浅谈裙房常见改造与加固设计

孙钊，完海鹰，张浩

（1.合肥工业大学，安徽 合肥 230009；2.安徽固力建筑新技术发展有限责任公司，安徽 合肥 230009）

1 概 述

随着经济的发展和人民消费水平的提高，带大底盘裙房的高层建筑也越来越多，其中裙房多用于商业，塔楼多用于办公。由于前期项目规划不到位，设计未完成急于资金回笼而抢先施工，或后期租赁方要求变更使用功能，甚至出现施工质量问题亟待解决等，这时候就需要对原结构进行加固。所谓加固，是指对可靠性不足或业主要求提高可靠度的承重结构、构件及其相关部分采取增强、局部更换或调整其内力等措施，使其具有现行设计规范及业主所要求的安全性、耐久性和适用性。常见的加固方法主要有粘钢、包钢、粘贴碳纤维、增大截面、压力注浆、植筋或锚栓、聚合物砂浆、预应力加固等。对于某个建筑的某项改造，业主往往关心的是加固造价、施工工期、是否影响周边正常使用、加固后维护费用与难度等等。在加固设计的过程中，设计人员除了需要考虑业主关心的问题，还需要尽可能地建立简单有效的加固思路来进行计算，并采取合理有效的加固方法，在加固施工过程中，又存在着许多需要注意的事项。本文通过几个裙房的改造加固实例，介绍其改造内容与加固设计方法，提出几点加固计算技巧，并简要总结了设计与施工过程中的注意事项，供类似工程设计与施工参考。

2 常见改造及加固方法

2.1 使用荷载增加

使用功能变更是最常见的改造。当使用功能改变后，若使用荷载增加，并考虑原设计富余后承载力仍然不够，则需进行加固。由于加固设计规范限定粘贴碳纤维等部分加固方法只适用于承载力提高幅度不足40%的构件[1]，根据这一规定，改造所带来的荷载的改变量可以帮助预测使用哪种加固方法，以便制定粗略的加固概算。

通常楼板使用荷载增加，采用的是粘贴碳纤维、粘钢、板面浇筑钢筋混凝土叠合层、板底增设钢梁缩短板跨等方式进行加固。

某裙房建成后租赁单位变更，新入住单位要求更改卖场隔墙布局，但墙体位置在加固设计前无法提供精确定位。在设计过程中，为保证加固后具有足够的承载力，避免二次加固，将每块楼板可能出现的隔墙布局进行分类，再对荷载进行折算，折算结果表明，楼板设计活荷载标准值从4kN/m2提高至7kN/m2（一般来说粘贴碳纤维布即可），可保证后期业主使用过程中任意方式的布置轻质隔墙，这样就可以在装修方案定稿之前进行加固设计与施工，缩短了整个项目的工期，最终该建筑如期交付使用。

当使用荷载提高较多，在不改变传力路径的情况下，可以采取梁柱增大截面和增设楼板钢筋混凝土叠合层并用的加固方法，但这种方法施工工期长，操作难度大，混凝土浇筑是湿作业，影响周边环境和周边建筑的正常营业。有时候可以采取改变传力路径的方法。某裙房为地上5层钢筋混凝土框架结构，楼板采用GRF现浇混凝土空心楼盖，现拟在五层增设游泳池，荷载提升较大，若游泳池直接搁置于楼面上，需要对空心楼盖进行加固，而对这种楼盖的加固，可供参考的资料较少，计算较复杂。加固设计时，采用增设钢结构夹层的方式，游泳池搁置在钢结构夹层上，夹层离地面高度包含四部分：装饰层、钢梁最大挠度、钢梁高度及压型钢板组合楼板板厚，组合楼板剖面图如图1所示。

钢梁直接与柱子相连，这样直接把荷载传给柱子，仅需对柱子进行加固即可。经与业主协商，增设夹层后的净空仍满足使用要求，同意采用此方案。当楼板上增设机械设备等重物，应该避免楼板承受集中荷载作用，否则需要计算楼板等效均布活荷载，并通过构造措施扩散集中应力。

2.2 拆除或削弱原受力构件

拆除或削弱原构件，具体表现为楼板、梁或剪力墙开洞及拆除梁、墙等。

对于开洞来说，开洞尺寸不同，相应的加固做法也不同。图集给出了不同洞口尺寸下剪力墙开洞的包钢加固做法。楼板开洞通常是在洞口边缘下增设钢梁以便传递荷载，钢梁锚固在两边混凝土梁上，钢梁上翼缘与板底之间灌注环氧树脂结构胶，也可以在洞口四周新增钢筋混凝土梁。梁开洞则要避免破坏纵向受力主筋，通常开洞周围梁包U形箍钢板或粘贴U形箍碳纤维加固。

增设自动人行道或自动扶梯是裙房改造设计中极为常见的一种改造。它要求楼板大面积开洞，往往产生悬挑长度较长的悬臂梁，若原支座顶筋过少，无法用一般的粘贴碳纤维或粘钢来加固，此时可以通过增设混凝土悬臂梁来分担荷载，且该梁需要越过支座另一侧，如图2所示。

对内部构件的大范围拆除，可能会导致计算周期比不满足规范要求，常用的调整方法是建筑周边梁、柱增大截面或增设剪力墙。

剪力墙钢筋锚入加固层或与加固钢构件焊接连接。当新旧结构边沿齐平时，可采用局部凿除保护层后与原结构钢筋焊接连接，亦可采用新增混凝土套连接的方式，如图3所示[2]。

2.3 局部加层或中厅补板

在裙房屋顶局部加层或者室内中厅用楼板补平以增大使用面积，既需要验算传荷区域梁柱配筋，又需要复核基础。如果基础和底层不满足受力情况，需要对基础进行补强，为避免挖开大部分基础进行加固的方案，可以考虑增加剪力墙和外部框架支撑等局部措施。为减少荷载，尽量采用钢结构增层，新增墙体采用轻质材料。例如采用钢框架结构，楼板采用压型钢板或花纹钢板组合楼盖，箱型钢柱通过地脚化学螺栓锚固于原框架柱顶端，钢柱与原结构柱顶连接按铰接计算。还可以在新增结构外框架上增加柱间支撑，使得增层后结构的最大层间位移曲线、最大层间位移角、最大楼层位移曲线及最大位移在X、Y方向与原结构基本一致，这样一般只需复核原结构屋顶层和下一层的的框架梁负弯矩承载力即可。

同理封洞也尽量采用钢梁与组合楼盖的方式，钢梁与混凝土梁通过化学锚栓连接，如图4所示。

3 设计技巧与注意事项

3.1 设计技巧

3.1.1 碳纤维粘贴面积计算技巧[3]

采用等强代换方法，将碳纤维布的面积转化为等效钢筋面积,即:

式（1）中：Ase、fy、Acf分别代表钢筋抗拉强度设计值、等效钢筋面积、碳纤维布粘贴面积、碳纤维布抗拉强度设计值。则所需粘贴的碳纤维布的层数可由下式得出：

式（2）中：tcf、bc分别代表单层碳纤维布厚度、碳纤维布宽度、碳纤维布层数。

3.1.2 化繁为简的设计思路

例如新增钢梁与原混凝土构件连接采用如图4所示方式（钢梁翼缘不与端头板焊接），钢梁两端均按铰接考虑，即钢梁按简支梁计算，一方面化学螺栓仅传递剪力至原混凝土构件，螺栓布置数量计算简便，另一方面这种传力方式对原结构传力体系影响较少，可以认为不参与整体结构计算，在整体建模时仅需在对应位置对原结构构件增加竖向荷载，建模较方便。而如果按刚接计算，化学螺栓不仅要承受剪力，还有拉力、压力等，这样计算出的化学螺栓数量较多。另一方面新增的梁柱刚接节点对原结构构件产生新增的附加剪力和弯矩，所以对原结构构件加固量很大。而且钢梁参与整体受力，增加建模工作量[4]。

3.1.3 加强与业主单位的沟通

改造方案有时候是可以通过调整布局，借助现有结构等进行避免，所以在设计前要跟业主做好沟通，最大程度地减少对原结构地改动。如果能说服甲方采用合理的结构布置形式，则会大大减少设计的复杂程度。同时应向甲方告知拟采取的加固方案，详述采用此方案可能带来的后果，否则可能出现设计结束后甲方却不同意方案而告废。

3.2 注意事项

3.2.1 准确定义抗震等级[5]

裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定抗震等级外，相关范围不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶板对应的相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。当主楼采用抗震墙结构、裙房采用框架结构时，在裙房及相邻上一层高度范围内，主楼抗震墙及相关范围内框架的抗震等级，还不应低于主楼按框架-抗震墙结构确定的抗震等级。裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。

3.2.2 遵循抗震设计原则

加固设计应遵循“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”的抗震原则，所以梁增大截面应注意不要形成“强梁弱柱”。框架结构抗震加固应避免弹性状态下形成“刚度软弱层”和弹塑性状态下形成“强度薄弱层”，刚度软弱层引起结构构件内力变化幅度较大，强度薄弱层引起结构楼层塑性变形集中，使结构出现“隐含危险转移”现象。

3.2.3 审图公司常提事项

①上部荷载增加，在验算地下室柱子配筋时，尚需注意地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍；

②需要改变结构的用途和使用环境的建筑，需要进行抗震鉴定，审图时会要求提供抗震鉴定报告[6]；

③发生火灾后混凝土强度损失严重，需提供可靠的检测报告证明混凝土强度等级大于C15，否则粘贴碳纤维等加固方法无法适用，另外尚需截取钢筋等材料做试验，评定损伤等级，定义强度和构件截面折减系数[7]。

3.2.4 新老构件连接处理

新楼构件连接处理，包括界面施工处理和界面传力处理，后者常能反应出一个加固设计人员的技术水准。比方说新增剪力墙及原框架梁、柱配筋及构造应按带边框剪力墙处理，墙体周边宜设置边缘构件。剪力墙与周边结构宜采用植筋的方式连接，为减少植筋钻孔量，避免对原框架梁柱截面造成过大损伤，可采用等代连接筋。新增剪力墙中心线与原有框架梁中心线尽量重合，避免偏心。新增剪力墙应设基础，新旧基础应连成整体，并考虑新旧基础差异沉降的不利影响，一般可近似将新剪力墙地基承载力乘以系数0.8～0.9予以降低。

3.2.5 充分考虑现场施工难度

比方说改建设计采用钢结构时，需要充分考虑工厂加工方式、运输方式以及现场施工可行性等。钢梁截面尽量采用常用尺寸。再比如植筋间距不能过密，满足一定的构造间距要求，直径可以偏大，以减少植筋数量。

4 结 语

加固设计前，设计人员应先理清思路，在深入了解改造内容的基础上，根据不同加固方法的优缺点和适用范围，确定一种或几种加固方法，使加固改造对原结构的影响尽量减小。看清传力方式，拟好计算步骤，然后再按计划进行计算与作图，盲目进行设计，不仅使计算复杂化，而且会导致设计工作量加大，计算准确性也难以保证。

[1]GB50367-2013，混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国计划出版社,2013.

[2]13G311-1，混凝土结构加固构造[S].

[3]江克勤.钢筋混凝土梁粘贴纤维复合材料加固计算方法之比较[J].浙江建筑,2009（6）.

[4]徐波.某高层酒店加层改造的结构方案及梁柱节点构造[J].建筑结构,2006（3）.

[5]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

[6]GB50023-2009，建筑抗震鉴定标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2009.

[7]丰宏.火灾后建筑结构受损检测鉴定与加固[J].基建优化,2004(5).