某下沉式广场加固改造工程结构设计分析探讨

某下沉式广场加固改造工程结构设计分析探讨

缪志丹

上海建工二建集团有限公司上海200090

摘要：某下沉广场由于使用功能的调整，露天下沉广场部分需加建一层，原二层商业部分需拆除原结构部分构件，设计过程中需理清改造思路，仔细复核原有图纸，根据改造后的建筑功能要求及拆除情况制定合理的加固改造方案，建模分析计算，并根据计算结果对不同的部位分别采取相应的加固措施，可供类似的加固改造参考.

关键词：加固改造;基础加固;构件拆除;楼板开洞;构件加固

一、工程概况

上海市区某下沉广场建于1998年，由二层地下商业空间及下沉式露天广场组成，商场部分为2层框架结构，下沉露天广场连接地铁出入口，本工程±0.000相当于吴淞高程绝对标高3.300，现状基础底板顶结构标高为-7.1m（其中下沉露天广场部分-7.3m），层高约4.55m；半地下层结构相对标高为-2.55m，层高4.5m，局部层高5.5m，商场屋面板上方为城市公园绿化，最大覆土厚度约2.5m，现由于建筑功能的调整，拟将现有露天下沉广场部分加建一层并在该区域增设地铁换乘通道，二层框架部分也相应根据建筑功能需要做了调整，改造后的主要使用功能为商业、设备用房等功能，改造前后建筑场景效果见图一。

图一改造前后场景效果图

二、改造加固设计的思路

改造加固设计是一个综合性的设计工作，在加固改造设计过程中应当思路清晰，目标明确并严格遵循各种规范，一方面，加固改造工程涉及到新老结构设计规范、结构加固设计规范、现有建筑的可靠性鉴定，抗震鉴定等方面的问题，另一方面，加固改造又不是单纯理论上的概念及数据，更应该从结构设计的总体概念出发，广泛收集资料，重视现场调查，对已有建筑进行正确评估和诊断，对各种问题进行定性、定量分析，找出结构薄弱部位和环节，根据结构计算结果结合结构总体概念设计，针对不同的部位采取采用适宜的建筑材料和加固方法，只有这样，才能确保改造项目的结构安全、适用、经济及耐久性，本项目加固改造设计总的来说大致可分为以下三个阶段：

第一阶段，熟悉原有图纸，本次改造项目紧邻正在运营和建设中的两条地铁线路，在改造设计前我们仔细查看本项目和相邻地铁项目相关建筑、结构及设备图纸，以理清三者之间位置关系及构造做法.

第二阶段，进行现场调研，由于两条地铁建构筑物结构与本项目平面及结构标高关系相当复杂，加之现有露天下沉广场底板下有确保地铁运营的电缆沟穿过，在加固改造设计过程中，业主委托专业检测机构对电缆沟准确定位及公园上方的覆土标高进行现场复核，以为加固改造设计提供更准确的资料，为更好地理解原设计的设计意图在加固改造设计过程中不断的与外部相关单位沟通.

第三阶段，理清思路，严格遵循各种规范和抗震鉴定报告，根据改造后的建筑平面布置，设备布置图和室内装修图纸，对该楼主体框架结构进行分析计算，对各种问题进行定量定性分析，找出受力规律和安全储备，并从结构设计的总体概念出发进行多结构改造方案的比选，充分挖掘现有承载力，提出经济合理的改造加固的详细方案和具体措施，并绘制施工图。

三、结构加固改造设计的主要内容

经仔细对比建筑改造前后的建筑、结构及设备图，本次加固改造结构部分主要有以下几个方面：

1、原有露天下沉广场区域加建一层；

2、台阶下方作为改造后的商业主入口，现状地下层台阶下方的放射状混凝土墙体需全部拆除，为确保改造后的商业入口宽度，需拆除原商场进口处的部分柱，(图二粉红色所示)；

3、由于本次改造需要增设增设楼电梯间，并连接两条地铁线路通道，需拆除本项目部分原有混凝土墙体，(图二粉红色所示)；

图二地下、半地下层混凝土墙体拆除示意图

4、原有二层框架的中庭部分的楼板需要开洞(图三红色所示)；

5、为尽可能满足改造后建筑净高要求，改造后商业门厅入口处-2.500标高和屋面标高原混凝土结构拆除改用钢结构，楼板采用钢筋混凝土组合楼盖(图三填充区域所示)。

图三地下、半地下梁板拆除示意图

四、加固改造的难点及解决措施

由于本项目紧邻两条地铁线路，在本次加固改造过程中一方面需要考虑项目本身的改造设计，另一方面也需考虑尽可能减小对运营中的地铁和在建地铁项目的影响，根据本次改造情况，针对不同的部位和构件的具体情况，分别采取了不同的加固改造方法。

1、地基基础的加固

本工程桩原设计露天广场部分采用直径为Φ600，桩长为19m，主要作用为解决底板在传递由地铁产生的水平力的过程中的翘曲问题，二层地下地下商业空间部分的桩直径为Φ700，桩长为37m,该部分桩与土体一起共同承担上部机构的荷载，露天广场底板与室内商场基础底板为均为500mm厚，底板的抗浮由底板下

滤水层解决，基础及滤水管平面布置、滤水层做法见图四（图中蓝色线为滤水管）

图四基础底板及滤水管布置平面及做法示意图

本次改造露天广场部分加建一层，该区域总体加层增加的荷载较少，原有基础底板可承担，但由于地铁换乘通道需要的大跨度柱网，导致该部分柱底轴力过大，需要采取补桩加固处理.另拔除原商场入口处部分框架柱，拔除后两侧柱荷载增加很大，柱本身及其下的基础及地基需做加固处理，补桩也将不可避免，同时基础也将加大、加厚、加强处理，而原有筏板和滤水层均为整体防水层，在补桩和柱帽施工过程中极易破坏滤水层，而滤水层一旦被破坏，则将影响整个项目的底板抗浮，加之本项目1998年建成投入使用至今已近20年，根据前期现场实地了解，虽然滤水层基本已经达到了设计预期的目的，在实际使用的过程中也确实出现了滤水管局部堵塞的情况，如何在局部破坏后修复修复底板和滤水层则是一个难题，为彻底解决水浮力问题对本项目改造后的隐患，本次设计不考虑滤水层的有利作用；而对于二层原有商业部分，由于露天下沉广场底板与二层商业底板为一个整体底板和滤水层系统，若广场部分不考虑滤水层作用，则二层商业部分的底板计算时也无法考虑，为此，根据YJK结构计算模型复核基础（考虑与不考虑水浮力两种工况），经复核原有复合地基柱墩下部钢筋无法满足计算要求，为确保建筑的净高，柱墩需向下加厚，经过多方了解施工工艺，在现有工期和施工环境条件受到限制的情况下，向下加厚柱墩实施难度较大，为此，我们初步考虑在原有柱网内增设桩分担原有柱底荷载的方案，但根据盈建科计算结果，该方案对计算结果的影响很小，后经对比分析不同的计算模型和讨论发现，在现有500mm厚筏板的情况下，筏板不可能发生变形，而根据筏板基础变刚度调平设计假定，筏板的刚度足够大，而本项目地基土经过近20年的固结，基本趋于稳定，从而无法分担原有柱下的荷载，若在柱墩下布桩虽然能解决但数量较多，从破坏原有柱墩和施工角度基本也不具有可行性。

综合以上情况，本次改造露天广场加层部分原有桩基础无法满足改造后的基础承载力要求，需要补桩，而二层商业部分则仅在中庭部分根据计算要求补抗拔桩，对于原有柱下墩下部配筋不足的情况，经过与建筑沟通，采取向上增加承台厚度的方式予以补强，，考虑到本工程距离地铁2号线相连，为减少基础工程对地铁隧道的影响，消除挤土效应，补桩采用?600钢管桩方案。

2、上部结构的加固设计

本次加固改造原有二层商业保留部分荷载及顶板覆土厚度相差不大，根据混凝土加固设计规范（GB50367-2013）第3.2.4条的规定，为防止结构加固部分意外失效而导致的坍塌，在使用胶粘剂或其它聚合物的加固方法时，加固设计除应该按照本规范规定进行外，尚应对原结构进行验算，验算时，应要求原结构构件能承担n倍恒荷载标准值的作用，（n取值范围根据可变荷载与永久荷载标准值比值确定，取值范围为1.2~1.5），据此原则复核，原结构基本满足要求。

针对本次改造后的建筑、设备及拆除图，采用盈建科结构计算软件（YJK1.9.1）对结构进行计算分析，模型如图五所示，根据计算结果分别就柱、梁、板加固分述如下：

图五结构计算模型示意图

1）柱加固：

原结构由于新的建筑功能要求，将原有的-2.55标高层中庭部分梁板全部拆除形成大洞口，原有框架柱的计算高度变大，对于该处柱，采用外包型钢加固法进行加固，对于其它配筋不足原结构柱则采用外贴碳纤维加固法进行加固（如图六所示）。

图六框架柱加固示意图图七框架梁加固示意图

2）梁加固

原结构1998年完工，梁承载力基本能满足以上要求，但因建筑功能调整及机构构件拆除的变化，如抵抗水平力的混凝土墙体及梁、楼板拆除等，经验算局部梁不能满足计算要求，需进行加固，本工程梁加固基本原则：计算配筋为原配筋1.0~1.2倍的情况下采用碳纤维加固，1.2~1.4倍的采用粘钢加固，1.4倍以上及圆截面不满足规范要求的采用加大截面法进行加固，经核对计算结果，采用碳纤维加固基本能满足计算要求，梁加固详图如图七所示。

3）板加固

原结构板经复核以保留部分板配筋基本能满足计算要求，但大开洞周边楼板需要从构造上予以加强，在设计中选用板底粘贴2~3层碳纤维进行加固的方法。

五、结论

随着时间的推移使结构构件老化和人们生活需求的不断变化，建筑结构的加固改造需求也在不断增加，在目前加固改造实际项目中，很多仅针对结构荷载变化后构件承载能力进行补强设计和构造的优化，在结构总体上的把握与判别上相对较弱，而往往有些既有建筑的改造往往使用功能荷载变化较小，这就需要在加固改造设计前做好调查分析工作，设计过程中既要考虑使用功能荷载变化对构件承载力的影响，也要注意局部构件拆除后对相邻构件乃至对整体结构的影响，从总体上对改造要求和加固方案进行把握，针对不同的建筑类型制定合理的、可行的加固设计方案，并严格按照要求施工，确保建筑物整体结构的稳固。

参考文献：

[1]混凝土加固设计规范（GB50367-2013）中国建筑工业出版社.2013

[2]建筑抗震加固技术规程(JGJ116_2009)中国建筑工业出版社2009

[3]混凝土设计规范(GB50010_2010)中国建筑工业出版社.2010

[4]地基基础设计规范（GB5007-2011）中国建筑工业出版社2011

[5]建筑结构检测鉴定与加固手册中国建筑工业出版社2003