商业综合体的加固改造设计

徐 正，曹亮良

（华汇工程设计集团股份有限公司，浙江 绍兴312000）

商业综合体自身具有建设周期长的特点，因此部分开发商开始转入对已建项目进行改造或合作开发。此类改造工程原有的建筑平面功能布局和立面造型与商业综合体的要求相差较大，导致结构加固工程量巨大。加固改造设计涉及对项目整体承载力及抗震性能重新计算复核、主体结构构件加固改造设计、加固改造中的节点细部结合施工可行性优化设计以及对改造后出现的基础承载力不足的加固方案比选设计。

1 项目概况

1.1 基本情况

嘉兴市某市场加固改造项目，原项目分南、北独立两个区块，由6幢13～18层塔楼及其4～5层裙房组成，南北区通过连桥连接。项目设2层地下室（局部1层），地下1层层高6.40 m（室内）／5.40（室外），地下2层层高4.60 m。

改造前，项目主体结构已结顶，建筑墙体已砌筑完毕，设备管线基本安装到位。现需将裙房及地下区域进行改造，总改造面积约142 000 m2，改造后需满足商业综合体的建筑造型和各项功能要求。见图1。

图1 改造后效果图

1.2 改造内容

根据商业综合体的建筑要求，本项目重点改造的内容包括：

1）业态调整，如增设大型超市卖场、真冰场、影院等；

2）设备用房及管道洞口调整，如增设配电房、泵房、空调机房等；

3）建筑动线调整，如增加室内步行街后原结构楼面大面积开洞；

4）楼面行车路线调整，如增加室内外消防车通道，地下室货车通道和垃圾车运输通道等；

5）室外增设下沉式广场；

6）新增消防疏散楼梯及建筑功能配套的自动扶梯和电梯；

7）增设步行街采光玻璃顶及中庭整体改造；

8）局部结构抽柱或梁柱转换。

2 改造方案设计

2.1 改造后建筑抗震设防类别、结构安全等级及抗震等级确定

《混凝土结构加固设计规范（GB 50367—2013）》［1］明确：“加固后结构安全等级，应根据结构破坏后果的严重性、结构的重要性和加固设计使用年限，由委托方和设计方按实际情况共同商定。”

本工程原结构安全等级二级，抗震设防类别丙类。改造后为商业综合体，根据《建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223—2008）》［2］6.0.5规定“商业建筑中，人流密集的大型多层商场抗震设防类别应划为重点设防类。当商业建筑与其他建筑合建时应分别判断，并按区段确定其抗震设防类别”，其条文解释明确“大型商场指一个区段人流5 000人，换算的建筑面积约17 000 m2或营业面积7 000 m2以上的商业建筑”，结合朱炳寅在《商业建筑及高层建筑的抗震设防分类问题与设计建议》［3］中的论述，对照本项目各建筑单体间均设有抗震缝，单体间连桥设计成钢结构，设滑动支座，在后续的建筑改造中根据人流疏散增设了大量的疏散楼梯，使得各抗震缝中间的单体平面不符合“大型商场”的“密集人流”条件，因此建筑抗震设防类别仍为丙类。结论得到了项目论证专家和图审机构的确认。

建筑抗震设防分类为丙类，本项目的结构安全等级仍为二级，结构构件的抗震等级同原抗震等级，但对于改造后出现的大跨度和大悬挑构件应按规范要求提高相应构件的抗震等级和构造措施。

2.2 与建筑专业同步确定方案平面图

从建筑方案阶段开始，结构加固从加固可行性和减少工程造价及后续加固工程量的角度会同方案单位对建筑平面提出优化建议，并落实到建筑方案中。具体内容如下：

1）对结构整体规则性进行概念设计控制。如：新开步行街洞口位置及大小是否合理；开洞后形成的大悬挑部位避免出现纯悬挑结构；影厅平面尽量结合原柱网布置，避免结构柱高位转换等。

2）对商业平面功能布置提出改造意见和建议。如将地下一层的超市区由原布置在普通楼面区调整到人防顶板区，避免了超市荷载增加导致的近万平方米的加固改造等。

3）对于复杂的中庭及步行街洞口，与建筑沟通洞口轮廓线，尽量避免凿除结构柱，减少结构悬挑。

4）对于需要设置排水沟的地下室设备用房和下沉广场，以及落于基础底板的电梯井道和电梯前室等，采用回填和抬高建筑标高进行处理，避免破坏地下室底板。

3 主体结构加固改造

3.1 主要加固方法

主体结构承载力不足时，本项目主要采取以下几种加固方法：

1）梁主要采用粘钢法和增加截面法。

2）框架柱主要采用外包角钢和增加截面法，当框架柱仅轴压比或抗剪不够采用粘贴碳纤维法。

3）板主要采用粘贴碳纤维法。

4）新增混凝土构件钢筋与原结构构件连接采用植筋法。

5）新增隔墙荷载加固：首先将墙体重量按楼面恒载折算，并考虑楼板塑性设计，尽量发挥原楼板的承载能力，减小对楼板的加固；其次在有条件的楼面设置上翻梁或钢梁，将荷载传于两侧支座梁上来减少对楼板加固。

考虑施工进度要求，尽量采用粘贴法加固。

3.2 主要加固部位与加固思路

3.2.1 地下超市货车通道、卸货区及新增下沉广场区域

地下室超市货车通道、卸货区原建筑功能为机械停车区，楼面活载为5 kN／m2，按照新建筑功能，货车通道活载为10 kN／m2，卸货区的活载为20 kN／m2；新增下沉广场区域需要新增300 mm厚建筑面层设置排水沟，并增加景观荷载，总荷载会增加10 kN／m2。经复算原梁、板承载力均不满足要求，传统粘贴法无法满足加固要求，需加大构件截面。增加截面法最大问题是需要把板底已有的管线进行拆除，其加固工程量大、工期长。于是经与业主及建筑专业协商后采用叠合梁板的方式进行加固，即在原板面新浇筑300 mm厚混凝土板作为受力板，原楼板作为施工底模使用，不再考虑原次梁和楼板的承载，原主梁按照加高截面300 mm叠合梁进行设计复核，这样大部分加固均在板面进行，个别主梁在梁底进行粘钢或加大截面加固（图2）。

图2 下沉广场框架梁支座钢筋遇柱锚固大样

3.2.2 餐饮厨房区域

餐饮业态中厨房区域业主均要求垫高300 mm设置排水设施，新增荷载会造成结构大量的加固，经过和商管、设备专业等沟通后采取如下措施来减少加固工程量：

1）厨房区域回填高度减为200 mm（加上建筑面层50 mm总共高度为250 mm），回填材料采用轻质泡沫混凝土，其容重不得大于5 kN／m3；

2）厨房区域楼面板底部粉刷取消，板面建筑面层恒载不大于1 kN／m2；

3）减轻厨房区域楼面板底部吊顶荷载，重量较大的设备管线避开厨房位置，管线及吊顶总荷载不得大于0.5 kN／m2。

综合上述条件，厨房区域附加恒载为2.5 kN／m2，活荷载取值仍按原设计4.0 kN／m2取值。经复核厨房区域基本不用加固。

3.2.3 影院看台区域

为减小加固工程量，所有看台均采用轻钢结构，上面铺设花纹钢板后再做50 mm厚的配筋混凝土面层，看台下部无人区域建筑封堵后的活荷载不再考虑，影院区域的加固大幅减少。

3.2.4 屋顶新增大跨度悬挑梁

根据建筑条件室内步行街部分屋面位置需要结构悬挑梁板作为步行街屋顶，封口梁作为采光顶的搁置端，该部位结构悬挑长度为6 m，根据《混凝土结构设计规范（GB 50010—2010）》8.4.1条，在结构的重要构件和关键传力部位，纵向受力钢筋不宜设置连接接头，为了保证挑梁钢筋可以顺利穿过框架柱和主梁，最终方案定位叠合上翻梁加固（图3）。

图3 屋顶新增大跨度悬挑结构平面示意

3.2.5 新增室内步行街连廊的抗震支座

单体间连桥设计成钢结构以减少加固量和方便施工，大跨度位置的主钢梁（跨度大于8 m）一端按固定铰支座设计，另一端按照双向滑动铰支座设计。考虑牛腿采用植筋做法难度较大、可靠性低，故将放置牛腿区域的梁混凝土凿除，待牛腿钢筋及埋件放入后再整体浇筑混凝土（图4），牛腿宽度按大震作用下的主楼在该位置的节点最大位移确定。

图4 大跨度钢连桥抗震支座设计

跨度较小位置的钢连桥与主体结构采用后置埋件进行连接，主钢梁一端按固定铰支座设计，另一端按照滑动铰支座设计。

4 基础加固改造

4.1 基本情况

裙房区采用预应力管桩当抗压兼抗拔桩，桩径600 mm，桩长15 m（单节），单桩抗压承载力特征值1 000 kN，抗拔承载力特征值550 kN；承台为四桩承台到八桩承台，承台厚度均为1 m；底板厚度600 mm。

场地地下水抗压设计时按地表下0.3～1.3 m（相当于黄海高程1.20～1.48 m）设计，抗浮设计时地下水位取黄海高程2.80 m。

场地±0.00 m标高相当于黄海高程4.40 m，抗浮设计水头高度6.4＋4.6＋0.6＋2.8－4.4＝10 m。

改造后传至基础荷载有较大变化的位置有：地下室新增超市重荷载区（货车通道、卸货区、库房、生鲜区等），新增室外下沉广场区域，原下沉广场封闭区域。

经核算，抗浮工况下荷载增加最大的部位是新增下沉式广场区域，原因是该处取消了1 m厚度的地下室顶板覆土及楼盖，单柱下浮力最大为5 500 kN（原设计桩基抗浮承载力4 400 kN），抗压工况下荷载增加最大的部位是南区原敞开式内庭院增加屋盖及大跨度梁处，单柱下最大受压力为6 000 kN（已考虑部分有效水浮力作用，原设计桩基抗压承载力4 500 kN）。

4.2 基础抗压不足的加固

基础抗压承载力不足时，常规做法是采用锚杆静压桩加固，但考虑锚杆静压桩承载力较低，且两层地下室的地下水位较高，采用锚杆静压补桩时降水和施工极为困难，以及后期可能出现的渗漏质量问题，故在评审会议中锚杆静压补桩加固方式被否决。本工程柱下抗压不足的加固主要考虑了如下几方面有利因素和方法：

1）考虑有利水头因素：根据勘察报告历史最低水位为黄标－0.28 m，两层地下室区域基础底板底标高为黄标－7.7 m，有利水头为7.42 m（原结构设计已经考虑了5 m有利水头），基础底板所在土层为④－2粉质黏土地基承载力特征值较高，底板自重可由土层承受。抗压桩基复核时可以适当考虑2.4 m的有利水头作用。

2）采用PMCAD竖向导荷并根据《建筑结构荷载规范（GB 50009—2012）》［4］对商业建筑的活荷载乘以折减系数0.9。

3）考虑上述两项有利作用后桩基抗压承载力仍然不满足要求的地方，采用设置柱间斜撑（两端铰接的受压杆）的方式解决。设置斜撑后通过上部结构整体刚度调节相邻柱下桩基础的变形协调，将柱下不足部分的力通过斜撑传至相邻柱下基础。斜撑设置部位均在地下2层或地下1层，且多数藏于建筑隔墙里面，并且和建筑与设备专业沟通确认后实施。为便于复核，此处假定相邻柱下变形一致，按照材料力学的超静定计算公式进行手工计算斜撑处的内力传递（图5）。

图5 基础抗压工况设置柱间斜撑计算简图

1）平衡方程

2）变形几何方程

3）物理方程

连解（1）（2）（3）式得出：

新加斜撑采用C45混凝土强度，E2＝E3＝33 500 N／mm2，截面均为600 mm×600 mm，原柱混凝土强度为C40，E1＝32 500 N／mm2，截面为700 mm×700 mm。

地下2层柱间支撑为ZC1：α＝β＝61.3°。

地下1层柱间支撑为ZC2：α＝β＝52.7°。

计算结果表明地下2层设置斜撑时可以将15%的柱下荷载传递至相邻的柱下承台，地下1层设置斜撑时可以将25%的柱下荷载传递至相邻柱下承台。

为保证斜撑的实际传力效果，需要保证斜撑的施工质量，在斜撑位置的梁端做好临时支撑，斜撑上口的梁截面混凝土部分凿除以保证斜撑的钢筋植筋空间和混凝土浇筑。由于斜撑可以按照两端铰接的受压构件设计，斜撑的植筋深度按照构造就可以满足要求。

4.3 基础抗浮不足的加固

本工程是在原有主体结构已经施工完成的基础上进行的加固改造，建筑整体抗浮能够满足要求，只需对局部柱下抗浮不足的基础进行加固处理。此次加固方式主要采用局部增加配重（损失个别停车位，底板浇筑一定厚度的素混凝土）和设置斜撑（进行传力转换）的方式。

4.4 基础承台抗冲切和抗弯不足的加固

柱下承台抗冲切和抗弯不足的情况主要通过增加柱截面或在柱周边设置混凝土短墙肢的方式解决（图6）。

图6 柱下承台抗冲切和抗弯不足的加固方式

5 结 语

1）商业综合体加固改造涉及到的改造内容多且复杂，在制定加固改造方案时不仅要多专业协同，而且要尽可能通过多方案比选以减少改造量，优化加固措施。

2）通过利用单体间原有的抗震缝，新增钢连桥一端设置滑动支座，根据人流合理设置疏散楼梯等措施，维持建筑抗震设防类别丙类，减少了加固工程量。

3）对于地下室部分面荷载增大较多的区域，采用新增叠合梁板的方式进行加固，加快了施工进度，也减少了对梁、板底的原有管线的拆除量。

4）通过在屋顶设置上翻柱帽，叠合上翻梁截面，挑梁上部钢筋按现浇结构连接这些措施，实现了屋顶新增加的大悬挑结构。

5）通过考虑有利水头因素及活载折减，设置柱间斜撑（两端铰接的受压杆）等多种方式解决了桩基抗压承载力不足的问题。

6）采用局部堆载和设置斜撑（进行传力转换）的方式可以解决桩基抗拔承载力不足的问题。

7）通过增加框架柱截面或在柱周边设置混凝土短墙肢的方式可以解决柱下承台抗冲切和抗弯不足的问题。