某多層框架結(jié)構(gòu)廠房的加層改造設(shè)計(jì)及分析

　　閆天澤 楊海濱
　?。ㄖ袊娇找?guī)劃建設(shè)發(fā)展有限公司，北京 100120）
　　摘 要：輕鋼結(jié)構(gòu)加層在既有建筑物加層改造中應(yīng)用日益廣泛，本文以一個(gè)多層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的廠
　　房為例，介紹該廠房進(jìn)行輕鋼結(jié)構(gòu)加層改造的設(shè)計(jì)過程，首先進(jìn)行加固方案選擇和比較，并進(jìn)行加層結(jié)構(gòu)的計(jì)算和加層后結(jié)構(gòu)的抗震鑒定，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)采取特殊的處理方法。本文評(píng)估了結(jié)構(gòu)后續(xù)使用年限對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震加固工程量的影響，并采用PKPM軟件對(duì)加層后結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和影響因素進(jìn)行了分析。
　　關(guān)鍵詞：輕鋼結(jié)構(gòu)；加層；抗震鑒定；改造

　　1 導(dǎo) 語
　　隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，社會(huì)對(duì)城市建設(shè)面積的需求也快速上漲，許多既有建筑物逐漸不能適應(yīng)使用功能的擴(kuò)展和變化。在此形勢(shì)下，建筑業(yè)一方面通過新建建筑物來分擔(dān)壓力；另一方面對(duì)既有建筑物進(jìn)行改造，使之能夠滿足使用者對(duì)建筑面積的需求[1]。其中加層改造是目前較為常見的一種改造形式。
　　由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重輕、作業(yè)面小、施工快捷，近年來加層改造中廣泛使用輕型鋼結(jié)構(gòu)作為加層的結(jié)構(gòu)形式[2]，本文以一個(gè)多層混凝土框架結(jié)構(gòu)的輕鋼結(jié)構(gòu)廠房加層改造設(shè)計(jì)為例，介紹加層改造設(shè)計(jì)的思路和分析成果，以供類似工程參考。
　　2 工程概況
　　某廠房位于北京市，建于2002年，建筑面積8195m2,為地上2層（局部4層）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土獨(dú)立柱基礎(chǔ)，現(xiàn)澆混凝土樓、屋蓋板。廠房總長(zhǎng)度83.5m，寬45.35m，結(jié)構(gòu)屋面高度12.90m，局部出屋面高度20.70m；主要柱網(wǎng)尺寸為8mx7.2m、8mx8m；1層~2層層高為6.50m，3 層高為4.00m，4 層高為3.70m?，F(xiàn)由于甲方擴(kuò)大生產(chǎn)，需增加約2000m2 使用面積，根據(jù)實(shí)際情況，選擇在原結(jié)構(gòu)主要屋面和局部塔樓屋面增設(shè)兩個(gè)加層。

　　圖1 原結(jié)構(gòu)平面布置圖

　　圖 2 新增剛架平面布置圖

　　3 加層方案及節(jié)點(diǎn)處理
　　3.1 加層方案的確定
　　本工程進(jìn)行加層改造時(shí)的主要思路是在滿足使用要求的前提下減少加固量、降低造價(jià)。因此在進(jìn)行加層結(jié)構(gòu)方案確定階段，明確了以下幾個(gè)原則：
　　1）新增結(jié)構(gòu)加層所引起的荷載變化應(yīng)盡量在原下部結(jié)構(gòu)荷載設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，應(yīng)選擇自重較小的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)去除在建筑物的后續(xù)使用階段中已不需要的荷載作用。
　　2）新增結(jié)構(gòu)的傳力途徑應(yīng)簡(jiǎn)潔、明確，應(yīng)盡量通過原設(shè)計(jì)冗余度較高的結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如框架柱而非相對(duì)較低的梁板，）從而減少下部結(jié)構(gòu)的加固量。
　　3）新增結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置應(yīng)充分考慮原建筑物既有情況，爭(zhēng)取不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置，也不影響未改造部分的使用功能。
　　本工程加層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：
　　1）加層高度較高（建筑要求鋼梁下凈高5m）；
　　2）屋面吊掛管線較少；
　　3）屋面無較重設(shè)備。新增結(jié)構(gòu)在豎向上主要承受屋面自重及活荷載（雪荷載）?？晒┻x擇的加層方案有鋼框架、門式剛架。相較而言，僅作為結(jié)構(gòu)屋面時(shí)，門式剛架相比鋼框架自重較輕，用鋼量更小，結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)較少，施工更加快捷簡(jiǎn)單。而擬增層下部結(jié)構(gòu)屋面平整，柱網(wǎng)規(guī)則，屋面無重要工藝設(shè)備（局部有冷卻塔，改造過程中遷移至它處）,也具備剛架的支承條件。
　　因此，加層結(jié)構(gòu)選用門式剛架，其中門式剛架1（建于原結(jié)構(gòu)大部屋面）為三跨，跨度為14.4m,柱距8m,柱高5m，門式剛架2（建于原結(jié)構(gòu)局部塔樓屋面）為單跨，柱距7.2m，跨度為16m。梁柱截面均采用焊接工字鋼截面，在門式剛架1的端跨設(shè)兩列柱間支撐及水平支撐，傳遞水平方向的荷載作用。
　　3.2 節(jié)點(diǎn)處理
　　由于增層后原結(jié)構(gòu)屋面變?yōu)樾鹿に嚪块g樓面使用，改造中將原屋面做法（永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值：4.65kN/m2）改為樓面做法（永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值：2.46kN/m2），同時(shí)將樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取2.0kN/m2（與原屋面活荷載相同），這樣加層之后屋面荷載設(shè)計(jì)值基本保持不變，減小對(duì)地基基礎(chǔ)的影響。
　　門式剛架柱大部分落在原結(jié)構(gòu)混凝土框架柱頂，但原結(jié)構(gòu)有出屋面塔樓，而門式剛架輪廓與塔樓邊相接，此處原結(jié)構(gòu)框架柱升至塔樓頂標(biāo)高，造成新增結(jié)構(gòu)與局部出屋面塔樓相接的邊榀剛架柱無法落在原框架柱頂。解決此問題的一種方案是將門式剛架柱貼塔樓柱邊，立于下部結(jié)構(gòu)框架梁上；另一種解決方案是在塔樓柱側(cè)增設(shè)牛腿作為剛架梁豎向荷載的支座。由于柱底集中力較大，為了避免下部框架梁承載力不足而引起的加固，選擇在柱側(cè)增設(shè)牛腿做法，牛腿與原結(jié)構(gòu)柱之間通過后錨固連接。連接處的后錨固連接傳遞剪力至框架柱。
　　4 抗震鑒定
　　在確定加層方案并初步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，依據(jù)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB50223-2008）、《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》、（GB50023-2009）(以下簡(jiǎn)稱鑒定標(biāo)準(zhǔn))的規(guī)定，本工程屬于在使用階段中變更使用功能、進(jìn)行改造的建筑，應(yīng)進(jìn)行抗震鑒定。該廠房抗震設(shè)防分類為丙類建筑，抗震設(shè)防烈度為8度。
　　由于該廠房建設(shè)時(shí)間為2002年，根據(jù)鑒定標(biāo)準(zhǔn)第1.0.4條，在2001年以后建造的現(xiàn)有建筑，后續(xù)使用年限宜采用50年（簡(jiǎn)稱C 類建筑）；在90年代建造的現(xiàn)有建筑，后續(xù)使用年限不宜少于40年（簡(jiǎn)稱B類建筑），條件許可應(yīng)采用50年。因此，該廠房宜按后續(xù)使用年限50年進(jìn)行抗震鑒定。
　　根據(jù)鑒定標(biāo)準(zhǔn)第1.0.5條[3]，C類建筑應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011）的要求進(jìn)行地震作用計(jì)算和截面抗震驗(yàn)算。由于該廠房進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用的規(guī)范版本為2002版規(guī)范，在混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)上與10版規(guī)范有較大差異（見表1）。

　　首先通過回彈法對(duì)廠房的混凝土強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)，并鉆取混凝土芯樣對(duì)回彈檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，經(jīng)檢測(cè)，該廠房混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求。同時(shí)對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鋼筋配置、抗震構(gòu)造措施進(jìn)行了抽檢，抽檢結(jié)果滿足要求。
　　由表2中可以看出，相比02版規(guī)范，2010版抗規(guī)對(duì)框架結(jié)構(gòu)截面抗震驗(yàn)算提出了更嚴(yán)格的要求[4]。若按后續(xù)使用年限50 年（C類建筑）進(jìn)行抗震鑒定，作為按02版抗規(guī)設(shè)計(jì)的本工程結(jié)構(gòu)可靠度有較大不足（對(duì)框架柱影響尤大）。從表1中可以看出，按抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)B類建筑的地震作用計(jì)算按標(biāo)準(zhǔn)附錄D執(zhí)行，相較現(xiàn)行抗震規(guī)范地震作用的調(diào)整系數(shù)有所降低。按C類建筑進(jìn)行初步試算后，底層框架柱計(jì)算配筋值普遍高于實(shí)配值，需要進(jìn)行抗震加固，而且加固工程量較大，會(huì)影響一層正常的生產(chǎn)作業(yè)。而按B類建筑試算后，結(jié)構(gòu)所需加固量大大減少（見表2）。經(jīng)與甲方商議，為減少加固工程量，降低成本，將結(jié)構(gòu)后續(xù)使用年限降為40年，由于原結(jié)構(gòu)已使用10年，因此也滿足了原設(shè)計(jì)使用年限為50年的要求，較為合理。

　　5 加層后下部結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的抗震性能分析及影響因素
　　在進(jìn)行加層后，實(shí)際上并沒有改變下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。作為框架結(jié)構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)仍應(yīng)滿足“小震不壞、中震可修，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，仍應(yīng)具備設(shè)防地震作用下足夠的抗震承載力和變形性能。
　　由于輕鋼結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)在材料特性和結(jié)構(gòu)形式的差異，經(jīng)過加層改造后整體結(jié)構(gòu)實(shí)際成為鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)較柔，下部結(jié)構(gòu)剛度較大，存在豎向上剛度的突變。由于結(jié)構(gòu)在幾何布置上的不規(guī)則、材料組成上的不統(tǒng)一，很難直接評(píng)估在增加上部輕鋼加層之后下部結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震作用下的抗震性能。輕鋼加層對(duì)下部結(jié)構(gòu)主要的影響有幾個(gè)方面：1.結(jié)構(gòu)阻尼比的變化；2.結(jié)構(gòu)幾何形式的變化；3.結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量和質(zhì)量分布的變化。本文通過比較原結(jié)構(gòu)與加層后結(jié)構(gòu)在彈性地震下在動(dòng)力特性上的區(qū)別，評(píng)估新增加層對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。
　　5.1 混合結(jié)構(gòu)的阻尼比
　　當(dāng)結(jié)構(gòu)由兩種或兩種以上不同特性的材料組成時(shí)，確定整體結(jié)構(gòu)阻尼矩陣的做法一般有：1、直接分別輸入近似值，加入到整體結(jié)構(gòu)矩陣中去；2、以結(jié)構(gòu)中具有不同阻尼比構(gòu)件的剛度為權(quán)重算出的整體結(jié)構(gòu)阻尼比；3、通過瑞雷阻尼法確定；4、通過折算應(yīng)變能、動(dòng)能的能量法計(jì)算結(jié)構(gòu)阻尼比[5]。結(jié)構(gòu)阻尼比的取值直接影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性
　　和地震感應(yīng)，然而我國目前對(duì)輕鋼加層形成的混合結(jié)構(gòu)阻尼比如何取值并沒有明確的規(guī)定，類似的混合結(jié)構(gòu)在《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》11.3.5條中規(guī)定，混合結(jié)構(gòu)在多遇地震作用下阻尼比可取為0.04；在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》9.2.5條中規(guī)定，單層鋼結(jié)構(gòu)廠房阻尼比可依據(jù)0.045~0.05；但上述混合結(jié)構(gòu)與本文中的加層結(jié)構(gòu)有所不同。本文分別輸入結(jié)構(gòu)阻尼比0.04、0.05得到分析結(jié)果。
　　5.2 結(jié)構(gòu)抗震分析
　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅲ類場(chǎng)地土，根據(jù)抗規(guī)表5.1.4-2，特征周期取0.45s,水平地震最大影響系數(shù)0.16，結(jié)構(gòu)阻尼比分別取0.04、0.05；計(jì)算軟件采用中國建筑科學(xué)研究院的PKPM程序中PMSAP模塊，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)設(shè)防烈度地震作用下彈性變形指標(biāo)、層間剪力值見表3、4。

　　5.3 分析結(jié)果
　　由表3可以分析，在加層之后，發(fā)生最大層間位移的樓層實(shí)際上移（由2層轉(zhuǎn)至3層），由于本工程實(shí)際減少了二層（原屋面）的荷載，因此二層的層間位移有所減少。原結(jié)構(gòu)的變形曲線為明顯的剪切型變形，下部層間變形大，向上逐漸減?。欢訉又?，由于二層間位移的減小，三層層間位移的增大，結(jié)構(gòu)變形曲線趨向均勻的線性。
　　由表4中可以看出，相較原結(jié)構(gòu)，由于層荷載的變化，加層后結(jié)構(gòu)層間剪力改變?yōu)椋阂粚踊静蛔儯訙p少，可以推斷層間剪力仍主要受樓層質(zhì)量控制。在定義結(jié)構(gòu)不同阻尼比后計(jì)算后得到的層間剪力值和變形指標(biāo)差異不大，按阻尼比為0.04計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的層間位移角相對(duì)較大。
　　6 結(jié) 語
　　通過以上分析可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：
　　1) 在適當(dāng)條件下，輕型鋼結(jié)構(gòu)能夠滿足結(jié)構(gòu)加層改造的要求，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)后可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)、適用的目標(biāo)。
　　2) 對(duì)于設(shè)計(jì)時(shí)采用規(guī)范與現(xiàn)行規(guī)范不同的既有建筑物，提高加層改造經(jīng)濟(jì)性、降低工程造價(jià)的關(guān)鍵是減少下部結(jié)構(gòu)的加固量。通過對(duì)比現(xiàn)行抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)與抗震規(guī)范中有關(guān)規(guī)定，結(jié)構(gòu)的后續(xù)使用年限會(huì)對(duì)此類結(jié)構(gòu)的抗震鑒定結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。
　　3) 經(jīng)過比較在設(shè)防烈度地震作用下加層結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果，加層后在地震作用下結(jié)構(gòu)的變形有明顯變化，輕鋼加層下一層結(jié)構(gòu)層間位移增大，結(jié)構(gòu)由原框架結(jié)構(gòu)明顯的剪切型變形變化為變形較均勻的曲線；阻尼比分別取0.04、0.05 計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)的變形曲線基本相同，主要變形指標(biāo)差異值在10%以內(nèi)。當(dāng)加層結(jié)構(gòu)同時(shí)有局部出屋面塔樓時(shí)，應(yīng)評(píng)估加層對(duì)塔樓的影響。
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