瑞安广场结构改造与加固设计

瑞安广场结构改造与加固设计

聂云

上海天华建筑设计有限公司上海200235

摘要：随着城市发展更新，商业广场的升级改造需求日益增加，在涉及到主体结构的相关改造中，如何保证改造后结构的整体抗震性能及构件承载力能满足相关规范要求，是改造设计的重点。本文结合瑞安广场改造项目介绍了相关改造方法及加强措施，并分析了加固设计中的相关难点以供探讨。

关键词：拆除；改造；加固；中庭开洞；功能变化

项目概况

瑞安广场位于上海市黄浦区淮海中路东段，西临马当路，东至黄陂南路，地处上海最繁华的商业中心。原结构由浙江省建筑设计研究院于1997年设计，采用现浇框架-剪力墙体系，7度抗震设防，框架剪力墙的抗震等级均为二级。建筑总高度97.150m，地下2层，地上23层，其中裙房共6层，裙房屋面结构标高28.750，一层层高5.5m，二至六层层高4.65m，塔楼各层层高3.8m，其地下二层与地铁1号线黄陂南路相连，整个建筑平面大致呈矩形，东西向长90m，南北向长73.5m。

本次改造范围为地上6层及地下2层，改造部分总建筑面积约2.6万㎡，其中地上建筑面积约1.6万㎡，地下建筑面积约1.0万㎡。

图1结构三维模型图2改造后裙房效果图

1结构设计条件及依据

结构抗震设防烈度为7度，基本地震加速度值0.1g，地震分组第二组，场地特征周期0.9s。裙房所在楼层为重点设防类（乙类），裙房以上楼层为标准设防类（丙类）。裙房所在楼层框架、剪力墙抗震等级为一级，裙房以上楼层框架、剪力墙抗震等级为二级。本次结构改造由同济大学房屋质量检测站进行抗震鉴定（按B类建筑抗震鉴定方法[1][2]），并出具相关抗震鉴定报告作为设计依据，结构后续使用年限40年。

2设计基本原则

本项目以主体结构不凸出现有建筑轮廓为基本原则，结合各层建筑功能进行结构改造设计，相关设计原则如下：

1）根据抗震鉴定报告及相关标准，分别采用整体加固、构件加固等，提高结构的综合抗震性能，确保改造后结构承载力及刚度等均满足相关规范要求。

2）保持原有结构的合理传力路径，利用新增构件消除或减轻原结构传递路径的缺陷[3]。

3）加固或新增构件的布置，应避免形成新的薄弱部位，对存在的薄弱部位概念加强。

4）新增构件与原有构件之间应有可靠连接，做好特殊部位的构造锚固设计。

5）加固方法要便于施工，避免对原结构承载能力的损伤，已有的损伤在结构加固前应先修补、恢复后再进行加固。

6）细化拆除范围，多利用原有结构的锚固钢筋，减少现场植筋工作量。

7）特殊的加固方案需与施工单位提前沟通，确保加固手段的有效性。

3结构计算分析

3.1结构整体分析

本工程采用北京盈建科软件YJK-A（1.7.0版）进行结构整体计算分析，并选择合适的楼板计算单元以考虑其刚度对结构整体计算的影响，使用midas-gen软件进行复核，所得整体计算指标基本一致，可以判定模型计算结果准确、可信。如下表所示：

3.2新老规范地震力的比较

图3新老规范地震曲线对比图4改造前后楼层质量对比图

3.3楼板应力分析

各楼层中庭及首层下沉庭院开洞，对结构楼板的整体性造成一定削弱，对开洞周边楼板进行整体应力分析，通过调整开洞结构边线，尽量做到小震作用下薄弱部位楼板混凝土主拉应力小于其抗拉强度标准值，中震作用下楼板钢筋不屈服。对楼板局部应力超过混凝土抗拉强度标准值的部位，适当加强楼板钢筋或进行碳纤维加固，让楼板主拉应力由钢筋及碳纤维承担，确保楼板的传力性能。

3.4静力弹塑性分析（Pushover）

为满足规范要求“大震不倒”的抗震设防目标，进一步了解地震作用下结构塑性铰的形成规律，针对改造后结构采用中国建筑科学研究院开发的EPDA&PUSH软件进行静力弹塑性分析，罕遇地震影响系数按照规范取0.45，特征周期取1.1s。

验算结果表明，静力推覆曲线（顶点位移-荷载曲线）经转换成周期-加速度谱曲线（能力曲线）后，与7度罕遇地震需求谱曲线相交，说明结构能满足抗震设防要求。由交点向上与周期-最大层间位移曲线相交，所对应的纵坐标表示了罕遇地震作用下结构的弹塑性层间位移角。性能点处结构的最大层间位移角分别为：X向：1/169，Y向：1/185，均满足规范要求。

通过塑性铰形成判断，在小震作用下，整个结构基本保持弹性，随着推覆荷载的增加，部分核心筒连梁、框架梁出现塑性铰，在地震作用下作为第一道抗震防线首先消耗能量，达到预期目标，中震作用下个别剪力墙刚度退化，结构仍具有良好的抗侧能力；在达到罕遇地震性能点时，大部分沿加载方向连梁及与剪力墙顺接的框架梁端部出现塑性铰，起到耗能的作用，部分楼层剪力墙刚度退化到限定值，进入屈服阶段，但结构整体仍具有一定的抗侧刚度，能够承受罕遇地震的考验。

图6Y向需求谱与能量谱关系图

4结构主要加固内容及方法

本项目结构主要改造部位为：首层西北角新增下沉广场、裙房各层中庭改造、三层北侧新增室外露台、周边幕墙板边线修改、使用功能变化、裙房屋顶柴发机房改造、原有电梯拆除移位、新增扶梯、楼梯等，现介绍相关主要改造内容如下：

4.1首层西北角新增下沉广场

根据建筑动线需要，西北角非塔楼区域地下室顶板开洞，新增首层至负一层、负一至负二层的楼梯及扶梯，此处结构开洞破坏了原有地下室外墙的水平支撑，且对结构水平力的传递造成一定影响。故在保证开洞避开与塔楼相关的主框架梁系前提下，新增三片与开洞外墙垂直的落地剪力墙（图8），标高从基础顶至楼梯踏步底，减小地下室外墙计算跨度，并结合楼梯踏步板，共同形成地下室外墙的有效支撑，楼梯踏步板厚按照嵌固端要求取180mm。在楼梯西侧的天窗开洞处，保证地下室外墙与洞边楼板宽度不小于2.5m，作为结构水平力的传力路径，此处应力分析结果表明原配筋能满足地震力传递要求。

图8结构加固一层平面图

4.2各层中庭区域改造

为增加建筑内部自然采光，新增从七层裙房屋面至地下室的通透中庭，中庭区域结构楼板轮廓层层变化，现以二、五、七层为例说明。二层、五层中庭改造区域，原混凝土梁板凿除，新增梁板选用钢梁+压型钢板混凝土楼板体系，楼板钢筋锚入周边框架梁。中庭新增一根从基础至六层楼面的通长钢柱，用于承担中庭区域荷载，新增钢梁与钢柱刚接，与周边原框架梁、柱铰接，钢梁与原框梁连接处设置L型埋件，埋件采用特殊倒锥型化学锚栓[6][7]配合进口专用胶以确保其耐久性。各层钢梁腹板根据设备要求预留风管洞口，以提升建筑净高。二层、五层相关平面如下：

图9二层拆除平面图图10二层加固平面图图11五层加固平面图

七层裙房屋面新增钢结构采光天窗，其对应区域原结构梁板拆除，采光天窗周边钢立柱间距约1.7m，绕洞口周边一圈设置，钢立柱底与洞口周边砼梁铰接，其顶部框架刚接。此处裙房屋面中庭新增结构在E轴以北仍采用钢梁+压型钢板楼板体系，E轴以南则采用现浇混凝土体系，E轴以北采用钢结构体系便于现场施工，E轴以南采用现浇混凝土悬挑梁，则是考虑其悬挑节点更为可靠、更有利于控制结构挠度。施工此处悬挑梁时，先将周边框架梁顶混凝土凿除200mm，悬挑梁负筋保持贯通向内延伸一跨，端部超过梁侧后弯折锚固，悬挑梁底筋植入周边框梁。相关平面如下：

图13七层加固平面图

4.3楼梯、扶梯修改

因执行消防新规范及建筑动线改变，需要新增疏散楼梯间，且部分扶梯需要移位。对楼梯间框架梁加固主要采用增大截面法，以便控制梯段宽度。对搁置扶梯处所需新增的牛腿，则根据条件采用混凝土或钢牛腿，对于地下室扶梯，均利用原有基坑，不另在基础底板新增基坑。

4.4使用功能变化

根据建筑功能需要，部分楼面荷载增加，如新增设备机房、新增厨房、设备更新等，采用粘贴碳纤维或粘钢方式加固。对于裙房屋面增大荷载需加固区域，现场反馈原有建筑防水卷材无法完全剥离干净，遂不建议板面粘贴碳纤维，采取板底粘贴碳纤维或新增支撑钢梁加固。

4.5裙房屋顶柴发机房改造

出屋面柴发机房位于裙房屋面东南角，层高约5m，在本次改造过程需保证其正常使用。原设计采用与其毗邻的楼梯间剪力墙作为其竖向构件，改造后此剪力墙屋面层以下需要拆除，屋面层以上保留，仍作为柴发机房的竖向构件使用。通过在此处剪力墙两侧各新增一道结构梁，设置封闭环箍穿透剪力墙形成整体托墙梁，待托墙梁结构强度达到100%后拆除下方剪力墙。

柴发机房右下角通高的结构柱在屋面层以下亦需要拆除，形成悬挑梁托柱。原梁高900mm，悬挑约4m，通过根部加高600mm（加高长度2m）、宽度加宽350mm进行截面加大加固。以上加固过程中，柴发机房楼板下方均设置满堂脚手架临时支撑。

图14柴发机房顶平面图图15新增托墙梁大样

5结论

随着城市的不断发展更新，外部环境的不断转变，建筑对使用功能的需求也随之改变，结构加固改造在配合城市更新进程中显得更加重要。

改造设计前宜征询相关部门，确定改造执行标准，在满足建筑使用功能及造型需要的前提下，改造后结构需要满足相关整体计算指标，对改造形成的薄弱部位宜进行概念加强，并做好构件承载力的加固设计及新老混凝土的锚固节点设计，确保加固方案的有效性，做到让改造后建筑的抗震性能得到加强，让老化、受损的结构能够恢复其力学性能，达到相关规范的要求，让改造后建筑能够更好地服务于社会。

参考文献

[1]DGJ08-81-2015现有建筑抗震鉴定与加固规程[S].上海2015.

[2]GB50023-2009建筑抗震鉴定标准[S].北京：中国建筑工业出版社2009.

[3]程绍革，史铁花，戴国莹现有建筑抗震加固的基本规定[J]建筑结构2011，41（2）：128-131.

[4]GBJ11-89建筑抗震设计规范[S].北京1989.

[5]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社2010.

[6]GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社2013.

[7]JGJ145-2013混凝土结构后锚固技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社2013.