旧厂房改造为教学楼的探究与实现

康国飞 中山市建筑工程施工图设计文件审查中心有限公司

1 前言

原厂房概况：该厂房位于广东省中山市三角镇高平村，原厂房A幢由车间一（100m×30m），车间二+办公楼+定型车间（229.5m×32m）两个长方形组成，通过一个8m×24.75m走廊连接，总建筑面积为41075.08m²。结构体系为四层现浇框架结构，基本地震设防烈度7度，地震动加速度0.1g，场地类别为Ⅲ类。原设计抗震类别为丙类厂房。主跨为10m×10m×10m，11m×10m×11m，开间尺寸为6m。基础采用A型400×95PHC管桩基础，单桩竖向承载力特征值1400kN。2001年建成竣工。

图1平面布置位置示意

在进行改造的过程中，主体结构的95%都得到了保留，在原有厂房中最大限度地利用了已有结构构件。例如原有基础以及承重柱和梁，在大体不变的情况下切割了少数梁、楼板。也就是在建筑物内保留了原有的承重构件，然后通过对隔墙的调整，实现了对内部空间的重新划分。

2 改造要求

随着时代的发展，人们对环保要求的提高，这一工业厂区周边都是生活居住区，工厂需要搬迁，该厂区改为学校用地，将旧厂房改造为适应新时代的教学楼，更好地融入人们的生活，继续更好地服务社会。

3 前期资料的收集

由于档案管理不当，厂房的建筑施工图和竣工验收资料大部分缺失。因此，要求建设方委托专业单位进行既有建筑物结构可靠性鉴定，检测现有建筑的整体倾斜度、构件强度等级、构件配筋等，并给出各部分构件混凝土强度的推定値。同时又进行了场地岩土补充勘察和建筑物梁柱布置和构件尺寸的全面测绘。

4 改造方案优化

首先利用广厦GSSAP21.0版软件进行了既有建筑结构在原有使用用途工况的整体结构计算，结合保留的部分原施工资料，进行了原结构施工图的复原，绘制出原结构的结构布置、构件配筋图纸。并取得原构件的内力，为改造方案提供可靠的数据，尤其是柱底内力数据，在满足建筑功能的前提下，上部多采用轻质材料，最大化减少构件的加固数量，在进行多方案对比时，需要尽量控制柱底内力不增加，使得基础不需要加固改造，以减少改造费用和工期。

5 改造计算

依据《建筑工程抗震设防分类标准》第6.0.8条，中学教学楼抗震设防类别为乙类，抗震等级为二级，结合《结构可靠性鉴定及抗震鉴定报告》给出的材料强度等级，《补充场地岩图勘察报告》给出的场地类别，采用广厦GSSAP21.0版软件进行改造后整体空间模型（原有构件尺寸）计算，

依据《结构可靠性鉴定及抗震鉴定报告》、模拟复原结构图纸和上面的计算资料，对原有结构构件进行逐一校核，加大不满足规范要求的结构构件截面（轴压比大于0.75的柱，纵筋相差大于800mm2的柱，纵筋相差大于650mm2的梁）尺寸后，重新进行空间模型复核计算。

6 构件加固设计

依据上述最后计算数据，对原有结构构件进行逐一复核，针对不同的不足采取对应的加固措施。

（1）框架柱轴压比不足

依据《抗震设计规范》，抗震二级，框架柱轴压比不宜大于0.75，对于轴压比不足的框架柱采取加大截面加固处理，

N为地震作用组合的柱轴压力设计值；A1、A2分别为原柱截面面积、新加截面面积；fc1、fc2为原柱混凝土强度设计值、新加混凝土强度设计值。

（2）框架柱配筋不足

1）配筋相差不大于800mm2的柱，采取四角粘贴4L75×5角钢加固处理，

采用等强代换原则复核，考虑应力滞后按0.8的折减，L75×5截面面积：As=741mm2，设计强度215N/mm2，柱每边角钢2条L75×5：As=1482mm2，等代钢筋面筋：1482×215×0.8/310=822mm2大于800mm2，满足要求。

2）配筋相差大于800mm2的柱，按照加大截面加固处理，钢筋按新增钢筋与原有钢筋共同受力确定。具体依据GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》第5章进行计算。

例如：首层柱1-1×1-L两面加大截面

概况：首层柱1-1×1-L原混凝土强度等级实测值为C20，验算得轴压比不满足要求，采用两面加大截面进行加固。计算过程如下：

1＞、输入参数：a）截面参数：原柱宽：B1=350mm，原柱高：H1=600mm；加固后柱宽：B=470mm，加固后柱高：H=750mm。

b）设计内力：加固轴力设计值：N=1812kN，加固弯矩设计值：M=201kN·m。

c）材料参数：原混凝土等级：C20fco=9.6N/mm2，加固后混凝土等级：C30fc=14.3N/mm2，原受压钢筋强度设计值：fyo1=300N/mm2，原受拉钢筋强度设计值：fyo=300N/mm2，加固钢筋强度设计值：fy=360N/mm2。

d）配筋参数：原受压钢筋面积：Aso1=1140mm2，原受拉钢筋面积：Aso=1140mm2。

e）其他参数：柱的计算长度：Lo=6000mm。

2＞、计算过程和结果

偏心受压计算：e0=M/N=110.927mm，ea=25.000mm，ei=e0+ea=135.927mm，新旧混凝土混合强度设计值fcc=(fco+0.9×fc)/2=11.235N/mm2。

ξ1=0.5×fcc×b×h/N=1.093；ξ1＞1，取ξ1=1；ξ2=1.15-0.01×lo/h=1.070；ξ2＞1，取ξ2=1。

组合截面的混凝土轴心抗压强度设计值fcc=(fco+0.9×fc)/2=11.23N/mm2。

界限受压区高度：xb=ξb×h0=0.8×ho/(fyo/(Eso×εcu)+1)=372.71mm

循环迭代，求得：受压区高度x=323.68mm

加固后柱轴压比=N/(fco×Aco+αcs×fc×Ac)=0.497

实配225+218，Aa1=1491mm2，则1491mm2＞-613.74mm2，满足要求。

（3）梁正截面承载力不足

对于受弯承载力相差40%以上，采用加大截面法。

例如：二层梁1/1-1×1-L～1-P单面加大截面

概况：计算结果显示此梁不满足承载力要求，需对其进行梁加大截面加固，计算过程如下：

1＞、输入参数

a）截面参数：原梁宽：b=240mm，原梁高：h=600mm；加固前截面有效高度：h01=570mm，加固后梁宽：b1=400mm，加固后梁高：h1=600mm。

b）设计内力：原弯矩标准值：Mok=306kN·m；加固弯矩设计值：M=466kN·m。

c）材料参数：原混凝土等级：C20；fc=9.6N/mm2，ft=1.1N/mm2，新增混凝土等级：C30；fc=14.3N/mm2，ft=1.43N/mm2。

正截面计算混凝土强度设计值fco=9.6，原受压钢筋强度设计值：fyo1=300N/mm2，原受拉钢筋强度设计值：fyo=300N/mm2，加固受拉钢筋强度设计值：fy=360N/mm2。

d）配筋参数：原受压钢筋面积：As0'=982mm2，原受拉钢筋面积：As0=982mm2，新增受压钢筋面积：As1'=0mm2。

2＞、计算过程与结果

α1=1.000，β1=0.800。

a）抗弯计算：εso=Mok/(0.87×Ho1×Aso×Es0)=0.00314；εs1=(1.6×Ho/Ho1-0.6)×εso=0.00314；αs=0.900；ξb=β1/(1+αS×fy/(εcu×Es0)+εs1/εcu)=0.327

极限受压区高度xb=ξb×ho=186.657

由公式M≤αs×fy×As(ho-x/2)+fyo×Aso(ho1-x/2)+αs×fy×Ay1×(x/2-a1)+fyo1×Aso1(x/2-a1)

循环迭代计算受压区高度x，原受拉钢筋应力σs0，需配的钢筋面积As

求得x=163.739mm，σs0=300.000N/mm2

面筋实际新配525(2454mm2)，原面筋配982mm2

则As=2454+982=3436mm2＞2849.87mm2，满足要求。

（4）梁正截面承载力不足

对于承载力相差不大于40%的梁，采用粘贴碳纤维布加固。

例如：二层梁1-9×1-K～1-P、1-10×1-K～1-P，粘贴碳纤维布

概况：不满足承载力要求，采用粘贴碳纤维布进行加固。

1＞、输入参数

a）截面参数：截面宽度b=240mm；截面高度h=800mm。

b）设计内力：加固后弯矩设计值M＝319kN·m；加固前初始弯矩设计值值Mo＝242kN·m。

c）材料参数：混凝土强度等级=C18；复合材类型：单向织物（一级）；原受拉钢筋强度fyo=300N/mm2；原受压钢筋强度fyo1=300N/mm2

d＞配筋参数：复合材单层厚度tf=0.167mm；复合材层粘贴宽度bf=200mm；原受拉钢筋合力作用点到近边距离a=30mm；原受拉钢筋面积Aso=1473mm2；原受压钢筋合力作用点到近边距离a1=30mm；原受压钢筋面积Aso1=0mm2；钢筋排数=单排钢筋。

e＞其他参数：构件重要性：重要构件，结构安全等级二级。是否考虑二次受力：考虑。

2＞、计算过程和结果

正截面计算（见加固规范公式9.2.3～3，9.4.4-1，9.2.5）。

受压区高度x=234.725mm；界限相对受压区高度=317.625mm。

7 对于不满足正常使用和抗震构造要求的构件

例如：梁、柱箍筋加密间距不足，需要采用包碳纤维布、增加钢板缀板进行加固。楼梯栏杆、护窗栏杆等需要按学校要求进行复核加固。

8 基础复核

按照加固改造后的上部构件尺寸、荷载，修改电算模型，取得最后的柱底内力资料，经复核原有管桩基础和承台均满足改造后要求，基础不需要加固处理。

经过六个月的改造施工，该建筑已于2020年8月竣工验收，迎接9月新生入学，本次改造设计效果良好，赢的建设方的赞誉。