某办公大楼的抗震加固与改造设计
某办公大楼的抗震加固与改造设计
[提要] 北京某科研办公楼在原始施工中存在严重质量问题，同时经多年使用产生了很多耐久性损坏。结合可靠性与抗震鉴定报告和业主对使用功能的调整要求，对大楼进行了加固改造设计。通过在建筑物角部增加剪力墙大大提高了建筑物的抗扭性能；采用增大截面法对框架柱的加固，解决了轴压比超限和抗震能力不足问题，同时为地下室的加层创造了条件；对柱根的“烂根”问题针对具体情况采取了适当的方法。
关键词 质量缺陷，板柱结构，剪力墙，框架柱，加固，加层
1、工程介绍
某科研单位办公大楼，位于北京市，建筑面积48887平方米，地下一层，地上五层，局部六层，板柱剪力墙结构，柱网尺寸为7.5米X7.5米，地下室高度为6.13米，地上部分层高为4米，建筑物建于1986年。第1~3层为技术图书馆馆藏和阅览业务专用区，地下室为书库，珍藏着大量国家级重要史料、文献和珍贵科技资料，藏书量达上千万册。第4~5层为办公区，图1为地上部分结构平面图，图2为地下室剖面示意图。
图1 结构平面图
图2 地下室剖面图
该建筑物原始施工时存在严重质量问题，同时经多年使用产生很多耐久性损坏，根据本工程的结构可靠性与抗震鉴定报告，该结构存在以下问题：
(1)钢筋砼构件的强度普遍较低并存在较大离散性。地下室和地上1~3层的框架柱原设计砼标号为300 (相当于现行规范中的C28，下同)，而实际检测砼强度仅达到设计值的66%～82%；地下室顶板和一层、三层顶板的原设计砼标号为300，而实际检测砼强度仅达到设计值的75%～84%。
(2)部分地下室框架柱端部箍筋加密区的箍筋布置不满足设计要求。
(3)框架柱和剪力墙根部存在严重质量缺陷。缺陷部位主要在基础台面向上约400毫米处。主要问题是存在混凝土疏松、夹渣，钢筋锈蚀和钢筋偏斜、弯曲的现象。其中柱根部的混凝土疏松区深度最深者达300㎜（柱子截面尺寸为700毫米×700毫米），见图3。
(4) 地下室的顶板、柱、主梁、剪力墙和基础承台上的局部外露钢筋锈蚀较重；地下室柱和剪力墙根部的钢筋锈蚀严重；独立基础侧面构造钢筋锈蚀并将砼保护层胀裂，见图4。
(5) 地下室顶板普遍存在裂缝。板底的裂缝可分为三种类型：受力裂缝位于跨中板带或柱上板带的跨中部位，最大裂缝宽度0.3－0.4㎜左右；混凝土收缩裂缝的分布没有一定规律；后浇板带裂缝发生在后浇板带与先浇板块接缝处。后两种裂缝贯穿板厚，很多部位渗漏水严重，见图5。
(6)部分剪力墙砼疏松、标号低，墙体厚度不均匀，施工偏差过大，严重的部位由于砼的破损已形成空洞。
(7)地下室管道架空层大量积水，结构受到严重腐蚀。架空层内常年有300毫米深积水，影响砼构件耐久性；架空层的砖墩由于常年浸泡在水中，已严重粉化、破损，见图6。
图3 框架柱“烂根”现象
图4 钢筋表面严重锈蚀
图5 楼板漏水
图6 地下夹层积水
2、原结构抗震验算结果及分析
为彻底搞清原结构的实际抗震能力，仔细查阅了全套竣工图纸、施工过程全部存档资料、地质勘察报告以及使用期内大楼的历次维修改造图纸资料，结合大楼的检测鉴定结果，按照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)等现行规范，采用中国建筑科学研究院结构研究所的SATWE软件对原结构进行抗震分析，结果发现：
(1)第一自振周期为扭转周期，表明剪力墙布置不合理，结构抗扭刚度很弱。
(2)各层剪力墙抗剪能力不足，同时不满足规范GB 50011-2001中关于板柱-剪力墙结构的多项构造要求；
(3)地下室及地上一、二层框架柱轴压比超限，部分框架柱出现超筋；
(4)梁柱钢筋保护层厚度、钢筋锚固搭接长度、箍筋加密区范围、箍筋体积含钢量等多方面构造作法均不能满足GB 50011-2001的要求；
(5)出屋面的四个小塔楼在地震作用下均产生明显的鞭梢效应，从第四震型开始就有显著反应。
原设计执行的是《工业与民用建筑抗震设计规范》（TJ11-78），该规范以及后来实行的抗震规范GBJ11-89对板柱-剪力墙结构无专项抗震措施，一般按框架结构的有关要求执行，2002年颁布的《建筑抗震设计规范》（50011-2001）中明确提出了对板柱-剪力墙结构的抗震要求，与框架结构相比有更为严格的构造措施。这是抗震验算多项不能满足要求的原因之一。砼标号过低是导致框架柱轴压比超限、框架柱超筋的主要原因，同时也是剪力墙、连梁超筋的原因之一。此外，由于主体结构存在严重的质量缺陷，本结构的实际抗震能力还将低于以上验算结果。
3、结构加固改造设计
针对原结构存在的质量问题以及抗震分析结果，对大楼进行了加固设计，同时业主要求在地下室中部增加一层楼板作为密集柜书库使用。本次加固设计的基本原则是使建筑物地震作用和主要抗震措施满足北京地区抗震设防烈度8度的要求。
3.1 剪力墙的加固改造设计
(1)增加剪力墙提高抗扭刚度
在建筑平面四个角部各增加一道厚度为350毫米的剪力墙（平面呈┛），剪力墙下端在基础底板生根。通过化学植筋将剪力墙水平分布筋锚入框架柱，竖向分布筋下部锚入基础底板，上部穿过各层楼板。通过这样的处理，可有效提高结构抗扭刚度，同时使结构的抗震性能得到很大改善。
(2)现有剪力墙的加固
对现有剪力墙，采用增大截面法进行加固处理，增设钢筋网，并加强新旧砼之间的拉结，保证共同工作。一字型剪力墙端部均增加端柱，加固后的剪力墙厚度为350毫米。
(3) 屋面上四个小塔楼的加固
屋面上四个小塔楼下部的剪力墙均延续至塔楼的顶部，增加小塔楼的抗侧移能力，使得层间侧移满足规范的要求。
3.2 地下室加层设计
业主要求在地下室中部增加一层楼板作为密集柜书库使用。加层设计的难点是加层的使用荷载较大（12kN/m2）、层高限制较低（加层后每层层高3.1m左右）、书库中的设备电气管线较多、施工场地狭小。重点是控制新增楼板的结构构件所占高度和新增楼板的支撑问题。为此提出了下述两种结构方案：
方案Ⅰ为钢结构四柱双梁方案。在框架柱四角各立一个钢柱，用扁钢连结并用混凝土浇筑在一起，柱子两向各加双钢梁，这样使得加层楼板变成了变跨度连续板，最大的双向板为6.4m×6.4m，为采用普通钢筋混凝土双向板创造了条件。经测算四角的钢柱可采用双槽钢组成的250×250mm矩型截面，钢梁可采用高度为400mm的箱型截面。楼板可采用厚度为200的压型钢板－现浇钢筋混凝土组合楼面，压型钢板和混凝土作为组合板共同承受外力，同时压型钢板也代替了混凝土的底模。
本方案的特点是减少了部分现场湿作业，施工难度较小，经济性较好。但也存在明显缺陷，即结构占用空间高度较大，设备管线穿行困难。
方案Ⅱ为后张法双向预应力楼板方案，柱子可采用增大截面法进行加固处理为楼板提供支撑同时解决轴压比超限问题，如图7所示。本方案存在现场湿作业大、预应力张拉难度较大等缺陷，但其最大优点是取消了大梁，增加了可利用的有效高度（仅设置柱帽区域高度受一定影响），这是业主最希望看到的。经与业主方及各专业充分讨论协商，最终确定采用方案Ⅱ实施。
图7 双向预应力楼板方案
3.3 框架柱的加固改造设计
重点介绍一下地下室柱子结合加层进行的加固设计。
由于框架柱实测混凝土标号较低，无法满足抗震设计的轴压比要求，因此应对框架柱进行加固处理。对框架柱的加固处理要考虑两方面因素，一是为新增楼板提供有效支撑，保证楼板的冲切承载力和楼板钢筋在柱子周围的锚固要求，二是解决地下室框架柱的轴压比超限问题。结合本工程实际情况，综合考虑技术可行性、施工难度、造价等因素决定采用增大截面法对柱子进行加固。设计时遵循以下要点：
（1) 对地下室柱子的加固沿柱全高进行,如图8所示。这样做可保证地下室柱子刚度的连续性，增加对柱子周围楼板的有效约束，同时使新增柱子纵筋得以穿过楼板，避免因在楼板内弯折锚固造成此处钢筋过密难于施工。
（2) 柱子增大截面的具体尺寸应结合楼板抗冲切验算确定，同时要考虑到新增柱纵筋、楼板分布筋的便于布置等构造要求。设计时将地下室柱子每侧增加了200mm，即截面由原来的700mmX700mm增大到1100mmX1100mm，较好的解决了以上几方面的问题。
（3) 柱子新增的纵向钢筋下段锚固在基础平台上，上端锚固在地下室顶板（柱帽）内。钢筋的锚固均采用化学植筋法。连接接头采用直螺纹，因需要上下两端植筋，所以纵向钢筋的对齐连接是一个难题。因上部植筋在楼板柱帽内，钢筋较密，成孔位置较难控制，而下部植筋在基础平台上，钢筋主筋位置容易控制，所以施工时要求先用电锤在上部成孔，事先将混凝土保护层剔除，成孔要避开柱帽钢筋，待上部成孔完成后再确定下部成孔位置，这样使纵向钢筋能够保证垂直度并易于连接。
（4)为保证新旧混凝土的共同工作，施工时将原混凝土柱箍筋以外的保护层及柱的四角剔除，并对柱子表面凿毛处理，用钢丝刷刷去浮渣，用清水冲洗干净后刷高标号水泥素浆或高分子界面处理剂，之后浇筑混凝土。为保证柱子在开裂和极限状态下新旧混凝土间的剪应力有效传递，在柱子四个面上沿高度设置抗剪键。
（5) 新增柱子混凝土在靠近顶板部分的浇灌是施工难点之一。设计要求柱子上部800mm高度范围内的混凝土采用微膨胀混凝土，浇筑时在原有柱帽下利用浇灌口用高压泵泵入。拆模后若发现新增柱混凝土与顶板（柱帽）间存在缝隙，应采用压力灌浆将缝隙灌实。确保新增柱混凝土与原结构顶紧密实。
（6) 正式植筋前，按照不同钢筋直径、不同植筋部位（底面植筋、顶面植筋、水平植筋）进行现场拉拔试验，保证钢筋拉断而不被拔出。
图8 柱增大截面示意图
3.4框架柱和剪力墙根部严重质量缺陷的处理
首先通过对砼的成分检测，排除了氯离子超标引起钢筋锈蚀的可能。由于柱根破损情况不同，施工前要求全面检查每个柱根，逐根查明偏心、配筋及缺陷情况，针对每个柱根状况采取以下加固修补措施。
（1）剔除柱根质量缺陷区的疏松混凝土层和异物，清理至坚实部位。
（2）清除钢筋表面锈层。
（3）用快速抢修混凝土填补深度大于120mm的空洞。施工时应酌情分段轮换替补，采取安全监测措施。
（4）空洞深度小于120mm的柱根，用外包混凝土柱套封闭保护钢筋。
（5）修补混凝土中加入添加型阻锈剂。
（6）所有柱的根部500mm高区段涂刷渗入型阻锈剂。
3.5 地下室顶板裂缝的处理
地下室顶板存在大量裂缝，这削减了楼板平面内的刚度，影响使用性及耐久性。对贯通型的断裂裂缝用灌缝胶作压力灌缝处理，对板底的微小裂缝用环氧涂层进行封闭，在此基础上用双向粘贴碳纤维布方法对楼板进行了加固处理，提高了楼板的承载能力和整体性。
4、加固改造后结构抗震验算主要结果
（1）考虑扭转耦联的基本振动周期：
Tx=0.517, 扭转系数0.08；Ty=0.482, 扭转系数0.10；
Tt=0.476, 扭转系数0.83。
第一、第二周期为平动周期，第三周期为扭转周期。
（2）X、Y向的剪重比均大于3.2%。
（3）X向地震力作用下的楼层最大位移：1/1669；
Y向地震力作用下的楼层最大位移：1/1874。
（4）主要结构构件均满足强度和刚度要求。
5、结论
(1) 在对老建筑物进行维修改造设计前，应按照国家有关规范要求对建筑物进行结构可靠性与抗震鉴定。我国上世纪八、九十年代建造的大量房屋，由于当时的施工工艺可能存在一定问题和尚未建立完善的监理制度，可能存在这样或那样的质量问题，对此应引起重视。
(2) 对建筑物的加固设计应结合对建筑物的功能改造进行，可起到事半功倍的效果。
(3) 在原有建筑物适当部位增设剪力墙可大大改善结构的抗震性能，使其易于满足现行规范对周期比、位移比的要求。
(4) 对于原有剪力墙的抗剪能力不足和框架柱轴压比超筋超限问题，可采用扩大截面法对其进行加固。
参考文献
- 《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)
- 《砼结构加固技术规范》CECS25：90
高会宗
2007.3
