短板式低標(biāo)準(zhǔn)住宅改造技術(shù)研究

馬杰

（中國中元國際工程有限公司，北京 100089）

1 引言

20世紀(jì)80年代，為滿足人們住房需求，北京市建設(shè)了一大批高層住宅。此類住宅建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)在相比較低、建筑面積偏小、空間布局不合理、配套設(shè)施不足、保溫節(jié)能性能較差，當(dāng)時結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范安全度偏低等。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，此類住宅已不能滿足人們的居住需求；為避免拆除新建造成資源浪費(fèi)，可對此建筑進(jìn)行相應(yīng)的提升，以改善現(xiàn)狀。

低標(biāo)準(zhǔn)高層住宅基本上為剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻結(jié)構(gòu)又分為長板式和短板式結(jié)構(gòu)兩種。本文主要就短板式結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論研究，長板式研究，參見文獻(xiàn)[1]。通過對結(jié)構(gòu)安全性能的模擬計算和分析，可以使人們對低標(biāo)準(zhǔn)住宅受力狀態(tài)有一個清晰的認(rèn)識，還可以為建筑改造的可實施性、經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)安全性提供依據(jù)。

2 低標(biāo)準(zhǔn)住宅的基本情況

短板式高層住宅，其建筑物的進(jìn)深尺寸約為10 m，長度在40 m以內(nèi)，通常為1~2道內(nèi)縱墻和多道橫墻，現(xiàn)澆，外縱墻和外橫墻為預(yù)制。

整體抗側(cè)力體系以內(nèi)墻為主，承擔(dān)大部分地震力。預(yù)制外墻因為采用復(fù)合輕質(zhì)材料，彈性模量和現(xiàn)澆混凝土比相應(yīng)較小。由于裝配節(jié)點引起的剛度削弱，且窗洞面積也比內(nèi)墻大，整體剛度較低，所承受的地震力也較內(nèi)墻小很多，主要起維護(hù)作用。

此類建筑建設(shè)于改革開放初期，以1979年發(fā)布的JZ 102—79《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)定》[2]為設(shè)計和施工依據(jù)，符合當(dāng)時的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和技術(shù)水平，并在正常使用年限內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全可靠。

根據(jù)GB 50023—2009《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[3]，對20世紀(jì)80年代建造的現(xiàn)有建筑進(jìn)行鑒定并繼續(xù)使用的，后續(xù)使用年限宜采用40年或者更長，本文研究目標(biāo)擬采用50年，抗震規(guī)范應(yīng)采用國家現(xiàn)行規(guī)范GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（2016年版）的要求進(jìn)行抗震鑒定及加固。

3 改造前后結(jié)構(gòu)安全性比較

以某短板式剪力墻結(jié)構(gòu)高層住宅為例，建于1982年，地下2層，地上16層；橫墻間距3.3 m，進(jìn)深5.1 m；設(shè)2道縱向剪力墻和多道橫向剪力墻，厚度140~160 mm，混凝土標(biāo)號1~10層為300號，可按目前的C30混凝土計算；10層以上為200號混凝土，按C20混凝土計算；混凝土外墻為預(yù)制墻板，墻厚280 mm，混凝土標(biāo)號200號混凝土。

改造前結(jié)構(gòu)平面如圖1所示。

圖1 改造前結(jié)構(gòu)平面圖

加固改造做法為將原有外墻和樓板分批拆除，原樓梯間、電梯間改造為房間，另擴(kuò)建部分房間、樓梯間和電梯間，如圖2所示。

擴(kuò)建部分采用鋼筋混凝土剪力墻，考慮原預(yù)制構(gòu)件與內(nèi)澆墻板連接處節(jié)點鋼筋較密且較復(fù)雜，接建墻體通過直接植筋與原主體結(jié)構(gòu)連接難以實現(xiàn)；可剔除連接處部分混凝土，保留鋼筋；并在連接部分設(shè)置暗柱，接建結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋錨入暗柱，然后澆筑高強(qiáng)度微膨脹混凝土來加強(qiáng)新建墻體與原主體結(jié)構(gòu)的可靠連接，使其共同作用；接建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)可通過植筋與原建筑基礎(chǔ)形成整體。新老混凝土界面注意鑿毛處理，清洗干凈并涂刷結(jié)合劑來保證結(jié)合可靠。

原建筑樓板為預(yù)制樓板，設(shè)計允許荷載低于現(xiàn)行規(guī)范，有一定安全隱患。為保證使用安全，提高整體可靠性，全部更換為現(xiàn)澆混凝土樓板，與原有結(jié)構(gòu)連接節(jié)點可參照墻體連接做法處理，新建的現(xiàn)澆樓板將新老混凝土剪力墻充分結(jié)合，形成整體的新抗側(cè)力體系，大大改善了結(jié)構(gòu)安全。

3.1 截面抗震驗算比較

經(jīng)過計算和審核，原結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。 除下部樓層縱剪力墻有少量超筋外，墻體基本不超筋，但連梁超筋情況較多。

根據(jù)新的改造加固方案，大樓電梯間封閉，房間擴(kuò)建，并增加現(xiàn)澆外墻和現(xiàn)澆樓板，整體結(jié)構(gòu)更加均衡。由于新建剪力墻剛度高，結(jié)構(gòu)整體剛度得到大幅提高，結(jié)構(gòu)墻體受力平衡，抗震能力更強(qiáng)，經(jīng)計算符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。按新的改造加固方案，樓電梯間封閉，擴(kuò)建房間，增加現(xiàn)澆外墻和現(xiàn)澆樓板，結(jié)構(gòu)整體更加均衡。由于新建剪力墻剛度較高，結(jié)構(gòu)整體剛度得到了較大提高，結(jié)構(gòu)墻體受力均衡，抗震能力更強(qiáng)，經(jīng)計算滿足現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 抗震變形驗算比較

改造前的周期計算結(jié)果如表1所示。

圖2 改造后結(jié)構(gòu)平面圖

表1 改造前的周期計算結(jié)果

改造后的周期計算結(jié)果如表2所示。

表2 改造后的周期計算結(jié)果

改造前后的位移結(jié)果比較如表3所示。

表3 改造前后的位移計算結(jié)果

3.3 結(jié)果分析

由抗震變形計算結(jié)果可以看出，結(jié)合建筑改造方案，拆除部分預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件，擴(kuò)建部分房間、樓梯間和電梯間，新增剪力墻和混凝土樓板，構(gòu)件截面驗算和位移驗算都符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)安全性完全可以保證。

但是需要注意的是，由于原內(nèi)墻中間剛度太大，通常會引起整體結(jié)構(gòu)地震下扭轉(zhuǎn)較大。

為解決扭轉(zhuǎn)的問題可采用兩個方案：（1）需在原結(jié)構(gòu)中部內(nèi)墻新開部分結(jié)構(gòu)洞，來降低中部的剛度，使剛度平均分配，來控制整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)；但是由于需在原結(jié)構(gòu)墻新開結(jié)構(gòu)洞，施工困難，尚需對洞口進(jìn)行構(gòu)造性加固，綜合施工費(fèi)用高，而且易對原結(jié)構(gòu)造成損害，不建議考慮。主要原因分析如下：計算結(jié)果里雖然地震作用下扭轉(zhuǎn)系數(shù)較大，但層間最大位移角遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范規(guī)定的1/1 000，說明結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度非常大，和結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度相比扭轉(zhuǎn)剛度相對較小，這是造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)系數(shù)較大的原因，而實際結(jié)構(gòu)各方向位移很小，完全滿足抗震變形的要求，改造后結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)位移同樣也符合現(xiàn)行規(guī)范的要求。（2）不在原剪力墻布置結(jié)構(gòu)洞，可以配合建筑改造方案中在原墻體上必需新開的門洞，以及新增剪力墻開洞來平衡剛度，盡量減少或者不在原墻體上開鑿不必要的結(jié)構(gòu)洞，來控制扭轉(zhuǎn)，既滿足改造使用要求，又盡量保護(hù)原結(jié)構(gòu)，施工便利，經(jīng)濟(jì)可行。

4 存在的問題及解決方法

因為隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的結(jié)構(gòu)規(guī)范要求越來越高，此類建筑剪力墻的最小構(gòu)造配筋率低于JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[4]的規(guī)定。作為一個既有建筑的改造加固工程，沒有必要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的剔鑿加固，可通過粘鋼或者粘碳纖維等對原結(jié)構(gòu)損傷較小的加固措施來對部分重點部位和重要構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)加固，來確保建筑的結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)論

此類建筑是依據(jù)當(dāng)時的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和建造的，已正常使用了30多年，尚在正常使用年限內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全可靠，可繼續(xù)正常使用。

按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行改造，增加現(xiàn)澆外墻和樓板。改造后的結(jié)構(gòu)，新建的現(xiàn)澆混凝土樓板將原有結(jié)構(gòu)墻體和新建墻體整合，水平地震作用通過樓板有效地傳遞給豎向抗側(cè)力體系，結(jié)構(gòu)整體安全可靠。

本文研究的意義在于：根據(jù)既有建筑物的實際情況，因地制宜，選擇最合適的方式方法進(jìn)行優(yōu)化和提升，延長既有建筑的使用壽命，改善居住條件，實現(xiàn)城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展；推動政府相關(guān)部門對此類問題的關(guān)注，從而制定相關(guān)的公共政策，積極推廣，造福民生。