现浇空心楼盖是在现浇无梁楼盖的基础上, 为了减轻结构自重、改善受力条件, 在楼板内按照一定规则预埋轻质空心内模并浇筑混凝土而形成的一种无梁楼盖体系。空心楼盖结构体系能够使得混凝土结构实现大跨度, 同时又满足承载力、挠度、裂缝等的设计要求。现浇空心楼盖体系能较好地满足建筑使用功能的要求, 并具有美观、隔音、隔热和施工方便快速等优点。近些年来由于建筑体型多样化、人们对空间要求的提高以及工期和施工等其他因素的影响, 现浇空心楼盖结构体系得到了越来越多的应用。

　　 空心楼盖的传力方式及配筋方式同传统的梁板式楼盖有着较大的区别。目前对于涉及空心楼盖结构体系的加固改造研究也并不多。本文以温州国际会展中心三期展厅项目为工程实例, 对大跨叠合薄壁空心管现浇混凝土空心楼盖 (是空心楼盖结构体系的一种, 其空腔由上下两层空心管内模叠合而成) ^[1]的受力特性以及后期空心楼盖的加固改造设计进行了研究分析, 以期给同类工程的加固设计提供借鉴。

　　 温州国际会展中心三期展厅项目位于温州鹿城区瓯江路, 建筑总面积为4.47万m², 其中地上展厅部位建筑面积为3.2万m²。地下1层, 层高4.5m;地上3层, 层高9.6m;局部设置夹层。上部结构中间区域为展厅部位, 典型柱距为20m×20m, 采用空心楼盖结构体系。结构南北方向各有一跨为梁板结构体系, 典型柱距为10m×10m, 在此区域设置疏散通道及夹层。结构整体水平抗侧力体系为板柱剪力墙结构, 上部结构框架及剪力墙抗震等级均为二级。3层楼面及以下墙柱混凝土强度等级为C45, 3层以上为C40;3层楼面及以下梁板及空心板混凝土强度等级为C35, 3层以上为C30^[1]。

　　 2层展厅设计活载为15kN/m², 空心板厚度为1 000mm, 暗梁尺寸为2 000mm×1 000mm。由于2层跨度大、活载重, 因此空心板的厚度保守地取1 000mm。3层展厅设计活载为6kN/m², 空心板厚度为800mm, 暗梁尺寸为1 600mm×800mm。3层改造前结构平面图见图1。

　　 在结构施工完成后, 3层的建筑功能发生改变, 由原来的展厅改为带夹层的宴会厅, 其建筑平面图及剖面图如图2所示, 部分区域需进行加固改造。整个平面分成4个区域, 左侧宴会厅 (区域1) 及中下部宴会厅 (区域4) 地面抬高0.45m, 右侧宴会厅 (区域3) 地面抬高1.50m, 中上部厨房区 (区域2) 地面抬高0.3m;其中中部区域设置夹层, 厨房区 (区域2) 夹层层高4.3m, 中下部宴会厅 (区域4) 夹层层高6.2m, 夹层结构设置如图2 (b) 和图3所示。

　　 整个夹层采用钢结构, 夹层楼板采用压型钢板+混凝土组合楼板形式。夹层主要呈椭圆形布置, 产生大量的钢柱直接落在空心板上;夹层西北部 (图3) 走廊区域钢柱在X向间隔为10m, 在Y向落在空心板1/4跨部位;厨房区 (区域2) 内部钢柱间隔为10m, 落在空心板中间;中下部宴会厅 (区域4) 周圈钢柱较密, 落在空心板或暗梁上。左右侧宴会厅 (区域1, 3) 采用在混凝土空心楼板上架设钢结构的方式抬高楼面, 重新浇筑一层压型钢板+混凝土组合楼板。

　　 左右侧宴会厅 (区域1, 3) 采用钢结构抬高楼面后, 其荷载并未大幅增加, 原设计活载6kN/m²已足够, 因此该区域无需加固。西北部及中部区域由于设置夹层, 荷载增大较多, 并产生大量的钢柱直接落在空心板上。若采用梁抬柱的方式进行加固, 由于钢柱位置不规则, 钢柱下布置梁易对下层展厅产生较大影响。为尽量减少对既有建筑功能的影响, 本工程最后采用钢柱直接落在2层空心板上的转换方式, 充分发挥空心板的承载力。钢柱与空心板连接大样见图4。

　　 本工程采用PMSAP对结构进行整体分析, 空心板采用刚度等效的实心板模拟^[1]。在原结构模型中直接增加钢结构夹层, 并根据钢柱的位置建立虚梁划分有限元大板, 在此基础上进行增加夹层后全楼结构 (简称加层后结构) 的有限元分析计算。

　　 原结构上部总质量为69 058t, 加层后结构上部总质量为70 531t, 整体结构质量增加1 473t, 增加率为2.13%, 改造后结构自重仅仅略有增加。改造前后结构的主要计算结果对比见表1和表2。根据对比结果可知, 增加夹层后对原结构的整体影响较小, 结构的基底剪力及剪重比也仅是略有增加, 各个指标均未发生大幅变化, 均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2]的要求。因此增加夹层的改造方案是可行的。

　　 钢结构夹层北侧区域Y向主钢梁与混凝土主体结构的框架柱直接连接, 经计算框架柱的各项指标均满足规范要求;夹层南侧区域的部分主钢梁与20m跨度的混凝土框架梁 (图3中Ⓓ轴交⑥～⑧轴的框架梁, 加固前已存在, 为未改造方案夹层部位的框架梁) 相连, 经计算改造后该20m跨框架梁内力增大较多, 原配筋不足。若在该框架梁下设置钢柱, 钢柱又直接落在下一层的空心板上, 还需对下一层空心板进行加固, 工作量较大。为减少对原结构的影响, 最终采用设置钢斜撑的方式对20m跨混凝土框架梁进行加固, 夹层荷载通过钢斜撑直接传递给框架柱, 钢斜撑设置情况见图5。经过计算, 设置钢斜撑后该框架梁原有的配筋已满足要求。

　　 夹层大部分荷载是通过钢柱直接传递给2层空心板, 再由空心板将荷载传递给混凝土框架柱和剪力墙, 类似于大板转换的传力方式。故需对空心板进行整体有限元分析计算, 来判断空心板的承载力是否足够。

　　 经过对空心板进行整体有限元计算, 增加夹层后底层框架柱的轴压比由0.71增大为0.76, 满足抗震等级为二级的板柱剪力墙结构的柱轴压比限值要求。增加夹层后, 3层柱帽的冲切比为0.6, 满足规范要求, 这是因为原设计时采用了重型柱帽, 设计留有富余, 因此本工程无需再对柱帽进行加固。若经过计算得出, 加固后柱帽抗冲切能力不足, 则应对柱帽进行加固, 可参考文献[3,4]。此外大部分区域空心板的抗剪承载力也满足规范要求, 承载力不足部分主要集中在厨房区 (区域2) 10m跨钢柱底部, 且主要为抗弯承载力不足, 需进行加固。增加夹层后2层空心板整体变形见图6, 在集中荷载作用下空心板呈现整体受力的形式, 因此空心板的加固也应采用整体式加固。

　　 以厨房区 (区域2) 钢柱底部空心板为例, 给出增加夹层前后的配筋与内力计算结果对比, 见表3。增加夹层后, X向板底弯矩由313kN·m/m增大为551kN·m/m (图7 (a) ) , 计算配筋由1 300mm²/m增大为2 100mm²/m;Y向板底弯矩由326kN·m/m增大为529kN·m/m (图7 (b) ) , 计算配筋由1 800mm²/m增大为3 000mm²/m。而实际板底配筋X向为1 751mm²/m, Y向为2 161mm²/m, 增加夹层后已不满足承载力要求, 因此采用粘贴碳纤维加固法^[5]对空心板进行加固。采用150mm宽幅、克重为300g/m²的高强度Ⅰ级碳纤维布进行加固, 间距为500mm, 内力大的部位粘贴2层, 其他部位粘贴1层, 厨房区 (区域2) 的板底及柱帽顶均需加固。需要注意的是, 经加固后构件的正截面受弯承载力的提高幅度不应大于40%。加固后板底抗弯承载力见表3, 已满足要求。其他部位的楼板均根据计算结果分别进行加固。

　　 夹层局部钢柱轴力很大, 达到1 130kN, 因此需要对钢柱底部的空心板进行抗冲切验算。空心板等效厚度为485mm (计算方法见文献[1]) , 其抗冲切承载力约为1 531kN, 满足要求。由于空心板为叠合薄壁空心管空心板, 受力较实心板不利, 因此实际加固时对钢柱底部的楼板空心部位进行灌浆处理, 加强板柱连接节点位置的抗剪及抗冲切能力, 如图4所示。

　　 (1) 经过整体计算分析, 增加夹层后结构整体指标均未发生大幅变化, 均满足规范要求。加层后结构质量增加量并不大, 并且原设计相关框架柱及基础均留有足够富余, 因此增加夹层的改造方案是可行的。

　　 (2) 对20m跨混凝土框架梁采用设置斜撑的加固方法, 减少加固工作量及对主体结构的影响。在集中荷载作用下, 混凝土空心板呈现整体受力的形式, 因此加固时对空心板进行整体加固。对于空心板承载力不足的部分采用粘贴碳纤维布加固法进行加固, 提高了施工速度及施工方便性。同时为防止钢柱底部的空心板局部破坏, 对于钢柱底部的空心板采用局部灌浆处理, 提高其抗剪及抗冲切承载力。

　　 (3) 3层的加固改造几乎未对2层展厅产生影响, 实际施工时2层展厅几乎未听到3层的施工噪音, 这更加验证了空心楼盖在隔音降噪方面的优势。整个改造工程施工历时一个多月, 并于2015年12月完工, 取得了良好的社会与经济效益。