魏志強

（佛山南方建筑設計院有限公司 廣東佛山528000）

1 工程概況

某大型商業(yè)體原設計為購物中心，主要經營模式為大型百貨。商業(yè)體為地下4 層（B4 層～B1 層），地上6 層（Lg 層、L1～L5 層）?；A采用獨立基礎，持力層為中風化巖石。原設計的樓層功能如下：地下室B1 層以下為停車庫，B1 層為超市，Lg～L4 層為百貨商場，L5層為會所的大空間宴會廳。

商業(yè)體未改造之前已投入使用3年，由于近些年電商等線上銷售模式的沖擊，運營商根據市場需求把該商業(yè)體業(yè)態(tài)調整為餐飲、兒童娛樂場所，為了符合新的定位調整，商業(yè)體大規(guī)模增改了中庭動線，具體的建筑改造方案如圖1 所示。其涉及主體結構方面的改造主要為拔柱、增擴中庭洞口、局部洞口封堵、廚房區(qū)域荷載等。

2 改造重點、難點

從圖1 可知，中庭洞口增擴范圍已包含了原結構柱Z1（A-7 軸交A-K 軸）、Z2（A-10 軸交A-K 軸）,故需要拆除這兩根柱。由于建設方要求L4～L5 層樓屋蓋不能拆除，且不得影響中庭上方宴會廳的正常營業(yè)，因此不能采取“拆除改造涉及區(qū)域內全部結構梁板柱后新澆”的方案。受限于上述條件，本工程存在以下幾個改造難點和重點：⑴在不破壞中庭洞口周邊支撐柱的情況下，如何實現(xiàn)新方案中庭洞口形成的近10 m 懸挑；⑵如何保證中庭上方L5 層會所在拔柱后的正常使用；⑶如何設計改造加固施工順序以確保改造的可行性。

圖1 中庭改造前后建筑方案Fig.1 Architectural Plan before and after the Atrium Reconstruction

另外由于中庭洞口周邊支撐柱的受荷范圍增加，造成Lg 層部分型鋼轉換梁截面不滿足計算要求，需考慮如何在盡量不影響B(tài)1 層超市運營的情況下，完成型鋼轉換梁的加固設計。

針對改造加固中的重點、難點，本文進行了分析設計，具體詳見第3 節(jié)。

3 主要改造構件的改造加固方法

3.1 基礎的加固

本工程基礎由于部分支撐柱受荷范圍增加，造成部分獨立基礎存在地基承載力滿足要求，但抗剪截面不滿足規(guī)范要求的情況。結合上述特點，采用增大柱截面的方式進行加固，該方案不但便于施工，還可避免擾動原地基持力層。經計算，柱每側加大約100～200 mm 即可滿足計算要求，也能滿足建筑使用功能要求。

3.2 梁板柱的加固

梁板柱加固方式[1-3]主要有：增大截面加固法、置換混凝加固法、粘貼鋼板加固法、粘貼纖維復合材料加固法、外包型鋼加固法和體外預應力加固法等。

根據工程特點，本工程框架柱采用增大截面加固法以保證加固構件的可靠性和耐久性；對于普通結構梁的加固，根據實際情況分以下情形實施：⑴箍筋不足、截面不足、框架梁面筋不足時采用增大截面加固法；⑵框架梁底筋、次梁縱筋不足時，優(yōu)先采用粘貼鋼板加固法以便施工，根據文獻[1]要求，當加固后正截面承載力提高幅度需大于40%時，改用增大截面加固法。⑶對樓板采用粘貼鋼板加固法。

3.3 中庭新增大跨度懸挑梁的改造設計

中庭洞口形成的約6～10 m 懸挑，由于支撐柱不能鑿掉重做，如采用常規(guī)植筋方式，會存在以下問題：⑴植筋膠耐久性差，用于受拉縱筋錨固時可靠性差，業(yè)內一般不用于結構梁受拉縱筋的錨固，懸挑梁由于是靜定結構更應慎用植筋錨固；⑵如采用植穿結構柱+緊固螺帽的錨固方式，由于內側結構梁的存在會導致現(xiàn)場施工困難；⑶植筋錨固對結構柱節(jié)點損傷大，按800 mm×1 600 mm 截面試算9～10 m 跨懸挑梁，其支座面筋計算值約100 cm2，約21 根φ25 鋼筋，在滿足植筋間距要求[1]的條件下，面筋層數(shù)多達4 層，其相應的鉆孔將對結構柱節(jié)點帶來很大損傷。

另外由于設備管線走線的要求，懸挑梁梁高應控制在800 mm 以內。擬采用方案如下：⑴預應力懸挑梁；⑵端部加高的普通鋼筋混凝土變截面懸挑梁?？紤]到800 mm 梁高所能布置的預應力筋角度小會導致預應力筋效率低、預應力施工困難等因素，本工程采用施工較簡單的方案2。方案2 變截面做法如下：梁端部約3～4 m 范圍梁高800 mm 以便設備管線鋪設；當懸挑跨度為6～8 m 時，梁根部約3～4 m 范圍加高至1 500 mm；當懸挑跨度為8～10 m 時，梁根部約3 m 范圍加高至1 600 mm，中間約3 m 范圍加高至1 200 mm。改造前后典型的中庭結構布置圖如圖2 所示。

圖2 中庭改造前后典型結構布置Fig.2 Typical Structural Arrangement before and after the Atrium Reconstruction

對于懸挑梁面筋錨固問題，經調研和借鑒以往其他設計人員經驗后，采用支撐柱端兩側加柱托后伸出雙懸挑次梁的改造方式。雙懸挑次梁以及柱托的做法如圖3 所示。此做法優(yōu)點如下：⑴懸挑梁面筋少，方便施工；⑵面筋錨入新增混凝土內，可靠性高；⑶對支撐柱損傷小。

圖3 支撐柱柱托和懸挑次梁改造平面及剖面圖Fig.3 Reconstructive Plane Diagram and Profile Sample of Column Cap and Cantilever Secondary Beam

長懸挑構件[4]除應按承載力設計鋼筋外，還須重點驗算其撓度，根據文獻[4]3.4.3 條懸挑梁撓度應小于l0/400（l0按實際懸臂長度2 倍計算）。本工程中庭長懸挑構件的編號和彈性撓度如圖4所示。從計算結果可知，XL1～XL7 中彈性撓度與跨度的最大比值約為4.3/11 000=1/2 558。

圖4 準永久組合工況下中庭懸挑構件的彈性撓度圖Fig.4 Elastic Deflection Diagram of Cantilever Members in Atrium Area under Quasi-permanent Combination Conditions

根據文獻[4]7.2.3-1 式，偏保守取鋼筋應變不均勻系數(shù)ψ=1.0，受拉鋼筋配筋率ρ=0.02，rf′=0，得BS=EsAsh02/2.15，結合文獻[4]7.2.2 以及7.2.5 條，不考慮受壓縱筋有利影響，懸挑構件的長期撓度約為有限元計算彈性撓度的2.4×2.15=5.16 倍。綜上懸挑梁撓度與跨度的最大比值約為1/495，滿足規(guī)范要求，可知本工程采用的長懸挑構件的設計是安全合理的。

為限制長懸挑構件的撓度絕對數(shù)值，參考文獻[5]3.4.3 條，本工程對外挑長度大于4 m 的新增懸挑梁均要求按l0/600 進行起拱（含施工起拱）。此外為了施工安全，中庭洞口周邊懸挑梁均要求拆模后回頂。

3.4 轉換構件的加固

由于中庭洞口周邊支撐柱的受荷面積增加，造成Lg 層有1 根變截面型鋼轉換梁KZL5a 截面尺寸、縱筋不滿足計算要求。KZL5a 梁原截面900 mm×1 200 mm，變截面加高范圍為900 mm×1 500 mm, 內埋800 mm×400 mm×35 mm×50 mm 的Q345 型鋼。為盡量不影響B(tài)1 層超市凈高和運營，對其采用如下加固方式相結合的方案[6-8]：⑴增大截面，梁寬每側加寬150 mm，梁高統(tǒng)一加高至1 800 mm。⑵為控制梁底裂縫，在保證新增底部鋼筋滿足計算條件的情況下，對梁底部、側下方增設鋼板。具體的加高方案如圖5 所示。由于增加了梁高，混凝土內型鋼布置由對稱變?yōu)榉菍ΨQ，原混凝土內縱筋受力變小。為了考慮上述變化影響，安全經濟的設計新增底部縱筋和鋼板，本文采用SAP2000[9]截面設計器進行了設計復核，并依據文獻[5-8]對梁底抗剪連接件承載力以及柱邊梁底受拉承載力進行了驗算。SAP2000 截面設計器是基于有限元的分析方式，能準確分析復雜截面（含組合截面）在各彎矩下的鋼筋、鋼材、混凝凝土應力應變，并給出截面的極限彎矩、設計彎矩。為節(jié)省篇幅，本文僅列出轉換梁原1 500 mm 高的梁端底筋的加固計算簡圖（見圖6）和復核結果（見圖7）。

圖5 KZL5a 梁加固方案示意圖Fig.5 Schematic Diagram of KZL5a Beam Reinforcement Plan

圖6 KZL5a 右側跨中加固計算簡圖Fig.6 Calculation Diagram of Reinforcement at the Bottom of KZL5a Beam

結果表明，新增底部縱筋和鋼板滿足受彎要求，栓釘、梁柱節(jié)點設計滿足受力要求。梁抗剪承載力驗算以STAWE 計算結果為主，并根據規(guī)范驗算截面尺寸的富裕度，結果表明轉換梁加固后截面尺寸富裕度不小于1.2。

圖7 KZL5a 梁跨中加固后受彎承載力復核結果Fig.7 Checking Results of Medium-span Flexural Bearing Capacity of KZL5a Beam after Reinforcing

3.5 屋蓋的加固

在拆除中庭結構柱Z1 和Z2 之后，為確保上方L5 層樓蓋形成的18 m 跨大梁（見圖8）不出現(xiàn)影響使用和美觀的過大撓度裂縫，本工程采用增加大截面法和體外預應力相結合的加固方法[10，11]。因原柱需待新梁施工完成后截斷，故原柱范圍內的縱筋和預應力筋需精心設計，采用原柱開圓孔穿筋的方式，具體做法如圖9 所示。預應力筋、縱筋均按各自能滿足承載力要求設計，預應力筋張拉應力按截斷柱時待截斷柱內力接近于零控制，且要求不得超張拉。

圖8 中庭上方大跨度梁加固剖面示意圖Fig.8 Section Diagram of Strengthened Long Span Beams Which is above the Atrium

圖9 原柱開圓孔穿筋做法示意圖Fig.9 Diagram of Drilling Round Holes and Reinforcing Bars on Columns

4 改造加固施工順序設計

結構構件在建筑建成之后都已進入受力狀態(tài)，對于主要受力構件的改造加固往往是牽一發(fā)動全身，甚至引發(fā)安全事故，因此有必要在充分考慮結構傳力路徑和施工條件的情況下，制定改造加固施工順序。在框架結構、剪力墻結構以及框剪結構或框支結構中，主要的傳力路徑是自上而下：樓板→梁→墻柱→基礎→地基；對于這類結構一般的改造加固順序自下而上：地基→基礎→墻柱→梁→樓板，橫向則需要針對不同的對象特點來具體安排。對于復雜改造加固項目應制定改造加固施工順序圖，以正確指導施工，避免工程事故的發(fā)生。

5 結語

本工程商業(yè)體中庭目前已順利完成結構主體改造加固。通過該改造工程的設計，得出幾點建筑改造加固設計的心得，以供設計人員參考：

⑴由于現(xiàn)實條件制約，改造加固設計需綜合既有建筑原設計條件（圖紙）、建筑實際運營情況、建筑周邊環(huán)境以及施工可行性等因素開展，其設計難度遠大于新建建筑的設計，這就需要設計人員在熟悉現(xiàn)有改造加固技術基礎上，結合客觀條件充分發(fā)揮主觀能動性去解決其中難點重點。

⑵本工程中庭新增大跨度懸挑部分，采用柱端兩側加柱托后伸出雙懸挑次梁的改造方式，避免了支撐柱因大量植筋損傷結構柱節(jié)點、面筋植筋可靠性低的情況。經計算分析和現(xiàn)場施工反饋，該懸挑改造方式可行且可靠性較高。

⑶由于鋼筋混凝土構件的受剪破壞往往是脆性的，作為關鍵構件轉換梁的抗剪截面、新舊材料、不同材料之間界面抗剪承載力的驗算應重點分析設計。對于特殊截面或組合截面的受彎承載力驗算應采取有效分析方法復核。本文采用基于有限元的SAP2000 截面設計器進行受彎承載力分析復核，分析結果表明加固梁受彎承載滿足要求。

⑷涉及豎向構件拆除的改造加固工程，設計人員應分析豎向構件拆除前后結構的傳力順序和路徑，并在此基礎上設計改造加固施工順序。對于復雜項目的改造，建議繪制改造加固施工順序圖以指導施工，避免工程事故的發(fā)生。