摘要：本文结合工程实例,在诸多限制条件下,以加固补强期望后续设计使用年限内符合安全标准为目标,（钢结构设计培训）对加固补强设计进行多方案比较,各种加固措施灵活运用,对该类建筑的加固设计方法进行了探讨。
关键词：办公楼；砖混结构；加固设计；设计方法
1．工程概况
某办公楼于1963年建成,该建筑由中部6层、东西两侧4层(局部5层,以下简称4层部分)、北侧3层阶梯办公室及东西两翼的实验室和阅览室组成,东西两侧2层部分设有地下室。各部分由变形缝分为独立的结构单元,6层部分建筑总高度24.70m,4层部为16.10m,总建筑面积约23000m2,全部为砖混结构。楼、屋盖体系-中厅部分、阶梯部分为现浇钢筋混凝土梁板结构;其余部分均为预制梁、槽板结构,无圈梁。基础为浆砌毛石条基,持力层为强风化板岩。该地区抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.1g,设计地震分组为第1组;基本风压值为0.65kN/m2;场地类别为Ⅰ类。
2．结构现状及加固原则
2.1．结构现状、检测情况。加固前检测单位对主楼进行了检测。经检测,红砖强度等级达到MU10,但经近50年的使用,砂浆强度严重退化,强度等级为1.0～3.5MPa,大幅度地低于原设计的50#～100#混合砂浆的强度值。纵横墙砌筑咬槎良好。设计人员现场查勘发现,有部分承重窗间墙几何尺寸与原设计不符,且相差很大,因此对所有承重墙的几何尺寸进行了现场测量。办公部分梁板未发现受力裂缝,阶梯教室梁、板混凝土强度等级均在C15左右。
抗震横墙最大间距15m(4层部分),房屋总高度24.7m(6层部分),无圈梁,不符合GB50023-2009《建筑抗震鉴定标准》的要求;抗震横墙间距亦不符合第一级鉴定要求的限值。检测结论为应采取加固补强措施。
2.2．加固原则及范围
在业主要求下,办公楼完全保持既有的建筑风格,对主楼的承载力和抗震能力进行补强加固、内部升级改造,外饰面尽量不破坏,以保持一致的外观效果;加固后续设计使用年限为30年。加固分两期进行,现阶段只对办公部分和阶梯教室进行补强加固。
3．加固方案的选择
3.1．承载力及抗震验算。在确定加固方案之前,以检测结果作为基本依据,对原墙体承载力及抗震进行了计算分析。
(1)承载力验算:对所有承重墙体进行的抗压验算结果表明,两侧4层部分满足承载力要求;中部6层部分的窗间墙、内纵墙和中厅横墙以及阶梯教室的承重外墙均不满足承载力要求,最不利墙段的计算承载力仅达到设计要求的50%～60%。(2)抗震验算:在7度区,如以后续设计使用年限30年为标准,运用地震危险性分析的研究成果,地震作用取重现期30年,按相应可接受超越概率为10%确定设防烈度,并采取相应的抗震措施,加固后的结构在后续使用年限内,其抗震设防安全可靠性可达到新建工程要求的概率水准。经计算,设防烈度约为6.7度,设计基本地震加速度为0.08g,相应多遇地震的影响系数最大值αmax=0.064,地震作用相当于7度(0.1g)时的80%。抗震构造可执行GB 50023-2009《建筑抗震鉴定标准》的相关规定。
按上述原则,经验算4层部分满足抗震验算要求(最不利部位为所需承载力的1.1倍),6层部分和阶梯教室墙体不满足抗震验算要求。
3.2．加固方案比选
根据抗压承载力和抗震验算结果,6层部分和阶梯教室墙体应进行全面补强加固;阶梯办公室大梁混凝土强度较低应进行加固;4层部分,只需按抗震构造要求进行加固。对于墙体抗压承载力不足,一般可采取面层加固或板墙加固法。考虑到主楼6层部分、阶梯办公室原砌体的砂浆强度较低,砌体抗压承载力严重不足,采取板墙加固法进行补强比较适合,并在每层楼板下纵横墙的加固板墙内设4<10水平筋加穿墙箍筋加强带,作为该位置上的圈梁。
对阶梯办公室大梁采用外粘钢加固法,以满足承载力要求。
4层部分,主要是针对刚性体系要求的抗震横墙最大间距和圈梁设置不符合鉴定标准的要求的情况,加固设计应增设抗震横墙和圈梁。增设抗震横墙,一般可采用设置基础的砖砌体墙或钢筋混凝土墙,只要与原墙体进行可靠的锚拉即可。但主楼在该位置设有局部地下室,有一道横墙至地下室顶板,底板置于毛石基础上。经复核,原基础仅考虑了地下室底板和顶板的荷载,故不能承受新增抗震墙及楼面荷载重分布后所分担的荷载,需对基础进行加固。但这样做将破坏底板,并很难解决防水问题,极易造成隐患。另外,施工期间还要进行降水,既不安全,也不经济。因此不宜采用增设实体抗震墙的方案。考虑到地下室基础及底板虽不能再承受竖向荷载,却能很好地传递地震作用下的水平剪力。经研究,采用了以钢支撑替代抗震横墙的方案,通过支撑将水平地震作用传至基础。增设圈梁,目前通常作法是在外墙上外贴钢筋混凝圈梁或型钢,内横墙采用钢拉杆与圈梁拉结,圈梁断面常采用180mm×240mm。但业主要求加固不能改变主楼的既有风格,这样,外贴圈梁的方案显然不可行。经反复研究,采取了将钢筋混凝土圈梁一分为二并置入墙体内外两侧的"嵌入式组合圈梁"方案,保证了原建筑立面不受影响。
4．加固设计
4.1．板墙加固设计。6层部分、阶梯办公室采用C20喷射混凝土板墙,内配<8@200双向钢筋网,外墙内侧单面喷射80mm厚混凝土,内墙双面喷射60mm厚混凝土,详见图1。经验算,加固后均满足承载力和抗震的要求。
4.2．嵌入式组合圈梁及拉结设计
对无圈梁的4层部分,每层外墙设嵌入式组合圈梁,详见图2,组合圈梁每隔开间用钢拉杆拉结或与进深梁锚拉。单侧走廊整体性差,是抗震的薄弱部位,该部位采用钢筋混凝土现浇拉梁(300mm×180mm)将外墙与内横墙拉杆或进深梁拉结的方式予以加强,使每层形成封闭的环箍体系,拉梁采用C20混凝土浇筑。
图2嵌入式组合圈梁
4.3．钢支撑设计
在原15m间距的内横墙间增设一道钢支撑,钢支撑设计应满足作为刚性计算方案房屋横墙的刚度要求,根据《砌体结构设计规范》(GB 50011-2001),钢支撑在风荷载和地震作用情况下,其最大位移值应满足:Umax≤H /4000(H为房屋总高度),以此为控制条件对钢支撑进行设计,详见图3,并进行了"中震"不屈服验算(地震参数参照有关文献)。
4.4．阶梯教室混凝土梁加固
阶梯教室钢筋混凝土大梁,采用梁底及支座粘钢加固的方法,以满足抗弯承载力要求;梁端设钢板箍加锚栓解决抗剪问题,同时可使端部混凝土处于多向约束状态,改善其受力性能,详见图4。
图4阶梯办公室梁加固详图
4.5．施工要求
嵌入式组合圈梁在施工时会削弱墙体,应采取分段、分面渐近式施工方式,必要时应采取支撑措施,以保证施工期间的安全。凹槽可采用机械切割方式形成,采用喷射混凝土施工。钢支撑应与原墙体及进深梁结合紧密、连结可靠,以保证有效地传递水平力,达到抗震墙的效果。
结语
(1)对于建造年代较早的老建筑,由于使用时间较长、技术资料不全,不应只对材料强度、整体及构件外观表征进行检测,设计人员还应对重要承重构件的几何尺寸进行现场勘测。以便全面、准确地反映结构现状。
(2)根据加固后的预期设计使用年限,合理确定抗震设防目标及地震作用基本参数,并按相应的标准采取抗震措施,在后续使用年限内其抗震设防安全可靠性可达到新建工程要求的安全保证概率,加固的成本相对经济。
(3)对砖混结构抗震加固时采用"嵌入式组合圈梁"可满足此类建筑的特殊要求,且效果明显。增设抗震横墙若受条件限制时,可采用符合刚性计算方案要求的其他构件替代,并加强连结,也可取得与实体墙同样的效果。
该建筑目前使用情况表明,通过采取本文所述的设计方法对其进行全面、系统的加固补强,达到了提高承载力水平、改善抗震性能和内部升级改造的目的,使这座老建筑得以重新恢复甚至超越其往日的风采。