正佳广场位于广州市天河路与体育东路交汇处, 占地5.7万m², 总建筑面积约42万m², 裙楼面积约30万m², 地上7层, 地下2层 (局部3层) , 是一栋集娱乐、餐饮、休闲、旅游、商务等多功能于一体的大型综合体建筑。考虑商业转型需要, 在建筑物E区 ( (1) ~ (7) 轴与?~○N轴交汇区域, 见图1) 的2~4层修建正佳极地海洋世界生物馆 (简称海洋馆) , 海洋馆跨越2层 (2层楼面~4层楼面) 。其中主缸水深约8.5m, 中缸水深约6.5m, 小缸水深约1~2m;在7层夹层建造海洋表演剧场, 水深约4m, 看台容纳观众约1 000人。

　　 图2为开业后海洋馆现场实景图, 图2~4分别为海洋馆建筑平面图、轴测图、结构剖面图。

　　 本项目改造加固主要性能指标及难点为:1) 改造后建筑物设计使用年限按40年考虑, 需满足现行规范要求;2) 基础加固不能影响防水要求, 且不能影响基础下面已经运营的地铁;3) 海洋馆改造加固施工期间不能影响现有商场的营业;4) 为实现水族馆大空间要求, 需在2~3层整体切除局部框架柱。

　　 正佳广场2003年底完工, 裙楼采用框架结构, 本工程采用从整体到构件的加固思路:即首先要保证整个结构的安全;其次要保证各单个构件满足承载力的要求。具体措施如下:1) 将原有框架结构体系转变为框架-剪力墙结构体系;2) 将原桩基础改造成桩-箱基础;3) 2~3层梁板及柱采用加大截面加固;4) 4层新增转换梁改造。

　　 荷载取值见表1, 因海洋馆建成后, 常年处于满水状态, 故水体荷载按恒载考虑。梁、板混凝土强度等级:除6, 7层及7层夹层为C35外, 其余楼层均为C40。梁、柱、板的旧钢筋的强度等级均为HRB335, 新钢筋均为HRB400。

　　 经与建筑、设备等专业配合后, 采用以下两个措施将原框架结构体系转变为框架-剪力墙结构体系:1) 利用原有楼梯间位置设置钢板剪力墙;2) 局部设置阻尼器及斜撑。

　　 图5为改造前后结构模型, 图6为新增抗侧力构件布置, 图7为双钢板剪力墙构造, 图8为减震设计及钢板阻尼墙构造, 图9为钢板阻尼墙现场施工实景图。

　　 原设计框架抗震等级为二级, 按现行规范^[1,2], 大型商业建筑抗震设防分类为乙类, 应按提高一度要求加强抗震措施。如加固改造后仍采用框架结构体系, 抗震等级为一级, E区所有框架构造措施均不满足现行规范^[1,2]要求, 需要大面积大范围加固。

　　 调整为框架-剪力墙结构后, 新增的钢板剪力墙抗震等级为一级, 框架抗震等级为二级, 抗震构造措施可以按原设计不变, 大大减少了加固工程量。

　　 改造前后结构计算参数见表2。建筑结构安全等级为二级;抗震设防烈度为7度 (0.10g) ;50年一遇风荷载作用下基本风压值为0.50k N/m²。改造前后整体计算结果见表3, 根据表中结果, 改造前后结构均满足《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[2]的要求及结构抗震概念设计理论。

　　 由表3可见, 改造后结构总重较改造前增加15%, 而改造后新增荷载约占结构总重量的18%。改造后结构总抗侧移刚度两个方向均约增加19%, 基底剪力较改造前两个水平方向均约增加14%。增设钢板剪力墙后, 框架柱倾覆力矩分担比不超过50%, 属于框架-剪力墙结构, 新增的钢板剪力墙能承担海洋馆水体增加的全部地震剪力, 可以确保结构的整体安全, 框架退为第二道防线。

　　 增加钢板剪力墙以及阻尼器与斜撑, 提高了结构的抗震耗能能力, 消减了增加巨大水池重量对抗震的不利影响。增加消能减震构件后, 大部分的楼层剪力和楼层层间位移角均有明显的减小, 减震效果明显。中震下的基底剪力减震效果为:X向减少了16%, Y向减少了31%;大震下基底剪力的减震效果为:X向减少了15%, Y向减少了18%。具体结果详见表4。

　　 底板底土层主要为粉质黏土层、局部粗砂层。原基础为人工挖孔端承桩 (基岩桩端承载力特征值为3 500k Pa) , 桩基持力层为微风化砂岩、微风化砾岩。防水板厚度为800mm。

　　 基础加固的难点有:1) 不能破坏原有基础底板的防水作用;2) 不能影响基础底板下正在运营的地铁;3) 要避免大型机械的入场作业 (地下室有3层, 大型设备在地下3层作业受到空间的极大限制。基础承载力考虑以下有利因素进行设计 (依据为原设计图纸、施工成桩报告以及2014年业主提供的基础检测报告) :1) 考虑桩顶扩大头底部的端阻力以及扩大头后增加的侧阻力;2) 考虑桩身混凝土5%的强度增长;3) 利用海洋馆维生系统区域水池侧壁形成桩-箱基础。其中图10为人工挖孔桩大样及桩受力示意图。

　　 根据业主的区域规划, 底板地下2层及地下1层为海洋馆的维生系统区域, 需要设置大量的水池, 利用水池的侧壁, 在海洋馆区域的底板上布置混凝土反梁以及与柱连接的剪力墙 (作为水池侧壁) , 加强底板刚度, 该区域地下室整体形成桩-箱形基础 (图11) , 以调节增加荷载引起的不均匀沉降。

　　 改造后柱底轴力见图12, 通过考虑4.2节所提的对基础承载力提高的有利因素计算得出桩承载力, 见表5, ZH4承载力为25 232k N (由桩身承载力控制, 较原基础提高约5%) ;ZH5承载力为34 923k N (由地基承载力控制, 较原基础提高约10%) , 基础承载力满足要求。

　　 梁板加固范围涉及各楼层, 主要为2层承受海洋馆水体大荷载范围。为避免影响1层商场的营业, 梁板加固均采用在2层楼面上加大截面方法。图13为2层梁板加固范围。图14为梁板加固方案。其中新增水池荷载均由新增楼板承担, 新增楼板设置暗梁传递荷载到新增主梁上;原有楼板当做底膜, 只承受施工荷载, 同时新旧楼板按叠合板计算, 保证旧楼板底、面钢筋折算为叠合板底筋满足承载力要求。

　　 节点加固遵循以下原则:调整梁端弯矩及减少植筋数量。由图15可知, 在梁面柱头围绕柱四周设置上翼缘为箱形的组合H型钢, 与植入梁面梁底柱头的钢筋, 通过混凝土浇筑在一起, 形成刚性节点区, 梁支座的承载能力大大提高, 也就意味着降低了对梁跨中的承载要求, 新型节点通过调幅作用最大限度地减少了梁底加固, 从而保证了在加固施工过程中不影响梁底商场的营业。同时减少了植筋数量, 避免了植筋对原有结构的过度损伤。

　　 框架柱加固范围:原结构局部区域框架 (支) 柱配筋、构造及轴压比不满足现行规范^[1,2]要求, 均需进行加固。

　　 框架柱加固方案:2层以下柱采用角部实心钢管+加大柱截面的方法, 混凝土强度等级提高一级 (图16) , 经验算2层以下柱轴压比不满足要求, 抗弯承载力基本满足, 为减少加固难度, 柱角部采用直径100mm的钢棒+构造钢筋穿楼层板, 其余新增构造钢筋只伸到梁底, 充分利用钢棒的抗压强度及抗弯能力, 可以避免节点处新增混凝土不密实导致传递压力不足。

　　 2层及以上柱采用柱外包钢+加大柱截面的方法, 混凝土强度等级提高一级^[3], 施工工艺:原结构柱凿毛, 把碳化层凿除;四周粘贴钢板后, 对钢板与原柱之间进行压力灌浆, 然后绑扎钢筋笼, 待灌浆料强度达到设计强度75%后, 再浇筑细石膨胀混凝土;框支柱配箍率不满足规范要求, 需要按框支柱的构造要求对其进行外包截面加固 (图17) 。

　　 为实现海洋馆大空间的视角效果, 需切除 (4) 轴交?轴框架柱 (图18) , 该柱切除后, 上部结构传至4层柱底的轴力约5 000k N, 需设置18m跨度 (X向) 及22m跨度 (Y向) 跨度呈十字形式的转换梁, 承担上部结构竖向力。转换梁 (图18) 采用窄高型的截面, 最大限度减少转换梁自重, 并发挥其抗力。同时 (4) 轴交?轴的4层梁柱节点设置柱帽 (图19) , 转换梁在该处与柱帽形成整体, 形成转换梁托柱帽, 柱帽托柱子的体系。此外, 转换梁设置预应力钢筋 (图20) , 抵消混凝土收缩时产生的应力, 防止裂缝产生, 保证混凝土密实。

　　 两个方向的转换梁因线刚度不同, 分配的竖向力也不同, X向转换梁分配约15%~20%, 其余由Y向转换梁承担。

　　 两个方向分别施工转换梁, 较好地将上部竖向力分配到4根柱, 使柱端弯矩不至过大, 也使基础受力更均匀。设计时, 对转换柱位置采取了2cm的强制位移计算, 并复核了周边的梁并进行了必要的粘钢加固。

　　 在 (4) 轴交?轴需切除的柱子位置, 切除柱后采用型钢对底部进行封闭, 其作用为:1) 避免柱子局部混凝土脱落;2) 将整个节点与转换梁形成整体。

　　 施工过程应对转换梁全程监测, 监测项目包括:梁跨中最大沉降、预应力筋应力、梁底筋普通钢筋应力、基础沉降。整体施工顺序为:转换梁施工→第一次张拉预应力→临时支撑施工→切除柱子→检查沉降及校检预应力→拆除临时支撑。

　　 沉降观测结果为:海洋馆改造施工至开业半年, 共进行了18次沉降监测, 所有测点平均沉降量为7.43mm, 最大沉降差为5.71mm, 沉降差小于变形允许值0.002L₀。转换梁观测结果为:开业以来内累计跨中最大挠度为12mm, 满足规范要求 (按L₀/400控制, 即22 000/400=55mm) 。

　　 海洋馆改造后局部构件将常年泡于水里或位于水池上方, 海洋馆内部水体为海水, 该部分结构体系需采用特别的措施, 防止钢筋的锈蚀。设计措施为:在混凝土浇捣时添加高效抗海水腐蚀剂, 混凝土完成面涂膜防水涂料;增加直接接触海水部分结构体系的保护层厚度, 按第四类环境类别进行结构设计。

　　 本项目结构改造设计充分考虑了海洋馆的特殊功能及荷载的影响, 采用从整体到构件的加固思路, 提出调整结构体系以提高结构抗震性能, 通过多项结构技术综合应用, 确保建筑物安全及改造施工期间不影响商场正常营业, 可为商业综合体再开发利用升级提供参考。