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1、某大型商业综合体的加固与改造设计 沈南生 上海现代建筑设计集团有限公司 摘 要： 通过对黑龙江某多层商业建筑的加固改造设计,实现了建筑项目利益的最大化,满足了建筑布局改变的要求。在设计优化过程中,首先分析了原结构存在的缺陷,并结合改建目标,采用堆载法进行基础加固;再从结构体系的合理性及加固的可行性出发,根据改造特点及结构体系的置换,分别采用加大截面、粘贴钢板及钢筋植筋等方法进行加固,取得了理想的效果,对以后相似工程的加固设计有一定的参考作用。关键词： 商业建筑; 改造; 加固; 钢结构; 作者简介：沈南生(1961),男,本科,高级工程师。通信地址:上海市石门二路258 号(200041)。收
2、稿日期：2016-06-15Reinforcement and Reconstruction Design for One Large Commercial ComplexSHEN Nansheng Shanghai Xian Dai Architectural Design(Group) Co.,Ltd.; Received： 2016-06-151 工程概况本工程位于黑龙江省哈尔滨市,当地气温条件为-3132,属于寒冷地区的加固改造商业项目。本次改建的目的主要是优化内部建筑布局及外立面的效果。改建前后建筑面积基本不变,为 160 000 m,地下 2 层,地上 3 层,局部 4 层,为混凝
3、土框架结构体系,主体建筑房屋高度 1621 m。原结构于 2006 年开工建设,于 2008 年竣工投入使用。本工程加固改造主要包括:原结构裂缝、混凝土疏松剥落处的加固;基础加固;原中庭洞口封闭,新开中庭洞口;部分柱网调整,采用钢框架替代原有混凝土框架;新增屋面采光顶;梁、板、柱结构加固;建筑外围新增幕墙。改造前后建筑如图1、2 所示。2 设计原则2.1 设计使用年限的确定设计使用年限是设计规定的一个时期,在这一规定时期内,只需进行正常的维护而不需进行大修就能按预期目的使用,完成预定的功能。一般新建结构设计使用年限为 50 年,但在进行现有建筑改造设计时不能完全按照新建建筑的要求,应根据实际需
4、要和可能,确定后续使用年限。本工程于 2006 年设计,于 2008 年竣工投入使用,根据 GB 500232009建筑抗震鉴定标准1.0.1 条,本工程具有与现行国家标准 GB 500112010建筑抗震设计规范相同的设防目标,即改造后需完全满足现行规范的要求,后续使用年限应定为 50 年。本工程设计安全等级为二级,抗震设防类别为重点设防类。原结构为钢筋混凝土框架结构体系,抗震等级为三级,大跨度框架为二级。2.2 原结构缺陷根据原设计图纸及鉴定报告,原结构存在以下几项缺陷1。1)原结构设计参照原则有误。原结构按抗震设防类别为重点设防类,但结构设缝不合理,设缝为地下室底板往上,对于仅一侧有外墙
5、的板块,按照这种设缝方式,原结构应为高层,框架抗震等级应定为二级框架,原设计按三级框架设计有误。2)嵌固端设置在地下室 2 层底板不合理。由于各板块刚度比已经满足嵌固在地下室顶板的条件,故上部结构嵌固端设在地下室底板不合理。因地下 2 层深的土侧推力无法自平衡,地底作用影响加大。建筑计算高度增高应使建筑归类于高层建筑,然而原设计并未按高层建筑进行设计。3)原结构局部抗浮能力不足。根据地勘报告,考虑到松花江下游大顶子山航电枢纽的建成,松花江哈尔滨段水位上升,因此在进行地下室抗浮设计验算时可采用松花江哈尔滨段警戒洪水位 118.10 m,但由于水文条件变化,地下水位上升,原结构局部抗浮能力不足,改
6、建后新开中庭部位亦存在抗浮能力不足的问题。4)原结构局部楼板、梁存在裂缝,有钢筋外露锈蚀的现象。缺陷部位主要位于 1层靠近地下室外墙处,渗水处混凝土保护层脱落、钢筋外露锈蚀严重;13 层部分楼面和屋面同样也存在裂缝,主要位于后浇带处。这些破损的存在严重影响了楼面板的耐久性和安全使用,应对这些区域进行防水处理,并对破损的楼板进行修复补强。5)地下室底板及外墙设缝处出现大量的渗漏现象。2.3 建筑改建要求和目标根据建筑要求,本次改建对平面布置、商业流线进行了较大调整,增加了数量较多且布局分散的新开中庭洞口,原有中庭挑空楼板封闭,柱网调整。本工程加固与改造设计总的原则:改造后结构要全面满足现行规范的
7、要求;最大限度地满足建筑布局改变的要求;工程造价合理;施工方便,工期短。3 改造加固方法及结构分析计算本工程加固改造主要分为 2 部分:对原结构缺陷处加固;因建筑布局及外立面效果改变而引起的加固改造2。3.1 针对原结构缺陷的分析与加固措施3.1.1 针对原结构设计原则有误的处理措施改变原结构嵌固端的位置,0.00 m 及以下设缝处梁、柱增加外围箍筋并为一个构件。楼板采用叠合层的方法,满足了楼板厚度不小于 180 mm 的要求。这样嵌固端位置由地下室底板变为地下室顶板,0.00 m 以上设缝位置不变。主楼钢筋混凝土框架抗震等级为三级,大跨度框架为二级;钢框架部分抗震等级为四级。3.1.2 针对
8、抗浮能力不足的加强措施因地下室停车位数量较实际需要的多,且原结构抗压承载能力富裕度较大,基础遂采用堆载法进行加强,以满足改变后的水文条件及现行规范要求。基础加强原则:不减弱原结构抗浮能力并满足新的抗浮水位的要求。3.1.3 针对楼板裂缝进行楼板应力分析和加固改造应用电算软件分析判断原结构裂缝形成的原因,并采取针对性的措施避免改建后楼板裂缝再次出现。本次工程采用 YJK 系列结构计算软件,得出温度作用下楼板应力计算结果如下:楼板靠近外墙处温度应力最大,为 1.6 MPa,C30 混凝土的混凝土轴心抗拉强度标准值为 2.01 MPa。该处楼板温度应力与竖向荷载作用下楼板应力叠加,经计算板面裂缝达到
9、 0.32 mm,不满足 GB500102010混凝土结构设计规范3.4.5条的要求。一般情况下,地下室顶板由于受到周围土的约束,不会受到较大的温差变化,但本工程地下室结构顶板标高为-0.60 m,室内外高差为 0.30 m。覆盖层薄,相当于屋面板;地下室外墙刚度较大,对楼板构成比较强的约束;且原结构楼板太薄,室外仅为 150 mm、室内为 120 mm,配筋为构造配筋,抵抗混凝土收缩及温度应力的能力弱,故造成外墙处地下室顶板开裂严重,多处渗水。解决温度应力过大比较有效的方法是对楼板施加预应力,本次改建即采用叠合层楼板的做法,将室外板加厚至 250 mm,室内加厚至 180 mm,并在板面叠合
10、层内布置钢筋、板底粘贴碳纤维,并将楼板的配筋率由全截面的 0.42%提高至 0.62%,从而提高了楼板抵抗温度应力的能力。3.1.4 针对渗水处的堵漏的处理方案变形缝产生渗漏水多数是由于变形缝的防水构造不合理,堵漏材料老化或堵漏材料不能适应频繁的变形、不能承受地下水压力,施工单位施工不到位等原因产生。针对地下室的渗漏,我们采用两步走的方法进行:先进行变形缝处注浆止水(图 3),确定不再渗漏后,再采用如图 4 所示的方法进行封堵3。3.2 建筑布局及外立面效果改变的加固改造3.2.1 对新开中庭邻近区域及原中庭楼板封闭区域的重建与加固为确保改造后的建筑效果,本工程有较多柱须拔除、移,局部进行重建
11、。重建部分采用钢框架结构进行替换,采用钢结构的优点是自重轻,且在满足建筑净高的要求下跨度可增加一倍;替换的框架柱在0.00 m 进行转换,由于自重轻,竖向荷载小,转换梁、柱截面配筋较小,混凝土现浇量小,且改造施工工期短,施工简单。缺点在于用钢量较大,钢结构与原钢筋混凝土结构材料不统一。综合考虑下来本工程还是对新开区域采用钢结构进行重建。由于本建筑存在上部结构柱因建筑效果需求必须移位且无法采用转换梁的办法在 1 层进行装换的情况,故新增柱需直接伸至结构底板,遂先行采用如下措施对新建区域下部进行加固处理4。1)在地下室底板上新建柱处做反柱帽,柱帽尺寸 1 100 mm1 100 mm300 mm(
12、按照天然基础计算,地基土承载力满足计算要求)。2)地下 1 层及 1 层新增柱梁节点处,将原梁上混凝土用手工剔凿方式拆除,节点重新浇筑;拆除地下 1 层处梁柱节点混凝土时相应楼板应采用脚手架满堂支撑,待梁柱节点浇筑完成达到龄期后方可进行上一层梁柱节点施工,施工时也应采用脚手架满堂支撑。3)因新增柱改变了框架梁支撑方式,在箍筋构造上不满足规范要求,故在新增柱两侧的梁上粘贴碳纤维 U 形箍;支座处梁顶钢筋不足部分还需在梁顶粘贴碳纤维进行加固。3.2.2 对保留部分的混凝土结构加固保留部分因局部使用功能变化,荷载加大,经复核计算需要进行加固。本工程对加固材料有一定的要求,根据 GB 50367201
13、3混凝土结构加固设计规范的规定:当设计后续使用年限为 50 年时,其所使用的胶和聚合物的黏结性能,应通过耐长期应力作用能力的检验。因本工程位于寒冷地区,所使用的结构胶亦应通过耐冻融能力检验。1)梁加固。根据 GB 503672013混凝土结构加固设计规范3.2.4 条的规定:为防止结构加固部分意外失效而导致的坍塌,在使用胶黏剂或其他聚合物的加固方法时,其加固设计除应按本规范的规定进行外,尚应对原结构进行验算。验算时,应要求原结构、构件能承担 n 倍恒载标准值的作用。原结构 2006 年设计,基本上能满足以上要求。但因建筑功能变化,如局部增加影院,恒荷载增加较大,经验算局部梁不能满足规范要求,因
14、此不能采用胶黏剂或其他聚合物的加固方法,需采用加大截面法进行加固。本工程梁加固基本原则:计算配筋为原配筋 1.01.2倍的情况采用碳纤维加固;1.21.4 倍采用粘钢加固;1.4 倍以上及原截面不满足规范要求的均采用加大截面法进行加固。2)柱加固。原结构柱配筋不足的采用外粘型钢加固法或增大截面法进行加固。3.2.3 外围幕墙钢结构因原建筑立面效果不佳,本次改造在建筑外围新增加外挑式幕墙,以改变立面效果。本工程幕墙体形复杂,主要表现在外形三维方向的变化,没有一个剖面相同且悬挑长度最大达 9 m。由于幕墙的复杂性,采用钢筋混凝土结构很难满足建筑对外形的要求,因此支撑结构采用全钢结构,钢结构与主体钢
15、筋混凝土框架在梁柱节点上进行可靠连接。为了确保结构安全、传力明确和方案合理,在设计时其钢构架通过与混凝土梁、柱节点直接连接,将荷载直接传递到主体钢筋混凝土结构上。为保证结构的整体刚度和稳定性,在水平方向设置水平支撑,使钢架形成一个整体。为塑造复杂多变的外型,实现局部变化,在一些部位采用小钢架支撑局部幕墙造型,再通过水平系杆与轴线处主体钢架连接。本工程幕墙构架构件采用 BIM 技术进行进行空间定位,如图 5 所示。4 结语结合此加固改造设计实例,可有以下参考和建议5。1)此类改建结构采用了钢框架置换,使结构自重减轻,对下部结构影响较小。2)房屋建筑在当地水文条件变化的情况下,抗浮能力或不足,需进
16、行抗浮加固。建议在水文条件变化的区域,对既有建筑进行抗浮及抗压的验算,以确保建筑的安全。3)当改造项目内部柱网调整较大时,采用钢结构能较好地实现建筑功能的需求。4)地下室楼板厚度需满足规范要求,配筋宜适当加大。5)对新建造型复杂的建筑外围幕墙采用钢结构有一定的优势。参考文献1王琴,张学恒.既有商业建筑增设自动扶梯的加固改造J.建筑结构,2009(S2):277-278. 2刘书健.大型商业建筑结构用碳纤维改造加固施工技术J.山西建筑,2012(18):104-106. 3万红宇,施宇,柯吉鹏,等.公主坟商业大厦加固改造与加层设计J.建筑结构,2010(5):59-63. 4杨显丽.某商业大厦的加固改造设计体会J.城市建筑,2015(29):32. 5淳庆,邱洪兴,王恒华.中国民族工商业博物馆加固改造设计J.建筑技术,2006(6):412-414.
