基于后期加固改造的工业研发楼宇结构设计

徐弘亮 长沙亿达创智置业发展有限公司工程师

2000年以后，全国各地出现了大量的工业地产项目，这些地产项目多用于工业制造厂房、物流仓库和工业研发楼宇等。对于工业制造厂房和物流仓库，后期入驻的企业比较明确，所以这类地产项目在设计阶段就能根据企业的需求进行个性化设计；对于工业研发楼宇，后期入驻的企业存在较大的随机性，在对这类地产项目进行设计时无法做到个性化设计。企业在入驻后可以根据荷载等级需求进行适当改造。

本文以亿达梅溪湖健康科技产业园中3#楼的改造为例，研究如何对工业研发楼宇建筑进行加固，同时对工业楼宇建筑的楼面荷载与柱梁配筋取值进行了一些探讨，力争在产品的设计阶段尽量满足大多数企业的需求。

1 工程背景

亿达梅溪湖健康科技产业园位于湖南省长沙市梅溪湖国际新城二期泉水路与金菊路交汇处，总建筑面积约300000 m2，容积率为1.5，多层办公楼占主要部分，有少量的高层办公楼。湖南省的一家本地企业购买了3#楼，该楼地上5层，地下1层，建筑高度21.45 m，总建筑面积6141 m2，单层建筑面积约1200 m2，可容纳673人办公，地下室层高3.9 m，首层层高4.5 m，标准层层高4.2 m。

3#楼结构形式为混凝土框架、预制管桩基础，抗震基本烈度6度，设计基准期50年，主体结构设计使用年限为50年，标准柱距为8.1 m×8.1 m。首层现浇楼板厚度为160 mm，楼面恒载1.5 kN/m2，楼面活荷载为6 kN/m2。标准层现浇楼板厚度为120 mm，楼面恒载1.5 kN/m2，楼面活荷载3.5 kN/m2。平面布置形式为相同截面尺寸的十字形次梁（250 mm×550 mm），主框架梁的截面尺寸300 mm×700 mm，采用中国建筑科学研究院空间有限元分析设计软件YJK 1.8.3设计整体结构。建筑平面布置图和结构平面布置图（如图1、图2）。

图1 建筑平面布置图

图2 结构平面布置图

入驻企业需要一个两层通高两跨的入户大堂，而原设计的入户大堂在首层的左上角，横向和纵向均为一跨，非通高。所以需要新增一部电梯，从地下室至5层停靠。1层放置一台大型的机械设备，2层做实验室，实验室内有重型实验设备，且规划一个档案室。3～5层为常规办公空间。1层机械设备荷载为6.5 kN/m2，2层实验设备荷载如表1所示。

表1 2层实验设备荷载

据表1中的单位承重，机身负极涂布房活载为5kN/m2，机身正极涂布房活载为5kN/m2，SEM分析室活载为8.5kN/m2，全电组装室的活载为4.7 kN/m2，结构分析室的活载为3.15 kN/m2，表中XRD室的活载为4.73 kN/m2，扣电组装室的活载为2.07kN/m2，电池检测室活载为3 kN/m2。

2 改造方案

2.1 入户大堂改造

由于3#栋北侧位于园区内部，南侧靠近市政道路，因此将改造后的入户大堂选择在南侧中部。改造后的入户大堂，需要切除2层相应位置的混凝土梁和楼板切除。原设计为十字型次梁，大堂的两侧需要将水平次梁切除一半，对原结构具有一定的损伤。如果采用目字型的次梁布置形式，大堂的两侧只需要顺着纵向次梁方向切除混凝土板。这样一来切除的难度小，对原结构的损伤也较少。

2.2 新增电梯改造

左侧楼梯（LT1）处主梁和次梁的间距为2500 mm，满足电梯轿厢的尺寸要求。新增电梯的位置安装在此处，靠近楼梯和原有电梯，符合人流动线的要求，而且对地下室车位的影响也较小。施工时只需要凿除新增电梯位置的混凝土楼面，新增1根200 mm×400 mm混凝土梁即可。新的入户大堂和新增电梯的平面位置如图2所示，图中阴影部分即为改造后的入户大堂，云线圈起来的部分即为新增电梯，电梯净空尺寸为2500 mm×2500 mm，符合大部分电梯品牌轿厢的尺寸要求。

2.3 2层实验室布置

根据企业的后期使用需求，将2层的平面划分为上中下3个区域，每个区域分别是纵向的1个柱距8100 mm。机身负极涂布房（编号①）、机身正极涂布房（编号②）和全电组装室（编号③）分别布置在上部区域从左至右的位置。结构分析室（编号④）、SEM分析室（编号⑤）和XRD室（编号⑥）分别布置在中部区域从左至右的位置。档案室（活载5 kN/m2，编号⑦）、扣电组装室（编号⑧）和电池检测室（编号⑨）分别布置在下部区域从左至右的位置。实验室的具体布置如图3所示。

图3 实验室的具体布置

3 计算分析与加固

在原结构计算模型中，在首层右上角的区域放置机械设备，此区域楼面的活荷载由6 kN/m2提高为6.5 kN/m2；切除2层平面的入户大堂范围内的混凝土楼板和梁，新增电梯处增加1根200 mm×400 mm的混凝土梁（梁的两端支座设置为铰接），按照实验室设备的荷载调整相应楼面的活荷载。模型调整完毕后，进行整体计算分析。

据计算结果可知，柱底轴力出现一定程度增大，但未超过原设计的基础承载力可不做处理。首层柱（±0.000～4.500 m标高）的大部分配筋增大，轴压比增大，2层梁板配筋增大，其他楼层的梁板柱配筋没有显著变化。

首层柱改造前后计算结果如表2所示，柱的纵向配筋显著增大，主要分布在上部和中部区域，最大的增幅为33.3%，最小的增幅为6.3%。首层柱的加固补强采用柱四角新增受力角钢（4L80×6或4L100×6），横向新增缀板（80×4＠300），缀板与角钢进行焊接[1-2]。新增角钢和缀板均为Q235钢材，加固施工前需要凿除矩形柱四角保护层，打磨成圆角，圆化半径为25 mm。

表2 首层柱改造前后的计算结果

2层楼板原设计板底配筋为C8＠200单层双向，配筋面积为251 mm2，板面配筋为C8＠200和C8＠150（配筋面积为335 mm2）。改造后的板底配筋面积均未超过251 mm2，板面配筋在平面的上部和中部区域有部分超原设计配筋，最大的计算值为454 mm2，增大幅度为35.5%，其余部分计算值均在268～407 mm2，增大幅度为6.8%～21.5%。板面采用高强度I级碳纤维布加固，碳纤维布厚度为0.167 mm，抗拉强度标准值为3400 MPa。在板面支座的两侧粘贴一层宽100 mm、间距400 mm的碳纤维布（1T-100＠400）[3]。碳纤维布在支座每侧的长度为相应板跨的1/4。碳纤维布加固板面如图6所示。

图4 加固柱立面

图5 加固柱平面

图6 二层板面碳纤维加固示意图

改造后的计算结果显示，2层楼面实验室范围的梁支座负筋和底筋均出现了一定程度的增大，梁支座负筋最大增幅为38.5%，梁底筋最大增幅为32%。梁的加固补强采用粘钢板方式，梁支座的位置粘一层200 mm宽、3 mm厚的钢板，钢板长度为梁跨度的1/3；梁底部粘一层尺度为200 mm宽、3 mm厚的长钢板，底部钢板通过U型箍板、钢压条和化学锚栓固定[4]。粘钢的钢材均为Q235。粘钢加固梁如图7、图8所示。

图7 加固梁立面

图8 加固梁1-1截面

根据上面的计算可知：一般工业研发楼宇的实验室布置在1层和2层，因此工业研发楼宇设计时，1层的楼面活荷载取值5～6 kN/m2，相应竖向构件的配筋放大1.1倍；2层的楼面活荷载取值3.5 kN/m2，相应的梁配筋放大1.05倍；3层及以上的楼面活荷载取值2.0 kN/m2。这样的设计不会大幅度增加建造成本，但有利于后期的加固改造。后期加固改造时可以采用较为方便快捷的粘碳纤维和粘钢方式进行加固补强，避免了采用增大构件截面的方法进行补强。

4 结语

由以上分析可知，后期对楼板开洞、增加电梯或景观楼梯等进行改造时，相比十字型的结构次梁，目字型的结构次梁具有拆除工作量小、对原结构损伤小的优点。在设计工业研发楼宇时，适当提高1层和2层的楼面活荷载，并适当提高竖向构件和2层梁的配筋率，不会大幅度增加建造成本，有利于后期的加固改造。