某超高層爛尾樓結(jié)構(gòu)改造及實(shí)踐

刁鵬展

（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002）

0 引言

爛尾樓是指已辦理用地、規(guī)劃手續(xù)，項(xiàng)目開工后，因開發(fā)商無力繼續(xù)投資建設(shè)或陷入債務(wù)糾紛，停工一年以上的房地產(chǎn)項(xiàng)目。爛尾樓破壞城市形象，浪費(fèi)土地資源，破壞投資者信心。對居民生活帶來不便。如何復(fù)活爛尾樓，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度如何加固和改造，對一些重要計(jì)算參數(shù)的如何選取，具體實(shí)施過程中需要關(guān)注什么，本文結(jié)合一爛尾樓的改造，對爛尾樓續(xù)改建工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和論述。

1 工程概況

某建筑設(shè)計(jì)于1994 年，1995 年開工建設(shè)，1998 年主體結(jié)構(gòu)完工。結(jié)構(gòu)形式框架核心筒，高度113.8m。地上31 層，地下4 層，主要用途為商業(yè)和辦公?？拐鹪O(shè)防8 度，第二組，抗震設(shè)防分類為丙類，Ⅲ類場地。目前該工程爛尾了有20 年之久，改造前實(shí)景圖見圖1。

圖1 改造前實(shí)景圖

2 拆除超百米結(jié)構(gòu)造價(jià)分析

現(xiàn)場情況調(diào)查現(xiàn)有建筑比圖紙違規(guī)多加蓋三層（標(biāo)準(zhǔn)層）造成了超百米高層。百米以上局部縮進(jìn)，面積較?。? 832.3m2），構(gòu)件外觀質(zhì)量缺陷及損傷狀況較差，長期暴露在外，未做任何防護(hù)，導(dǎo)致銹蝕明顯，并且保護(hù)層剝落、酥松。業(yè)主從成本和銷售角度希望對于保留和拆除百米以上的建筑給出造價(jià)分析和是否拆除的結(jié)論。

超百米高層與非超百米高層從建筑使用功能角度并非有特別大的差異，僅表現(xiàn)在滿足現(xiàn)行建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范的要求。超百米高層建筑需在標(biāo)準(zhǔn)層處設(shè)置兩個(gè)避難層（面積2 248.3m2），避難層兼做設(shè)備層，此部分面積不能作為正常出售和使用。在設(shè)備上存在避難層轉(zhuǎn)輸供水及其設(shè)備，同時(shí)豎向上需增加一套排煙系統(tǒng)等，綜上所述得出造價(jià)差異估算見表1。

表1 兩方案造價(jià)差異情況估算

本建筑作為高層的實(shí)際出售和使用的面積大于超百米高層建筑，作為超百米高層建筑的設(shè)備消防設(shè)施投資較高。同時(shí)從規(guī)劃角度考慮拆除減少的面積在不超出規(guī)劃設(shè)計(jì)條件及滿足相關(guān)規(guī)劃指標(biāo)的前提下可以增設(shè)其他功能用房。業(yè)主接受了設(shè)計(jì)師的建議，拆除頂部超過100m 部分使用空間的樓板，保留設(shè)備用房、水箱間、排煙機(jī)房以及外立面結(jié)構(gòu)骨架。

3 后續(xù)使用年限及抗震參數(shù)選取

后續(xù)使用年限是指對現(xiàn)有建筑繼續(xù)使用所約定的一個(gè)時(shí)期，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，建筑只需進(jìn)行正常維護(hù)而不需進(jìn)行大修就能按預(yù)期目的使用、完成預(yù)定的功能?！督ㄖ拐痂b定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023-2009）[1]1.0.4 中指出在20 世紀(jì)90 年代（按當(dāng)時(shí)執(zhí)行的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范系列設(shè)計(jì)）建造的現(xiàn)有建筑，后續(xù)使用年限不應(yīng)少于40 年。

從業(yè)主角度考慮，希望以最小的成本去完成建筑改造，后續(xù)使用年限是否可以人為減少、現(xiàn)有的建筑抗震鑒定是否可以降低類別是他們關(guān)注的焦點(diǎn)。

《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》疑問解答[2]中明確指出，后續(xù)使用年限是一個(gè)最低要求，當(dāng)經(jīng)濟(jì)條件許可時(shí)應(yīng)采用更高的要求鑒定，盡可能提高其抗震能力。后續(xù)使用年限主要是與抗震設(shè)防相關(guān)的，依據(jù)對很多地區(qū)調(diào)查研究分析后、得出后續(xù)使用年限和地震影響系數(shù)以及抗震構(gòu)造措施的關(guān)系，并從房屋具有相同的抗震設(shè)防目標(biāo)且在各自后續(xù)使用年限內(nèi)具有相同概率保證的前提下，加以理論分析得出的。其他規(guī)范如《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50367-2013）3.1.7 條提出的加固設(shè)計(jì)使用年限一是應(yīng)由業(yè)主和設(shè)計(jì)單位共同確定；二是一般情況下，宜按30 年考慮?！督ㄖ拐痂b定標(biāo)準(zhǔn)》史鐵花主編也做出了解釋，認(rèn)為這一加固設(shè)計(jì)使用年限主要從靜力承載力出發(fā)、注重于材料耐久性而規(guī)定的，不是從抗震角度考慮的。

抗震“三水準(zhǔn)”目標(biāo)，小震不壞，中震可修，大震不倒。這一目標(biāo)是在后續(xù)使用年限內(nèi)具有相同概率保證前提條件下得到的，從概率意義上現(xiàn)有建筑的抗震目標(biāo)與新建工程的設(shè)防是一致的。后續(xù)使用年限短，地震作用影響系數(shù)也小，地震力可以折減[3]。

綜上所述本工程后續(xù)使用年限采用40 年，抗震措施按B類核查，地震作用按現(xiàn)行規(guī)范的0.88 倍選取。對于整個(gè)結(jié)構(gòu)不滿足現(xiàn)行規(guī)范，譬如扭轉(zhuǎn)，平面及豎向規(guī)則等原則性、概念性的規(guī)定，調(diào)整直至滿足現(xiàn)行規(guī)范。另外對于一些重要指標(biāo)，比如軸壓比《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50023-2009）給出框剪一級柱是0.9，比現(xiàn)行規(guī)范0.75高很多（四川鑒定加固規(guī)范是0.75），適當(dāng)提高，不卡規(guī)范限值控制，留冗余度。

4 整體抗震加固計(jì)算

整體分析，對于指標(biāo)如扭轉(zhuǎn)，剛度，及薄弱層等不滿足規(guī)范的采用增厚、開洞和新增剪力墻（圖2 為新增剪力墻工地現(xiàn)場圖）的方法，調(diào)整結(jié)構(gòu)平面剛度分布，減小結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)，使結(jié)構(gòu)整體受力更合理。

圖2 新加剪力墻施工現(xiàn)場圖

對計(jì)算中軸壓比和承載力不滿足要求的框架柱，采用了增大截面（現(xiàn)澆鋼筋混凝土圍套）方法進(jìn)行加固。對軸壓比滿足而縱向鋼筋不滿足要求的框架，采用了外包角鋼套的方法進(jìn)行加固處理。對箍筋不滿足計(jì)算要求的框架柱，采用了粘貼碳纖維或鋼板箍的方法進(jìn)行加固。對抗震承載力不滿足要求的抗震墻，采用了增大截面方法進(jìn)行加固。

為了避免結(jié)構(gòu)加固后局部剛度過大，造成剛度分布不均勻，破壞結(jié)構(gòu)的整體性，補(bǔ)強(qiáng)后結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的薄弱環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)整體按加固完的截面及配筋進(jìn)行了彈塑性時(shí)程分析，計(jì)算模型見圖3 所示。針對分析中出現(xiàn)的薄弱部位和損傷區(qū)域，進(jìn)行了重點(diǎn)的調(diào)整及加強(qiáng)，同時(shí)給出結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的量化性能指標(biāo)。圖4 為損傷部位大的區(qū)域剪力墻開洞工地現(xiàn)場圖；表2 為罕遇地震下的層間位移角；根據(jù)彈塑性分析損傷結(jié)果對底部加強(qiáng)區(qū)邊緣構(gòu)件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，圖5 為底部約束邊緣構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)工地現(xiàn)場照片。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

圖4 剪力墻開洞施工現(xiàn)場圖

圖5 剪力墻邊緣構(gòu)件補(bǔ)強(qiáng)施工現(xiàn)場圖

表2 地震動作用下位移表格

5 已建樁基工程的挖潛利用

本工程地下四層為消防水池，墻體最大間距3.9m，底板為1m 厚筏板，頂板為0.25m 厚的人防底板，筏板下滿打直徑0.45m（間距約2.5m×2.5m）預(yù)制方樁，箱型筏板基礎(chǔ)。經(jīng)過上部結(jié)構(gòu)計(jì)算導(dǎo)荷，樁承載力不滿足上部荷載要求，差15%左右。

地基加固難度大，首先考慮的是否利用現(xiàn)有樁基挖潛利用，翻閱驗(yàn)樁報(bào)告，施工記錄，資料上樁基沒有太多冗余度。

地基土靜承載力長期壓密可以提高，但是對于樁基長期壓密，隨著時(shí)間能否提高。國內(nèi)外很多學(xué)者對這方面理論也做了很多研究，例如上海人民廣場也是50cm×50cm 的方樁經(jīng)過了4 356d，樁極限承載力提高了37%，但這些研究僅僅是局限于軟土地區(qū)樁基，單樁豎向承載力的時(shí)間效應(yīng)的機(jī)理分析也是針對軟土上樁基[4]，對于本工程沒有適用性，樁基豎向承載力長期壓密隨時(shí)間提高沒有找到理論依據(jù)。

現(xiàn)場找點(diǎn)新做勘察，新做勘察報(bào)告數(shù)據(jù)表明地下水位與原勘察報(bào)告相差較大，整體水位升高了9m 左右。20 世紀(jì)90 年代企業(yè)和住戶私自打井現(xiàn)象比較普遍，對地下水過度開采，導(dǎo)致出現(xiàn)地下水位下降。近幾年，政府嚴(yán)格落實(shí)水資源管理制度，“擰緊”地下水超采“總閥門”，地下水上升的趨勢很明顯。通過對周邊建筑的地勘調(diào)研以及長期水文觀測資料調(diào)查，水位比較穩(wěn)定，可以考慮利用部分水浮力抵消上部荷載，樁基承載力不夠的問題迎刃而解。

6 細(xì)部加固異形節(jié)點(diǎn)

6.1 短柱加固節(jié)點(diǎn)

框架柱軸壓比不夠，采用增大截面加固，部分形成了短柱，短柱箍筋需要全高加密。新加箍筋在原有柱非加密區(qū)不能箍住外側(cè)縱筋，且新加箍筋位置處沒有原箍筋，無法焊接連接見圖6。

圖6 柱加大截面施工現(xiàn)場圖

采用標(biāo)準(zhǔn)圖集節(jié)點(diǎn)斜向植筋，現(xiàn)場操作難度大，不容易實(shí)現(xiàn)。于是采用圖7 的節(jié)點(diǎn)，對于短柱，需要加密的箍筋加固完用碳布替代。

圖7 碳纖維加固柱節(jié)點(diǎn)

6.2 雙階屈服屈曲約束支撐

裙樓為框架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)剛度不足，位移角超過規(guī)范限值。增加構(gòu)件截面提高剛度，費(fèi)用較大同時(shí)影響建筑使用，本工程通過設(shè)置屈曲約束支撐以解決結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度不足，同時(shí)還為結(jié)構(gòu)提供附加阻尼。在罕遇地震作用下能夠先于主體框架屈服進(jìn)行耗能，使結(jié)構(gòu)的屈曲機(jī)制合理。圖8 為雙階屈服屈曲約束支撐現(xiàn)場安裝完的實(shí)景圖。

圖8 雙階屈服屈曲約束支撐

7 結(jié)論

本工程結(jié)構(gòu)改造施工已經(jīng)完成，達(dá)到了確保結(jié)構(gòu)安全、縮短工期、節(jié)省改造費(fèi)用的預(yù)期目標(biāo)。通過對改造項(xiàng)目的實(shí)踐，對結(jié)構(gòu)改造有下列體會和建議，可供同行進(jìn)行類似改造設(shè)計(jì)時(shí)參考。

對于違規(guī)加建超限的建筑，需綜合經(jīng)濟(jì)比較，經(jīng)濟(jì)合理情況下可考慮拆除超限部分，按非超限結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)加固按后續(xù)使用年限的不同，可對地震作用折減及抗震措施可比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)調(diào)低。

重視結(jié)構(gòu)的整體分析，避免結(jié)構(gòu)加固后局部剛度過大，出現(xiàn)新的薄弱環(huán)節(jié)，對改造工程應(yīng)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，針對結(jié)構(gòu)在彈塑性分析中出現(xiàn)的薄弱部位和損傷區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整及加強(qiáng)。

地基加固難度大，費(fèi)用高。加固前一定要仔細(xì)調(diào)研，收集資料，現(xiàn)場做勘察，取得數(shù)據(jù)，挖潛利用，避免過量和沒有必要的加固。