5 m，2 层层高为4.2 m，3～4 层层高为3.6 m，5 层层高为4.5 m 和6.0 m。

2.2 地基基础

地基基础是建筑物的重要组成部分，它承受并分散上部建筑物的荷载，保证建筑物的稳定性。在勘查过程中，发现该医院旧楼的地基基础由混凝土浇筑而成，基础厚度平均为1.5 m，较为坚固。 勘测中没有发现由沉降现象导致的结构明显损伤。

2.3 承重墙体

承重墙体是建筑物的主要承重部分。 旧楼的承重墙体主要由框架结构构成。 外墙厚度约为240 mm， 内墙厚度约为240 mm， 具备一定的隔音和保温性能。 砌筑材料主要为黏土砖，这种材料具有良好的强度和耐久性，但抗震性能较差。 门窗洞口主要由木制材质构成， 这种材质具有良好的隔音和保温性能， 但对火灾的防护能力较弱。 门窗洞口的宽度一般为1.2 m，部分较大的洞口宽度可达到1.8 m，但由于洞口过大，可能会对墙体的稳定性产生影响。在现场勘测中，没有发现承重墙出现明显的变形以及结构损伤，局部前面出现开裂以及脱落。

2.4 内框架柱

内框架柱是承担建筑物竖向荷载和一部分横向荷载的重要部分。 该医院旧楼的内框架柱由钢筋混凝土构成，柱子截面尺寸约为500 mm×500 mm，横向柱间距约为7.5 m，纵向柱间距约为5 m，纵向共计11 排，横向4 排，框架柱与横墙距离为2.4 m，框架柱与外檐墙的距离约为2.5 m。 现场勘查中，没有发现该建筑中的内框架柱存在明显的形变以及损坏。

2.5 楼（屋）盖结构

楼（屋）盖结构承受并传导屋面使用功能荷载，保护内部空间免受外部环境的影响。在这座旧楼中，楼（屋）盖结构由混凝土板和钢筋混凝土梁构成，板厚约为120 mm，梁高约为600 mm，梁宽约为250 mm。纵向框架梁跨度为5 m 和7.5 m，纵向框架梁截面尺寸为250 mm×700 mm；横向次梁跨度为3.7 m，横向次梁截面尺寸为250 mm×600 mm。 在现场勘测中，未发现明显的变形、结构损坏情况，部分楼顶底板局部出现了钢筋外露锈蚀以及墙体外层脱落的情况，部分墙体出现开裂、保护层脱落的情况。

3 加固改造设计方法

3.1 增大横截面改造方案

鉴于医院旧楼结构老化， 其性能已不符合现行建筑规范要求，需进行加固改造以提升建筑物的抗震能力和安全性。

增大横截面改造的原理是通过扩大建筑横截面尺寸，增强结构的承载能力和抗震性能。 具体实施方法包括：对承重墙进行局部或整体加宽改造，提高其抗压承载能力；对局部破损严重的墙体进行加宽改造，或对整体墙体进行均匀加宽。 对柱进行局部或整体加大截面改造， 提升其轴向承载力和抗侧刚度；如对底部破损严重的柱进行局部加宽处理，或对整个柱截面进行均匀加大。 对梁进行加高或加宽改造，增强其抗弯承载力；对受弯矩较大梁段进行局部或整体加宽加高。 对节点连接进行改造，确保节点与构件衔接牢固；如加设锚栓、加强焊接等。 改造材料优先选择与原材料相近的材料，以保证构件间的相容性。改造尽量不改变建筑布局，对使用功能影响最小。图1为梁的增大横截面改造方法的示意图。

图1 增大横截面改造法示意图

3.2 附加内外作用力改造方法

3.2.1 预应力加固法

附加内外作用力改造的原理是通过引入额外的内外作用力提高结构的荷载承载能力和抗震性能。 这些作用力可以有效改善结构的稳定性，减小地震力对建筑物的影响。 具体实施方法包括：设置外部支撑系统，如钢支撑或墙体支撑，来承担旧楼的垂直载荷， 减小旧楼自身承受的应力。 使用预应力技术，向结构注入适量的预应力，优化内力分布，提高抗震性能；如对梁、柱设置预应力筋或锚杆。 设置阻尼装置或减震装置，提高结构的耗能能力，减小地震作用下的响应；常用装置有黏弹阻尼器、摩擦阻尼器等。 加设新的剪力墙或括芯墙，提高结构的整体抗侧刚度和抗震性能。 加设低变形支座，控制地震作用下结构的位移响应。 加设其他部位联结，如屋面钢结，有效提高结构整体性。

预应力加固法是附加内外作用力改造方法中的一种常用技术，用于增强医院旧楼的结构抗震能力和承载能力。 其原理是通过对结构施加预压力， 使结构在正常使用荷载下能够保持一定的预应力，从而提高结构的稳定性和抗震性能。 首先，在旧楼结构中选择适当的位置安装预应力钢束或钢带。 然后，通过张拉设备对钢束或钢带进行张拉，产生预应力。 在张拉过程中，需要控制预应力的大小和施加位置，以保证结构的稳定性和安全性。 在预应力张拉完成后，需要进行固化处理，使得结构构件能够保持预应力。 通常采用注浆或固化剂等材料对钢束或钢带进行固化，使其不会松弛。 预应力加固法原理示意图如图2 所示。

图2 预应力加固法示意图

3.2.2 钢结构外包加固法

钢结构外包加固法是一种通过在旧楼结构外部添加钢结构，以增加横截面面积和提高结构承载能力的方法。 这种方法可以使旧楼的结构更加坚固，能够承受更大的荷载力，从而满足建筑物的改造需求。 在对加固部位进行清理后，首先剥离原有的涂料和砂浆，然后涂抹黏结剂，将钢结构贴合于墙体。 钢筋外包完成后，再浇灌混凝土。 待混凝土凝固后，对其表面进行抹灰等处理，使其与原建筑外观保持一致。

4 加固改造分析

4.1 增大横截面改造效果分析

增大横截面改造方法主要通过增加梁柱尺寸和加设加强墙等措施，显著提高建筑物的承载能力和抗侧刚度，改善其抗震性能。 然而，该方法的实施过程需要较长的时间，容易对周边人们的生产生活造成影响， 并且会在一定程度上减少建筑内的可用面积。

4.2 附加内外作用力改造效果分析

4.2.1 预应力加固法效果分析

附加内外作用力改造中， 其通过对建筑内部以及外部附加额外的作用力，以增强建筑物的结构强度。 但是该方法通常需要对旧楼结构进行较大规模的改动，工程复杂度较高，需要专业的设计和施工。 并且由于附加内外作用力改造需要增加材料和施工工序，造成了额外的成本投入。

预应力加固相比其他加固方法， 可以通过预应力钢束或钢筋的施加，减小或抵消外部荷载的作用，从而减少结构的变形和应力，实现结构上的节约，并且其施工周期较短。 但是，预应力加固法对施工技术要求较高， 需要专业的工程师和施工人员进行施工，以确保预应力钢束或钢筋的稳定性和准确性，并且其具备较高的施工成本。

4.2.2 钢结构外包加固法效果分析

钢结构外包加固可以有效增加旧楼的横截面积， 提高结构的强度和稳定性。 并且其施工过程更为简单，不需要对原有结构进行大规模改造，可以有效减少施工成本和工期。 但是该方法会对原有建筑的外观产生一定的变化， 可能不符合原有建筑的设计风格，并且依然需要较长的施工时间，易对医院的正常运营造成影响。 表1 为3 种加固方法的抗震效果比对，指数越大，表明效果越好。

表1 3 种加固方法的加固效果比对

5 结论

在建筑物的长期使用和维护过程中， 由于年代久远及多种自然和人为因素的影响， 存在大量亟待加固改造的老旧建筑，特别是一些关键设施，如医院旧大楼。 为应对这一需求，本文提出了一种融合增大横截面与附加内外作用力的加固改造策略，旨在提供一种安全、经济且可行的加固方法。 然而，这种设计方案主要针对特定的建筑类型和状态。 对于其他不同类型或状况的旧楼，仍需进一步实验和优化。 今后同类型建筑物的加固改造可参照并优化本设计方案， 而针对不同类型建筑物， 将深入研究并针对性地设计出更适宜、 更优化的加固方案，以满足日益复杂和多元化的需求。