地下空間結(jié)構(gòu)改造與加固

■ 李博寧 Li Boning 金云飛 Jin Yunfei

0 概述

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提高，大量新建建筑特別是住宅和大型商業(yè)開發(fā)、酒店等在我國各城市不斷涌現(xiàn)。對(duì)于大型公建，往往是由一級(jí)開發(fā)商投資，在興建初期，并不能完全確定其使用功能，而要等到主體結(jié)構(gòu)完工后才開始逐步招商引資，確定租賃或出售。隨著二級(jí)開發(fā)商的引入，他們會(huì)對(duì)原有建筑方案的使用功能進(jìn)行一定的調(diào)整，這就產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)改造及加固的問題。

本文將以北京中關(guān)村西區(qū)地下空間開發(fā)工程為例，介紹目前常用的一些由于功能改變、荷載增加而引起的結(jié)構(gòu)改造加固類型，以供設(shè)計(jì)人員參考。

1 工程背景

本工程為中關(guān)村西區(qū)地下空間開發(fā)工程，位于北京市海淀區(qū)中關(guān)村，地下建筑總面積超過30萬m2。主體結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下層數(shù)1～3層不等，頂板上覆土厚度1～5m不等，主要柱網(wǎng)尺寸8.4m×8.4m，局部大跨12.0～25.2m。

框架柱截面尺寸為800mm×800mm，為節(jié)省建筑凈空，非頂層框架梁截面尺寸為800mm×500mm寬扁梁（8.4m×8.4m柱網(wǎng)），局部較大跨度處梁高550mm，頂板覆土部位框架梁高度有3種，分別為800mm、1 000mm和1 300mm，均采用有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。樓電梯間采用250～400mm的鋼筋混凝土墻體，基礎(chǔ)采用梁板式筏基。

本工程于2001年7月開始施工圖設(shè)計(jì)，但由于地下空間開發(fā)部分的二級(jí)開發(fā)商未定，許多涉及功能的條件不能及時(shí)確定，主體結(jié)構(gòu)于2003年初完工。自2003年起，地下空間開發(fā)的使用功能陸續(xù)確定。根據(jù)最終功能的確定，建筑及設(shè)備專業(yè)開始深化原設(shè)計(jì)圖紙，結(jié)構(gòu)專業(yè)配合建筑及設(shè)備專業(yè)進(jìn)行必要的改造及加固。

2 改造與加固原則

本工程涉及到的結(jié)構(gòu)改造及加固包括以下內(nèi)容：①由于樓板荷載增加，需要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行核算，并對(duì)梁、板分別采用黏鋼加固和黏碳纖維布加固；②局部增設(shè)天井及自動(dòng)扶梯開洞；③原有樓板洞口封堵；④新增樓板及墻體洞口。

在對(duì)本工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造加固過程中，應(yīng)遵守以下原則：

⑴結(jié)構(gòu)改造與加固需滿足建筑、設(shè)備各專業(yè)對(duì)使用功能的要求。

圖1 地下開發(fā)E區(qū)地下一層加固區(qū)域示意圖

⑵在滿足使用要求的前提下，應(yīng)盡量保持原有結(jié)構(gòu)的整體性，避免對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不必要的破壞。

⑶改造后的結(jié)構(gòu)使用年限維持原有結(jié)構(gòu)使用年限不變。

3 結(jié)構(gòu)加固

3.1 樓板荷載核算

對(duì)地下一層樓面進(jìn)行荷載計(jì)算調(diào)整：①原設(shè)計(jì)輸入的恒載包括樓板自重，100mm厚面層做法，吊頂荷載及建筑隔墻荷載，改為超市后恒載基本不變；②原設(shè)計(jì)輸入的活載按普通商業(yè)為3.5kN/m2，改造后，活載分別為：7.5kN/m2、10.0kN/m2、15.0kN/m2。

經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的調(diào)整和驗(yàn)算，我們得出以下結(jié)論：

⑴結(jié)構(gòu)整體計(jì)算滿足規(guī)范要求。

⑵原有基礎(chǔ)滿足改造后的受力要求，可不進(jìn)行基礎(chǔ)加固。

⑶原有框架柱截面及配筋滿足改造后的受力要求，可不進(jìn)行加固。

⑷原地下一層頂板因荷載增加不大，原板厚及配筋滿足改造后受力要求，可不進(jìn)行加固。

⑸原地下二層及地下一層頂板荷載增加較大，部分梁、板不能滿足改造后的受力要求，需對(duì)梁、板進(jìn)行加固。

3.2 黏鋼加固

黏鋼加固采用特制的結(jié)構(gòu)膠黏劑，將鋼板黏貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面，以達(dá)到加固和增強(qiáng)原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的目的，常適用于對(duì)鋼筋混凝土受彎、大偏心受壓和受拉構(gòu)件的加固。本工程中采用黏鋼加固的部分區(qū)域如圖1所示。

3.2.1 黏鋼加固的技術(shù)規(guī)定

⑴黏鋼不適用于素混凝土構(gòu)件，包括受力鋼筋配筋率低于規(guī)范規(guī)定最小配筋率的構(gòu)件加固。

⑵被加固的混凝土構(gòu)件其混凝土強(qiáng)度不得低于C15。

⑶黏鋼表面應(yīng)作防腐、防火處理，滿足規(guī)范規(guī)定的耐火等級(jí)。

⑷黏鋼前，應(yīng)采取措施卸除或大部分卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。

3.2.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對(duì)黏鋼加固部位及相鄰區(qū)域進(jìn)行卸荷。

⑵混凝土表面處理：將混凝土表面打磨平整，清除粉塵，再用丙酮擦試表面。

⑶對(duì)鋼板表面進(jìn)行處理、打磨，使鋼板出現(xiàn)金屬光澤；打磨紋路盡量與受力方向垂直，然后用丙酮擦試干凈。

⑷鋼板下料，焊接。

⑸用化學(xué)錨栓將鋼板固定于結(jié)構(gòu)面，封堵鋼板與結(jié)構(gòu)面縫隙。

⑹配置結(jié)構(gòu)膠，進(jìn)行并壓力注膠，要保證黏貼面的飽滿、密實(shí)。

⑺固化養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行防銹、防火處理。

3.2.3 黏鋼面積計(jì)算

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367—2006）（以下簡稱《規(guī)范》）第10.2條公式：

計(jì)算黏鋼面積Asp，最終選用200mm×4mm鋼板（圖2）。

圖2 梁下部黏鋼板加固圖

3.3 黏貼碳纖維布

黏貼碳纖維復(fù)合材料是用特制的結(jié)構(gòu)膠黏劑，將碳纖維布或成型碳纖維板黏貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的表面，形成復(fù)合材料體，通過其與混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的協(xié)同工作，以達(dá)到對(duì)原結(jié)構(gòu)及構(gòu)件加固補(bǔ)強(qiáng)的目的，常適用于對(duì)鋼筋混凝土受彎、軸心受壓、大偏心受壓和受拉構(gòu)件的加固。碳纖維加固除具有黏鋼加固的優(yōu)點(diǎn)外，還包括高強(qiáng)高效、施工便捷，耐腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.3.1 黏貼碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)規(guī)定

⑴本方法不適用于素混凝土構(gòu)件，包括受力鋼筋配筋率低于規(guī)范規(guī)定最小配筋率的構(gòu)件加固。

⑵被加固的混凝土構(gòu)件其混凝土強(qiáng)度不得低于C15。

⑶外貼纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土構(gòu)件時(shí)，應(yīng)將纖維受力方式設(shè)計(jì)成僅承受拉應(yīng)力作用。

⑷黏貼碳纖維表面應(yīng)作防腐、防火處理，滿足規(guī)范規(guī)定的耐火等級(jí)。

⑸黏貼碳纖維前，應(yīng)采取措施卸除或大部分卸除作用在結(jié)構(gòu)上的活荷載。

3.3.2 黏鋼加固的工藝流程

⑴對(duì)黏貼碳纖維加固部位及相鄰區(qū)域進(jìn)行卸荷。

⑵對(duì)混凝土表面進(jìn)行處理，打磨平整，清除粉塵?；炷帘韺映霈F(xiàn)剝落、空鼓、蜂窩、腐蝕等劣化現(xiàn)象的部位應(yīng)予以鑿除，對(duì)于較大面積的劣質(zhì)層在鑿除后應(yīng)用環(huán)氧砂漿進(jìn)行修復(fù)；轉(zhuǎn)角黏貼處要進(jìn)行倒角處理并打磨成圓弧狀( R ≥20mm)；用吹風(fēng)機(jī)將混凝土表面清理干凈，并保持干燥。

⑶涂底膠：用滾筒刷將底膠均勻涂刷于混凝土表面，待膠固化后(固化時(shí)間視現(xiàn)場氣溫而定，以指觸干燥為準(zhǔn))再進(jìn)行下一工序施工。一般固化時(shí)間為2～3d。

⑷調(diào)配、攪拌黏貼材料膠(使用方法與底膠相同)，然后均勻涂抹于待黏貼的部位，在搭接、混凝土拐角等部位要多涂刷一些。

⑸黏貼碳纖維布，在確定所黏貼部位無誤后剝?nèi)ルx型紙，用特制滾子反復(fù)沿纖維方向滾壓，去除氣泡，并使黏貼膠充分浸透碳纖維布。多層黏貼應(yīng)重復(fù)上述步驟，待碳纖維布表面指觸干燥方可進(jìn)行下一層的黏貼。

⑹在最后一層碳纖維布的表面均勻涂抹黏貼膠。

⑺碳纖維布沿纖維方向的搭接長度不得＜100mm，碳纖維端部用橫向碳纖維固定。

⑻加固后的碳纖維布表面應(yīng)采取抹灰或噴防火涂料進(jìn)行保護(hù)。

3.3.3 梁板黏貼碳纖維布的選擇

本工程軸網(wǎng)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，混凝土標(biāo)號(hào)為C40。

活載增加到7.5kN/m2后，計(jì)算出梁正、負(fù)彎矩分別為533 kNm、597 kNm，梁端剪力406 kN，每米寬板正、負(fù)彎矩分別為38.5kNm、72.8kNm。

梁、板上下均黏貼碳纖維布，選用碳纖維布厚度為0.167mm，重量300g/m2，設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度≥3 000MPa。

根據(jù)《規(guī)范》第9.2條公式：

因板跨度較大，適當(dāng)調(diào)幅后，最終選用單層150mm寬，間距600mm的碳纖維布，并在樓板根部設(shè)置200mm寬通長單層碳纖維布?jí)簵l（圖3、4）。

4 結(jié)構(gòu)改造

4.1 樓板開洞與梁拆除改造

4.1.1 樓板開小洞

樓板開小洞（b、h≤200mm），可直接在樓板上人工剔鑿，注意不得傷害板內(nèi)原有預(yù)應(yīng)力鋼筋及普通鋼筋（圖5）。

4.1.2 樓板開大洞（200mm≤b、h≤800mm）

施工前先采取專業(yè)措施對(duì)洞口相關(guān)區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行卸荷并做好相關(guān)區(qū)域的支護(hù)，在洞邊進(jìn)行黏貼碳纖維布加固，水鉆切割樓板，切斷洞口內(nèi)鋼筋（圖6）。

4.1.3 樓板開大洞（b、h≥800mm）

施工前先采取專業(yè)措施對(duì)洞口相關(guān)區(qū)域內(nèi)的預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行卸荷并做好相關(guān)區(qū)域的支護(hù)，在洞邊梁寬范圍內(nèi)人工剔鑿留通槽，增設(shè)梁；梁鋼筋植入周邊框架梁，板鋼筋錨入新增梁；澆注新增梁混凝土，重新張拉板內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋；水鉆切割樓板，切斷洞口內(nèi)鋼筋（圖7）。

圖3 賣場板頂黏貼碳纖維布平面圖

圖4 賣場板底黏貼碳纖維布平面圖

圖5 樓板開小洞示意圖

4.2 樓板封堵加固

4.2.1 小洞口封堵（b、h≤200mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），直接澆注標(biāo)號(hào)不小于周邊結(jié)構(gòu)的混凝土（圖8）。

4.2.2 小洞口封堵（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計(jì)算確定須封堵樓板的鋼筋，在洞口放入鋼筋，澆注混凝土，標(biāo)號(hào)不小于周邊結(jié)構(gòu)（圖9）。

4.2.3 大洞口封堵（800mm≤b、h≤4000mm，洞邊有梁）

圖6 樓板開大洞示意圖（200mm≤b、h≤800mm）

在洞邊剔鑿斜向抗剪槽（30mm～50mm），按簡支計(jì)算確定須封堵樓板的鋼筋，用植筋的方法在周邊梁內(nèi)植入鋼筋，澆注混凝土，標(biāo)號(hào)不小于周邊結(jié)構(gòu)（圖10）。因板塊較小，一般不用對(duì)周邊梁進(jìn)行加固，若驗(yàn)算梁不滿足要求，需要對(duì)梁進(jìn)行加固。

圖7 樓板開大洞示意圖（b、h≥800mm）

圖8 小洞口封堵（b、h≤200mm）

圖9 小洞口封堵(200mm≤b、h≤800mm)

4.2.4 大洞口封堵（b、h≥4000mm）

因板塊較大，若采用植筋，可能撓度較大，裂縫難以控制，故需增加次梁，以減小板的跨度及荷載；同時(shí)應(yīng)對(duì)邊梁進(jìn)行驗(yàn)算，若不滿足要求，需要對(duì)梁進(jìn)行加固。

圖10 大洞口封堵（800mm≤b、h≤400mm）

具體做法是：在原洞邊梁上用化學(xué)錨栓設(shè)置埋板，增加型鋼梁，上鋪壓型鋼板，并澆注混凝土板。此方法可盡量減小樓板自重，施工周期短，適用于封堵洞口跨度較大的情況。

5 結(jié)語

此次改造加固工程于2005年基本竣工，現(xiàn)已投入使用。就實(shí)際效果來看，改造加固完全滿足了建筑使用功能的需要，目前使用狀況良好。

改造加固的方法除本篇所述內(nèi)容外，還包括很多種，如增大截面加固法、置換混凝土加固法、外黏型鋼加固法、繞絲加固法或高強(qiáng)度鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿外加層加固法、裂縫修補(bǔ)技術(shù)、阻繡技術(shù)等，就目前來看，這些混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)還有待于在實(shí)踐中進(jìn)一步探索、完善。