■ 李博宁 Li Boning 金云飞 Jin Yunfei

0 概述

近年来，随着国家经济实力的不断提高，大量新建建筑特别是住宅和大型商业开发、酒店等在我国各城市不断涌现。对于大型公建，往往是由一级开发商投资，在兴建初期，并不能完全确定其使用功能，而要等到主体结构完工后才开始逐步招商引资，确定租赁或出售。随着二级开发商的引入，他们会对原有建筑方案的使用功能进行一定的调整，这就产生了结构改造及加固的问题。

本文将以北京中关村西区地下空间开发工程为例，介绍目前常用的一些由于功能改变、荷载增加而引起的结构改造加固类型，以供设计人员参考。

1 工程背景

本工程为中关村西区地下空间开发工程，位于北京市海淀区中关村，地下建筑总面积超过30万m2。主体结构均采用钢筋混凝土框架结构，地下层数1～3层不等，顶板上覆土厚度1～5m不等，主要柱网尺寸8.4m×8.4m，局部大跨12.0～25.2m。

框架柱截面尺寸为800mm×800mm，为节省建筑净空，非顶层框架梁截面尺寸为800mm×500mm宽扁梁（8.4m×8.4m柱网），局部较大跨度处梁高550mm，顶板覆土部位框架梁高度有3种，分别为800mm、1 000mm和1 300mm，均采用有黏结预应力体系。楼电梯间采用250～400mm的钢筋混凝土墙体，基础采用梁板式筏基。

本工程于2001年7月开始施工图设计，但由于地下空间开发部分的二级开发商未定，许多涉及功能的条件不能及时确定，主体结构于2003年初完工。自2003年起，地下空间开发的使用功能陆续确定。根据最终功能的确定，建筑及设备专业开始深化原设计图纸，结构专业配合建筑及设备专业进行必要的改造及加固。

2 改造与加固原则

本工程涉及到的结构改造及加固包括以下内容：①由于楼板荷载增加，需要对原结构进行核算，并对梁、板分别采用黏钢加固和黏碳纤维布加固；②局部增设天井及自动扶梯开洞；③原有楼板洞口封堵；④新增楼板及墙体洞口。

在对本工程结构进行改造加固过程中，应遵守以下原则：

⑴结构改造与加固需满足建筑、设备各专业对使用功能的要求。

图1 地下开发E区地下一层加固区域示意图

⑵在满足使用要求的前提下，应尽量保持原有结构的整体性，避免对原结构产生不必要的破坏。

⑶改造后的结构使用年限维持原有结构使用年限不变。

3 结构加固

3.1 楼板荷载核算

对地下一层楼面进行荷载计算调整：①原设计输入的恒载包括楼板自重，100mm厚面层做法，吊顶荷载及建筑隔墙荷载，改为超市后恒载基本不变；②原设计输入的活载按普通商业为3.5kN/m2，改造后，活载分别为：7.5kN/m2、10.0kN/m2、15.0kN/m2。

经过对结构计算模型的调整和验算，我们得出以下结论：

⑴结构整体计算满足规范要求。

⑵原有基础满足改造后的受力要求，可不进行基础加固。

⑶原有框架柱截面及配筋满足改造后的受力要求，可不进行加固。

⑷原地下一层顶板因荷载增加不大，原板厚及配筋满足改造后受力要求，可不进行加固。

⑸原地下二层及地下一层顶板荷载增加较大，部分梁、板不能满足改造后的受力要求，需对梁、板进行加固。

3.2 黏钢加固

黏钢加固采用特制的结构胶黏剂，将钢板黏贴在钢筋混凝土结构的表面，以达到加固和增强原结构强度和刚度的目的，常适用于对钢筋混凝土受弯、大偏心受压和受拉构件的加固。本工程中采用黏钢加固的部分区域如图1所示。

3.2.1 黏钢加固的技术规定

⑴黏钢不适用于素混凝土构件，包括受力钢筋配筋率低于规范规定最小配筋率的构件加固。

⑵被加固的混凝土构件其混凝土强度不得低于C15。

⑶黏钢表面应作防腐、防火处理，满足规范规定的耐火等级。

⑷黏钢前，应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载。

3.2.2 黏钢加固的工艺流程

⑴对黏钢加固部位及相邻区域进行卸荷。

⑵混凝土表面处理：将混凝土表面打磨平整，清除粉尘，再用丙酮擦试表面。

⑶对钢板表面进行处理、打磨，使钢板出现金属光泽；打磨纹路尽量与受力方向垂直，然后用丙酮擦试干净。

⑷钢板下料，焊接。

⑸用化学锚栓将钢板固定于结构面，封堵钢板与结构面缝隙。

⑹配置结构胶，进行并压力注胶，要保证黏贴面的饱满、密实。

⑺固化养护，进行防锈、防火处理。

3.2.3 黏钢面积计算

根据《混凝土结构加固设计规范》（GB50367—2006）（以下简称《规范》）第10.2条公式：

计算黏钢面积Asp，最终选用200mm×4mm钢板（图2）。

图2 梁下部黏钢板加固图

3.3 黏贴碳纤维布

黏贴碳纤维复合材料是用特制的结构胶黏剂，将碳纤维布或成型碳纤维板黏贴在钢筋混凝土结构的表面，形成复合材料体，通过其与混凝土结构或构件的协同工作，以达到对原结构及构件加固补强的目的，常适用于对钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压和受拉构件的加固。碳纤维加固除具有黏钢加固的优点外，还包括高强高效、施工便捷，耐腐蚀性强等优点。

3.3.1 黏贴碳纤维复合材料的技术规定

⑴本方法不适用于素混凝土构件，包括受力钢筋配筋率低于规范规定最小配筋率的构件加固。

⑵被加固的混凝土构件其混凝土强度不得低于C15。

⑶外贴纤维复合材料加固钢筋混凝土构件时，应将纤维受力方式设计成仅承受拉应力作用。

⑷黏贴碳纤维表面应作防腐、防火处理，满足规范规定的耐火等级。

⑸黏贴碳纤维前，应采取措施卸除或大部分卸除作用在结构上的活荷载。

3.3.2 黏钢加固的工艺流程

⑴对黏贴碳纤维加固部位及相邻区域进行卸荷。

⑵对混凝土表面进行处理，打磨平整，清除粉尘。混凝土表层出现剥落、空鼓、蜂窝、腐蚀等劣化现象的部位应予以凿除，对于较大面积的劣质层在凿除后应用环氧砂浆进行修复；转角黏贴处要进行倒角处理并打磨成圆弧状( R ≥20mm)；用吹风机将混凝土表面清理干净，并保持干燥。

⑶涂底胶：用滚筒刷将底胶均匀涂刷于混凝土表面，待胶固化后(固化时间视现场气温而定，以指触干燥为准)再进行下一工序施工。一般固化时间为2～3d。

⑷调配、搅拌黏贴材料胶(使用方法与底胶相同)，然后均匀涂抹于待黏贴的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。

⑸黏贴碳纤维布，在确定所黏贴部位无误后剥去离型纸，用特制滚子反复沿纤维方向滚压，去除气泡，并使黏贴胶充分浸透碳纤维布。多层黏贴应重复上述步骤，待碳纤维布表面指触干燥方可进行下一层的黏贴。

⑹在最后一层碳纤维布的表面均匀涂抹黏贴胶。

⑺碳纤维布沿纤维方向的搭接长度不得＜100mm，碳纤维端部用横向碳纤维固定。

⑻加固后的碳纤维布表面应采取抹灰或喷防火涂料进行保护。

3.3.3 梁板黏贴碳纤维布的选择

本工程轴网跨度8.4m×8.4m，梁截面700mm×500mm，原配筋上下各8Φ25，板厚200mm，原配筋上部Φ 14@100，下部Φ14@200，混凝土标号为C40。

活载增加到7.5kN/m2后，计算出梁正、负弯矩分别为533 kNm、597 kNm，梁端剪力406 kN，每米宽板正、负弯矩分别为38.5kNm、72.8kNm。

梁、板上下均黏贴碳纤维布，选用碳纤维布厚度为0.167mm，重量300g/m2，设计抗拉强度≥3 000MPa。

根据《规范》第9.2条公式：

因板跨度较大，适当调幅后，最终选用单层150mm宽，间距600mm的碳纤维布，并在楼板根部设置200mm宽通长单层碳纤维布压条（图3、4）。

4 结构改造

4.1 楼板开洞与梁拆除改造

4.1.1 楼板开小洞

楼板开小洞（b、h≤200mm），可直接在楼板上人工剔凿，注意不得伤害板内原有预应力钢筋及普通钢筋（图5）。

4.1.2 楼板开大洞（200mm≤b、h≤800mm）

施工前先采取专业措施对洞口相关区域内的预应力筋进行卸荷并做好相关区域的支护，在洞边进行黏贴碳纤维布加固，水钻切割楼板，切断洞口内钢筋（图6）。

4.1.3 楼板开大洞（b、h≥800mm）

施工前先采取专业措施对洞口相关区域内的预应力筋进行卸荷并做好相关区域的支护，在洞边梁宽范围内人工剔凿留通槽，增设梁；梁钢筋植入周边框架梁，板钢筋锚入新增梁；浇注新增梁混凝土，重新张拉板内预应力筋；水钻切割楼板，切断洞口内钢筋（图7）。

图3 卖场板顶黏贴碳纤维布平面图

图4 卖场板底黏贴碳纤维布平面图

图5 楼板开小洞示意图

4.2 楼板封堵加固

4.2.1 小洞口封堵（b、h≤200mm）

在洞边剔凿斜向抗剪槽（30mm～50mm），直接浇注标号不小于周边结构的混凝土（图8）。

4.2.2 小洞口封堵（200mm≤b、h≤800mm）

在洞边剔凿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按简支计算确定须封堵楼板的钢筋，在洞口放入钢筋，浇注混凝土，标号不小于周边结构（图9）。

4.2.3 大洞口封堵（800mm≤b、h≤4000mm，洞边有梁）

图6 楼板开大洞示意图（200mm≤b、h≤800mm）

在洞边剔凿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按简支计算确定须封堵楼板的钢筋，用植筋的方法在周边梁内植入钢筋，浇注混凝土，标号不小于周边结构（图10）。因板块较小，一般不用对周边梁进行加固，若验算梁不满足要求，需要对梁进行加固。

图7 楼板开大洞示意图（b、h≥800mm）

图8 小洞口封堵（b、h≤200mm）

图9 小洞口封堵(200mm≤b、h≤800mm)

4.2.4 大洞口封堵（b、h≥4000mm）

因板块较大，若采用植筋，可能挠度较大，裂缝难以控制，故需增加次梁，以减小板的跨度及荷载；同时应对边梁进行验算，若不满足要求，需要对梁进行加固。

图10 大洞口封堵（800mm≤b、h≤400mm）

具体做法是：在原洞边梁上用化学锚栓设置埋板，增加型钢梁，上铺压型钢板，并浇注混凝土板。此方法可尽量减小楼板自重，施工周期短，适用于封堵洞口跨度较大的情况。

5 结语

此次改造加固工程于2005年基本竣工，现已投入使用。就实际效果来看，改造加固完全满足了建筑使用功能的需要，目前使用状况良好。

改造加固的方法除本篇所述内容外，还包括很多种，如增大截面加固法、置换混凝土加固法、外黏型钢加固法、绕丝加固法或高强度钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固法、裂缝修补技术、阻绣技术等，就目前来看，这些混凝土结构加固技术还有待于在实践中进一步探索、完善。