百年老建筑翻新改造的疑难杂症和加固设计

百年老建筑翻新改造的疑难杂症和加固设计

桑文进

上海上大建筑设计院有限公司 上海 200072

摘要：介绍了上海大学某教学楼翻新改造的工程概况，改造过程中遇到老旧建筑结构加固的疑难问题，阐述了加固设计的总体策略和关键点，并针对现有建筑的特点采取了有效的加固措施和方法，让百年建筑能满足现有抗震设计要求，使用寿命大大延长，通过“换骨不换脸”的技术，使建筑涅槃重生。本项目加固方案可为类似老建筑改造加固的技术研究和工程应用提供参考。

关键词：百年老建筑；翻新改造；加固设计；消能减震技术；节点加固

1工程概况

上海大学某教学楼建于1940年代，为地上五层，局部为六层建筑，教学楼平面形状为矩形，平面尺寸为90.14m×17.34m，总建筑面积为8121m²。一层层高4.1m，二层~四层层高3.9m，五层层高3.8m，六层4.0m，房屋总高为23.6m。

该教学楼为装配式钢筋混凝土框架结构，柱距为3.6m、7.8m、9.3m，南北向主梁为花篮梁，楼板采用东西向布置的预制板，其中教室和走廊采用预制多孔板，卫生间采用预制槽型板。房屋的填充墙基本采用烧结多孔砖砌筑，厚度有120mm、240mm等。

原建筑抗震设防类别为丙类，原结构为装配式混凝土框架结构，原基础为独立基础，西侧的教学楼和东侧的门厅混凝土强度等级实测分别取C22、C18。抗震鉴定检测报告结论是装配式框架结构整体抗震性能均较差，一层为薄弱层，大部分构件承载力不足，应对房屋进行抗震加固，提高结构整体抗震性能和整体性，同时对结构薄弱部位以及承载力不足的构件进行加固。

2翻新改造的疑难杂症

2.1整体结构抗震性能和整体性不足

教学楼建于1940年代，距今已80多年，已远超建筑物的设计使用年限50年。由于年代久远，混凝土和砂浆风化严重，结构性能差，存在安全隐患。其建造时的抗震设计规范与现有规范存在较大差异。

该建筑为学校类建筑，按照现有《建筑与市政工程抗震通用规范》要求，抗震设防类别原先为丙类，现改为乙类（重点设防类）。本次按照后续使用年限30年进行加固设计，即属于A类建筑。

采用中国建筑科学研究院研制的PKPM系列软件对原有结构进行建模分析验算。教学楼各层层间位移角均超过规范限值1/550，Y向抗侧刚度严重不足；一层为薄弱层，地震剪力放大系数取1.15，一层与二层层间受剪承载力之比不满足现行抗震规范要求。

2.2框架结构承载力不足

原有框架结构存在不少承重构件梁和柱出现露筋, 钢筋腐蚀，梁柱截面局部有破损（见图2-2、2-3），个别混凝土表面蜂窝麻面；且破损点位分布零散；混凝土实际强度低，根据检测报告，混凝土强度为C22和C18；卫生间下方的局部混凝土酥松破损、强度低、外观质量较差；原框架柱抗震构造措施不符合要求，部分柱无加密区、箍筋间距300mm 、箍筋直径6mm。板多处有裂缝，最大裂缝宽度达到2mm。

图2-2 现状局部照片一(梁钢筋)           图2-3 现状局部照片一(柱钢筋)

经计算分析，一层~三层大部分混凝土柱超筋，配筋基本不满足计算要求；一层柱轴压比在 0.79~1.48 之间，二层柱轴压比在 0.71~1.22；四层所有柱南北向配筋均不满足计算要求；二层~五层（C ~E）轴间南北向主梁实配钢筋不满足计算要求。

2.3 框架节点为南北向装配式框架，非整浇节点

结构为原框架结构，但为装配式框架结构，因受当时施工工艺限制，南北向梁与柱连接节点为非整体浇筑，而框架节点对结构性能如承载能力、结构刚度、抗震性能等往往起到决定性的作用。事实证明，在地震荷载作用下，因框架节点破坏导致建筑倒塌的情况不计其数，因此，结构设计中，为了达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防要求，我们需要从多方面对工程设计进行把控，“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件”是框架部分抗震设计应遵守的重要原则。其中强节点弱杆件，明确要求节点区的强度应高于结构杆件。

2.4 检测数据与施工现场不一致

近百年建筑因建造时间比较久远，缺少原设计图纸，因此结构改造加固设计，只能借助于检测数据进行。但实际项目中，检测单位检测的区域和杆件数量往往采取抽样检测，所以提供的数据不能完全与实际相吻合。

本项目施工过程中，就发现多处与检测报告数据不同，包括基础的埋置深度、梁柱的尺寸，以及梁柱钢筋锈蚀或露筋的点位等。

2.5 其它问题

老旧建筑翻新改造，还需充分考虑在满足后续功能使用的前提下，尽量保留原建筑的文化价值和历史意义，力求保持原有建筑的外立面风貌。各教师之间的隔墙，应砂浆分化严重，粘结力差；且未设置构造柱和圈梁。

教学楼翻新改造的难点还在于施工工艺和施工条件等限制。建筑加固过程中需要对现有建筑结构进行局部拆除，这对施工条件提出了更高的要求。考虑部分门厅和部分教室尚在使用中，建筑结构加固工程还需要考虑分区施工，这就要求施工人员在不影响建筑使用功能的情况下进行施工。而且必须做好施工方案和施工工艺的编制，强化老旧房屋改造的安全质量意识，充分考虑设置临时安全支撑，保证施工的安全性和可行性。

3加固策略和加固方法

3.1 加固总体策略

教学楼改造加固设计按照抗震设防类别为乙类，框架抗震等级为二级，抗震设防烈度为7度，设防地震分组为第二组，基本地震加速度值为0.10g，场地土类别为IV类（上海地区），按照A类建筑进行加固设计。

为了保证教学楼能安全可靠的使用，全面考虑现有建筑的特点，在总体设计讨论中，明确了设计总体加固策略：利用先进的设计技术和理念，提升结构的整体性和抗震性能要求，并满足现有规范、地方性规范规定要求。

起初加固方案是将原有建筑的结构形式由原先的框架结构，调整为框架剪力墙结构，即在X和Y向增设几道剪力墙，剪力墙位置与教室隔墙相结合，由基础延伸至屋面。但此种方案会对新增剪力墙处现浇处的梁进行拆除，对原结构破坏较大。

最终确定的加固策略是采用加固框架结构+增设消能减震技术的结构方案。本项目框架加固总体设计方法，确定为混凝土柱采用加大截面法加固，混凝土梁采用粘钢加固法，并在X和Y向布置了约束屈曲支撑(简称BRB)，在Y向布置了剪切型阻尼器（简称MYD）。

图3-1 BRB和MYD布置平面图

图3-2 MYD悬臂墙暗柱布置图

图3-3 BRB典型立面布置图

本项目在一层~五层均布置了约束屈曲支撑和剪切型阻尼器的消能装置，一方面可与主体框架结构协同作用，另一方面可在地震作用下，通过耗能件和阻尼器有效地吸收地震能量，增加结构的附加阻尼比，从而有效提高整体抗震性能，减小地震荷载对结构的冲击和不均匀的变形作用，并减少对结构内部的应力集中和损伤。采用PERFORM-3D有限元分析软件对结构在罕遇地震作用下的工作性能进行大震分析，耗能效果良好，采用屈曲约束支撑提高了结构的安全性，对该结构进行减震设计是比较有效的。

图3-4 BRB下部与主结构连接现状          图3-5 BRB上部与主结构连接现状

3.2基础加固设计

采用扩大截面加固法进行基础的加固，将钢筋混凝土包裹在被加固的独立基础周围，局部位置新增基础梁，增加基础整体性，以提高其承载能力和抗震性能。 本项目埋置深度在0.8~1.2m，基础持力层为第2 层粉质黏土层，新增扩大截面的基础及基础梁采用混凝土强度等级为C35, 混凝土细骨料应选用中、粗砂，严禁使用海砂，钢筋等级为HRB400,垫层混凝土强度C15，垫层厚度为100mm。考虑新旧混凝土基础交界面，旧混凝土基础应采用花锤、砂轮机或高压水射流进行打毛，并在新旧混凝土界面涂刷结构界面剂。独立基础的底板新增钢筋采用12@100，用植筋方式植入原混凝土基础中。

3.3框架梁柱加固

框架结构加固方案，考虑原有混凝土柱轴压比不满足要求，配筋不符合要求，并考虑提高整体性能，按照强柱弱梁的设计理念，框架柱采用加大截面法进行加固，底部钢筋植入混凝土基础中，上部钢筋遇楼板处应贯通，遇混凝土梁应植入混凝土梁，满足植筋深度要求，钻孔前采用钢筋探测仪器确定钢筋位置，避免伤及混凝土梁内钢筋。

原混凝土柱截面尺寸为400mm×400mm，中柱加大截面按照四面围合，加固后尺寸为700mm×600mm，每边均植入销筋12@300；边柱和角柱按照三面围合，加固后尺寸为600mm×600mm和550mm×600mm，新增柱箍筋12@100与原柱纵筋或箍筋焊接。原钢筋混凝土现浇构件露筋，可凿除构件表面酥松混凝土层，钢筋除锈后采用M40高强聚合物砂浆修复，增大截面采用C40高强无收缩灌浆料，灌浆料为了满足灌浆施工自行流动的要求，灌浆料的流动度要求大于240mm。

框架梁采用粘钢加固和加大截面法相结合，加大截面法加固安装BRB和MYD位置的混凝土梁，粘钢加固其余的混凝土梁。粘钢加固时，对表面已碳化的旧混凝土构件的粘合面，直接对粘合面进行打磨，去掉1~2mm厚表层，用压缩空气除去粉尘或用清水冲洗干净，待完全干燥后用脱脂棉沾丙酮擦拭表面即可；粘贴钢板后，应立即用特制U形夹具夹紧或用支撑顶撑或用螺栓等固定，并适当加压，以使胶液刚从钢板边缘挤出为度。螺栓一般兼做钢板的永久附加锚固措施，其埋设孔洞与钢板孔洞应对齐。胶粘剂固化后，表面应做好防护表面应抹厚度不小于25mm的1:3水泥砂浆作防护层。

因教学楼原有结构存在一定的缺陷性，框架结构加固过程中，会对原有构件产生不确定的损伤，所以在实际施工中，应严格做好临时安全支撑，并考虑临时安全支撑的专项施工方案，临时安全支撑需经过设计院复核计算确认通过后，施工单位才可以正式进行，施工过程中应采用先进的测量仪器对结构的位移、倾斜、应力等参数进行监测。本项目借助的测量仪器包括位移计、倾斜仪、应变片。这些测量仪器可以直接测量结构的各种变形情况为结构的变形情况提供准确的数据支持。确保结构在加固过程中，建筑物的变形情况在可控范围内，保证施工过程中的安全性。

3.4节点加固设计

框架结构的节点在地震情况下是最易受损的部分，框架节点在框架中起着传递和分配内力保证结构整体性的作用。节点破坏的主要原因是混凝土缺少约束，节点配筋不足，钢筋锚固不当以及施工质量不良等，也就是说要从强度计算和延性构造两个方面采取措施,以提高节点的抗震性能。设计是采用等代箍筋穿X向梁和Y向梁，等代箍筋间距按照不超200mm计算，箍筋采用U型箍、L型箍，然后进行焊接，单面焊接时焊接长度不小于10d，双面焊接长度不小于5d；设计时局部个别梁采用加腋方式来提高节点核心区的抗剪强度。

加固施工过程中，节点区加固往往施工比较困难，施工人员因此容易忽视。施工过程中发现存在以下几点问题，一是施工中未按照设计节点设置箍筋，由于受操作空间限制，存在X向钻孔和Y向钻孔位置对不齐，钢筋焊接长度不够，植筋深度不够等问题；二是新旧混凝土未凿毛或凿毛深度不够；三是混凝土或灌浆料浇筑不密实，出现漏浆或麻面等，此处因钢筋过于密集容易产生的混凝土振捣不实、蜂窝、孔洞等质量缺陷，可采用高压化学灌浆补强，为使浆液易渗透并充满所有孔洞裂隙，灌浆应保持较高压力。为保证灌浆能达到较高的压力，整个节点核心区宜用薄型钢板(3～4mm) 外包密封。也可适当增加混凝土的坍落度，增加灌浆孔，确保节点区混凝土的密实度。

3.5 楼板加固设计

本项目为预制多孔板，根据抗震鉴定报告，现场查看教室内预制板无明显损伤和变形，各楼层的房间在后续使用中荷载不发生明显增加的情况下，预制板能够满足使用要求。

教学楼加固方案确定为，一是对预制板有破损、露筋、锈胀、保护层脱落等损伤进行修复处理，对屋面渗漏部位进行处理，经洒水充分浸润后采用修补砂浆进行修复，对大体积缺陷，则可选择灌浆料进行修复；二是对个别房间荷载变化大，计算不满足承载力要求的，采用贴碳纤维加固法加固预制板。板底采用双向2T-200@400，碳纤维具有重量轻、高强度、耐腐蚀、易加工等特点，将碳纤维布贴在预制板表面，利用其抗拉强度进行加固。碳纤维加固时必须进行充分的表面处理，粘贴面必须进行打磨，磨掉1~2mm厚表层，打磨完成后平整度应达到5mm/m，保证碳纤维布能充分贴附在预制板表面，防止出现气泡和松动现象。贴碳纤维加固结束后，表面采用抹25厚高强度等级水泥砂浆作防护层。

结语

综上所述，百年老建筑的翻新改造加固是个复杂地、综合性、存在较多不可预见的难题，需要设计师全过程服务，设计师需要根据不同项目的实际问题，利用先进的设计理念、设计方法，采取切实可行、安全可靠的解决措施。本项目以上海大学某教学楼改造为例，采用约束屈曲支撑和剪切型阻尼器的消能装置，借助扩大截面法、粘钢法、贴碳纤维法等对主体结构加固，从而提高建筑物的整体抗震性能，保证了教学楼后续安全的使用。

参考文献  

[1] 上海大学教学楼抗震鉴定报告：沪房鉴（010）证字第2021-189-1号.中冶建筑研究总院（上海）有限公司房屋质量检测站,2021

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[3] 韩明杰，刘航，吴岳松.某近代文物保护建筑的加固修缮及应用[J]，建筑结构, 2022, 52(S01):2049-2053.