厦门某医技楼改造加固设计

陈书田

(中机第一设计研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

随着基础建设几十年的高速发展，我国逐步进入新旧共存的城市发展现状，部分原有公用建筑已经不能满足现代使用需求，对这些建筑的改造及加固再利用引起了行业的关注。同时，建筑加固鉴定的要求也在不断提高，加固方法与技术层出不穷，根据项目实际情况确定加固原则成为加固设计首要方法，其次如何把各项加固技术有机结合运用成为现状加固技术的难点。本文结合实际工程实例，阐述如何进行加固鉴定，如何确定加固原则以及综合运用加固技术。

2 工程概况

本工程建成于1999 年，地上7 层建筑，位于厦门市思明区仙岳路468 号。平面最大长度34.60 m，最大宽度10.60 m。各层层高：1 层4.00 m，2 层3.60 m，3～7 层均为3.00 m，楼梯间出屋面部分高度为2.50 m，建筑总高约为22.60 m，建筑面积约为2 567.32 m2。该建筑原有功能为：1～2 层办公，3～7 层宿舍，丙类建筑。上部主体结构形式为混凝土框架结构，框架抗震等级三级。基础类型为梁板式筏板基础，基础底标高-4.2 m。查询原设计图纸参数活荷载取值为1.5 kN/m2，原设计基本加速度0.10g。

2021 年，建设单位拟改变建筑使用功能如下：1 层为门诊，2～5 层为康复治疗，6～7 层为办公层，平面布置图新增两部电梯，修改了楼梯位置、改变了局部平面布局。根据现行规范，变更使用功能后建筑活荷载取值为2.0 kN/m2，建筑物的抗震设防烈度为7 度（0.15g），设计地震分组为第三组，建筑场地类别II 类。由于建筑变更使用功能为门诊，按现行国家标准该建筑抗震类别应为重点设防类别，即建筑类型由丙类建筑提升为乙类建筑，框架的抗震等级由三级提升至二级。

3 检测鉴定

本工程由建设单位委托专业机构进行现场检测与安全性、抗震性鉴定。选取1 层、3 层、5 层、7 层抽样检测：该建筑混凝土柱、梁、板未发生变形、未出现裂缝、钢筋锈蚀外观完好。混凝土抗压强度回弹根据GB 50023—2009《建筑抗震鉴定标准》[1]（以下简称“09 鉴定标准”）按龄期确定修正系数0.92 确定为C25，梁、柱钢筋均与设计钢筋直径相同，结构最大侧向水平位移为1/734。通过PKPM 软件计算，结果显示该建筑1～5 层框架柱与梁、板均不满足计算配筋，鉴定单元安全性等级结果为Dsu级。根据09 鉴定标准中第1.0.4 条、1.0.5 条规定，抗震鉴定按照B 类建筑进行。抗震性鉴定结果如下：

1）该建筑两个主轴方向刚度相差较大，有明显扭转效应，抗扭刚度弱，楼层刚度沿高度分布有突变，存在薄弱层，竖向不规则；

2）该建筑部分框架柱轴压比、加密区长度不符合规范要求；

3）该建筑部分框架梁加密区长度不符合规范要求；

4）该建筑部分梁柱节点的体积配箍率不符合规范要求；

5）框架柱、梁、混凝土楼承板抗震承载力不满足要求；

6）在多遇地震工况下，最大弹性层间位移角为1/459 不符合规范要求。

场地、地基和基础根据09 鉴定标准中第4.2.2 条的规定，该建筑基础可不进行抗震鉴定。若后续改变使用功能导致荷载增加，再进行基础加固。

综上所述，震鉴定结果为该建筑物上部主体结构的不满足抗震要求，需进行加固。

4 加固设计及分析

4.1 结构后续使用年限

根据PKPM 软件计算结果，对1 层、2 层框架柱承载力的计算结果进行了统计，发现框架柱X 向计算配筋与实配钢筋最少的相差38%，最多相差64%，均值为51%；而对比2 层、3 层框架梁计算结果，梁上部钢筋计算配筋与实配钢筋相差均值也达到38%。以上数据表明，按照B 类建筑鉴定加固难工程量大，难度高，投入大。

根据2021 年9 月发布的GB 55021—2021 《既有建筑鉴定与加固通用规范》[2]其中条文说明5.1.2 中明确鼓励采用更长的后续工作年限；考虑到新规范实施日期为2022 年4 月，而设计的时间是2021 年10 月，本次鉴定仍按09 鉴定标准执行。同时在09 鉴定标准条文说明1.0.5 中“对于按89 规范系列设计建造的现有建筑，由于本地区提高设防烈度或建筑抗震设防类别提高而进行抗震鉴定时，参照国际标准《结构可靠性总原则》IOS 2394 规定，当出于经济理由选择40 年的后续使用年限却有困难时，允许略少于40 年。”原设计资料中显示，建筑后续使用年限还剩下27 年，按加固后后续使用年限30 年能满足原设计使用年限要求。经过与建设方沟通，重点从经济方面考虑，决定该建筑后续使用年限30 年（A 类建筑）。

4.2 加固设计原则

满足现行规范的要求、满足加固后抗震性能良好，满足后续建筑使用要求，尽量减少对原建筑外观改动，重点考虑节约造价、施工可行性与难度。

4.3 抗震整体性加固方案

查阅09 鉴定标准1.0.1 中条文说明地震影响系数为0.75，抗震构造综合影响系数为0.71。运用PKPM 软件建模试算，按照不同思路研究了几种抗震整体性加固方案，并根据加固设计原则进行比对。

方案一：由下而上增加原建筑5、6、12、13 轴柱子Y 方向截面，增大Y 方向梁截面高度，增加建筑Y 向刚度，减小扭转效应。根据计算结果，位移比由1/459 提高到1/570；统计框架柱与梁配筋，2 层、3 层梁柱配筋约70%出现超限，其中约20%梁柱计算配筋大于实配钢筋面积的40%。

方案二：由下而上在原建筑5 轴交A-B 轴、13 轴交A-B轴增设剪力墙，A 轴交6-7 轴、11-12 轴增设剪力墙。根据计算结果，位移比由1/459 提高到1/1130；框架柱与梁配筋中，与剪力墙相连的框架柱、角柱均出现纵筋不足，轴压比超限，2层、3 层梁配筋约30%出现超限，其中约15%大于实配钢筋面积的40%，其余各层梁配筋超限面积平均控制在25%以内。

方案三（见图1）：由上而下分别在原建筑X、Y 双向布置支撑，结合模型试算与建筑功能布局分析最终确定设置6 道支撑，分别是5 轴交A-B 轴、6 轴交A-B 轴、12 轴交A-B 轴、13 轴交A-B 轴、A 轴交8-10 轴设置钢管交叉柱间支撑，C 轴交12-13 轴设置倒八字形支撑（考虑支撑水平夹角不大于55°）（见图1）。根据计算结果，位移比由1/459 提高到1/790；框架柱与梁配筋中，与钢支撑相连的框架柱出现纵筋不足，轴压比超限，2 层、3 层梁配筋约35%出现超限，其中约15%大于实配钢筋面积的40%，其余各层梁配筋超限面积平均控制在25%以内。

图1 钢支撑加固模型

方案一未改变原有结构体系，地震工况产生的地震力均传到框架梁、柱，导致框架柱与梁配筋均大范围超限，加固难度大工程量大，且原有结构不具备加固条件。

方案二改变原结构体系变为框剪结构，增加自重较多，需要考虑对基础的加固。剪力墙作为抗震设计第一道防线吸收大多数地震力，减少对原有结构的影响。对该建筑原有筏板基础加固破坏周边路面，基础埋深为-4.2 m，需要进行基坑支护，施工难度大，施工成本高。

方案三改变原结构体系为框架支撑体系，分别利用X、Y方向钢支撑吸收双向地震力。加固后地震作用对于原结构柱、梁影响有限，能满足梁柱加固条件，后续加固工作只需满足结构承载力计算配筋即可。由于钢结构较轻，复核后无须对基础加固。钢结构对比混凝土结构施工周期短且环保，缺点是防火性较差，需要防腐措施。通过对比计算软件中预估的工程量（见表1），发现方案三混凝土用量与钢筋用量最少，说明加固对原有结构影响较小，额外加固量小，整体加固难度低。该方案未对原建筑外墙造成破坏或者改动，能保持原有建筑外观完整。

表1 工程量比较

综上比较，选择方案三。

4.4 承载力加固方案

1）柱加固分以下情况：（1）轴压比大于1 的框架柱采用增大截面的处理方式，增大截面部分先植筋后采用无收缩灌浆料填灌（不小于C35）；（2）对于轴压比大于0.75 小于1 的框架柱用角钢粘贴四角与运用碳纤维布环形箍加密进行加固；（3）PKPM 软件计算中考虑了双向地震作用，根据GB 500011—2010 《建筑抗震设计规范》（2016 年版）[3]中对于边柱、角柱的要求，因此，对于该部分柱加固采用增大截面与环向围束碳纤维布通长加密综合加固法。

2）梁加固：（1）部分框架梁为了满足抗震承载力采用增大截面法，采用纵筋、腰筋分别植筋的处理方式。对于设置钢支撑的位置采用梁底外包钢板与梁截面增大方式区分处理。对于梁承载力提高在25%以内采用粘贴钢板加固。（2）梁加密区长度不满足的采用钢箍筋板加固，布置间距为100 mm。

3）板加固：部分房间改变了为储藏室用途，荷载由1.5 kN/m2变为5 kN/m2，板承载力提升超过50%，采用增设钢梁改变板的传力模式分担原有板的荷载与钢板粘贴辅助加固法。

4.5 节点加固措施

1）支撑连接处：采用对穿螺栓固定钢锚板，钢板满足基本构造厚度的同时适当增加厚度，遵循概念设计中“强节点，弱构件”原则，提高结构延性，钢支撑与框架柱也便于连接与施工。

2）框架节点抗震加固：该建筑有部分框架节点承载力不能满足规范要求。在此考虑了两种方案。方案A：采用外粘钢箍筋穿梁法加固，根据中国建筑标准设计图集《混凝土结构加固构造》（13G311-1）[4]中第157～161 页做法。方案B：运用高强钢绞线网-聚合物砂浆加固梁柱节点。方案A 计算过程发现有部分节点无法满足截面尺寸限制，需要运用加大混凝土截面的方式加固。方案B 是利用高强钢绞线代替钢筋，聚合物砂浆代替混凝土，相比粘钢避免了老化、腐蚀的问题，钢绞线强度高修补后对自重影响较小。综上，选择方案B。

5 结论与建议

1）改造加固设计应以安全、经济合理为目的，不宜将设计使用年限定得过高，应结合建设方实际使用情况，合理地确定设计使用年限，采用较为合理的安全系数对现有结构进行加固改造。

2）对于抗震烈度较大、设防类别较高区域的建筑，梁柱配筋往往是抗震承载力控制，加固方案从整体概念设计入手，提高原有建筑整体性及刚度，改变建筑整体结构的受力体系不失为好的思路。

3）合理利用钢结构构件对加固设计能产生事半功倍的效果，但应该注意：支撑间距不应超过框架-抗震墙结构中墙体的最大距离，钢支撑只吸收地震作用可采取两端铰接的计算模型，钢支撑应有防腐、防火措施。

4）在整体加固设计中，单独构件通过加固设计能满足承载力要求，但梁柱节点的抗震构造措施，例如核心节点域配箍率不满足规范要求，设计时需要加强节点连接。