既有框剪结构加固方案探讨及实例分析

曾 华

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

目前，我国越来越多的存量建筑面临着功能提升和维修改造，随着《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068—2018）全面实施，C类建筑（即在2001年以后建造的现有建筑）的结构改造工程面临着更大的挑战[1-2]。文章以某工程的加固设计方案比选为例，简单介绍大跨度楼板改造过程中的设计难点与关键点。

1 工程概况

该工程位于广州市琶洲村，6#楼为7层公共建筑，1～2层为商铺，3～7层为办公区，首层高5m，其余层高4.5m，建筑总高度为32.0m；地下共2层，为机动车库及设备用房。

6#楼为框架核心筒结构，建筑设计使用年限50年，结构安全等级二级，为标准设防类，抗震设防烈度7度（0.10g），地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，地面粗糙度为C类，特征周期为0.35s，基本风压为0.50kN/m²。框架抗震等级三级，剪力墙抗震等级二级。

该工程要求对原二楼商铺部分区域进行改造，改造前功能为商场，改造后的功能为密集书柜、机房、电池室、健身房、厨房区域等，厨房区域有地沟，需进行降板回填处理。原商场设计时为获得大空间利用率与净高，采用大跨度梁板设计，结构板采用双向板，改造为密集书柜所在板跨为12.05m×10.7m、板厚为250mm，改造为电池室所在板跨为13.55m×8m、板厚150mm。该工程依据《建筑抗震鉴定标准》（GB 50023—2009），加固类别为C类，适用后续使用年限50年建筑，按2010系列规范采用设计内力调整系数。

2 结构计算与方案比选

该工程采用北京盈建科软件有限责任公司提供的盈建科建筑结构设计软件YJK-A进行整体结构分析，整体指标计算采用强制刚性楼板假定，其余计算不采用强制刚性楼板假定。将加固房屋的梁板柱、剪力墙等全楼模型按竣工尺寸建模，根据改造后的功能进行荷载输入，各层构件的强度等级和钢筋强度等级均按鉴定报告测定值输入，梁柱内的钢筋按实配输入。依据盈建科建模后，改造后二层建筑平面图以及建筑物三维结构视图如图1、图2所示。

依照现行规范以及受建筑功能变化的影响，结构荷载变化如表1所示。

根据《通信建筑工程设计规范》（YD 5003—2014），电池室的活载组合系数为0.9，通过计算，新增荷载后构件的弯矩与剪力增大，约为原设计值的2～3倍。依据计算结果分析与对比各类加固方案。

图1 改造后二层建筑平面图

图2 三维视图

2.1 增大截面法

增大截面法是在构件外部外包混凝土，以达到增大构件截面面积和配筋量的加固方法，该方法可显著提高构件承载能力。增大截面法是一种传统的加固方法，工艺简单，适用面广，可广泛用于梁、板、柱、墙等混凝土结构的加固。

该工程电池室所在区域跨度为13.55m的结构梁不满足承载力要求，需加固。当采用增大截面法加固该梁时，受建筑净高影响，梁底拟增加150mm，梁顶增加60mm，梁两侧各增宽50mm，根据计算结果，梁底筋需新增16根直径为25mm的三级钢。一方面该梁跨度较大，需两端分别植入直径为25mm的三级钢，大直径钢筋不易弯折，植入钢筋的对接有难度；另一方面，植筋数量过多，原柱钢筋较密，植筋需避免损伤原柱主筋，施工难度过大，方案不可行。

对于结构板而言，采用增大截面法时，在提高结构板受弯承载力的同时，也因楼板加厚加大了楼面恒载，对整个结构而言，梁柱荷载均提高，综合考虑加固的性价比不高。

2.2 粘贴钢板与粘贴碳纤维布法

粘贴钢板加固法是在混凝土构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，使其共同工作、整体受力，以提高结构承载力的一种加固方法。粘贴纤维复合材料加固法是采用高性能粘结剂将纤维复合材料粘贴在构件表面，使得两者协同工作，提高结构的抗弯和抗剪承载力[3]。规范中要求加固后正截面受弯承载能力提高幅度不大于40%，该工程加固幅度大于40%，不满足规范要求。

表1 加固前后荷载对比表

2.3 外包型钢加固法

外包型钢加固法是在结构构件四周包以型钢进行加固的方案，外包的钢构架可以完全代替或部分代替原构件工作。该方法可在不增大构件截面尺寸的情况下提高构件承载力，增大结构延性和刚度，大幅度提高结构抗震能力，但该方案造价较昂贵，施工要求高。该工程该方案计算结果显示：部分主梁不满足节点核心区受剪条件，且支座处负筋超限。对于结构板而言，需设置钢梁减小板跨度，使结构板正截面受弯承载能力满足改造后的功能。

2.4 新增支点法与粘贴钢板综合加固法

新增支点法是通过新增型钢钢柱和钢梁，减小原梁板跨度，从而提高结构承载力的一种加固方法。该工程根据地下室现有布局，在不影响地下室使用功能和基本满足基础设计要求的前提下，新增约12根钢柱。目前计算结果显示该方法可行，然而梁板部分虽因新增的钢梁减小了跨度，但部分区域仍不满足要求，需进行粘贴钢板或碳纤维板局部加固。该方案缺点：影响一楼大厅的净高以及地下室布局，需要重新进行建筑及装饰设计。另外，采用该方案时，对于大跨度梁，新增钢梁尺寸拟定为HN650×300×11×17，总重约1.2t，施工有一定难度，关键节点连接处抗剪计算尤为重要。

2.5 体外预应力综合加固法

体外预应力加固是通过拉拔钢绞线或高强钢丝等钢材，对构件施加体外预应力，从而使预加力产生的反弯矩抵消部分外荷载引起的内力，能较大幅度地提高构件极限承载力的一种加固方法。现阶段，该方法在我国多应用于混凝土桥梁的加固，房屋结构的加固应用实例较少[4]。对于跨度较大的连续梁，在承载力需大幅度提高时，可采用体外预应力综合加固方法，通过在梁底新增体外预应力钢索、梁顶采用粘贴钢板或碳纤维布等方式进行加固，从而提高主梁刚度，并大幅减小梁挠度，改善混凝土梁的抗裂性能，提高结构的耐久性[5]。依据该工程项目特点，可采用体外预应力综合加固，在连续梁中采用高强粗钢筋作为斜拉杆，滑块设置在梁的两个三分点处，水平筋采用钢丝束，用锚头将钢丝束两端锚固在梁顶端部。该方案施工工期短，不影响原有布局，对原结构损伤较小。缺点在于对建筑物层高有一定影响，施工技术要求高，后期维护成本高。

3 结束语

从上述分析对比各类加固方法的优缺点，具体如表2所示。

根据上述讨论，增加支点法与体外预应力综合加固法更适用于大跨度楼板的加固。增加支点法需根据既有建筑的结构分布，在不影响地下室和地上建筑使用功能的前提下布置新增的支点，对于大跨度连续梁，该方法能有效地降低梁跨中弯矩。体外预应力综合加固法的关键在于两端体外钢索的锚固，需计算锚固位置的受剪性能，避开钢筋密集部位，同时体外预应力的施工技术要求高，需定期维护。

表2 各类加固方案对比表