某多層框架結構廠房的加層改造設計及分析

　　閆天澤 楊海濱
　　（中國航空規劃建設發展有限公司，北京 100120）
　　摘 要：輕鋼結構加層在既有建筑物加層改造中應用日益廣泛，本文以一個多層鋼筋混凝土框架結構的廠
　　房為例，介紹該廠房進行輕鋼結構加層改造的設計過程，首先進行加固方案選擇和比較，并進行加層結構的計算和加層后結構的抗震鑒定，對連接節點采取特殊的處理方法。本文評估了結構后續使用年限對結構的抗震加固工程量的影響，并采用PKPM軟件對加層后結構在設防烈度地震作用下結構的動力特性和影響因素進行了分析。
　　關鍵詞：輕鋼結構；加層；抗震鑒定；改造

　　1 導 語
　　隨著我國社會經濟的發展、城市化和工業化進程的加快，社會對城市建設面積的需求也快速上漲，許多既有建筑物逐漸不能適應使用功能的擴展和變化。在此形勢下，建筑業一方面通過新建建筑物來分擔壓力；另一方面對既有建筑物進行改造，使之能夠滿足使用者對建筑面積的需求[1]。其中加層改造是目前較為常見的一種改造形式。
　　由于輕鋼結構自重輕、作業面小、施工快捷，近年來加層改造中廣泛使用輕型鋼結構作為加層的結構形式[2]，本文以一個多層混凝土框架結構的輕鋼結構廠房加層改造設計為例，介紹加層改造設計的思路和分析成果，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）鋼筋混凝土框架結構，采用鋼筋混凝土獨立柱基礎，現澆混凝土樓、屋蓋板。廠房總長度83.5m，寬45.35m，結構屋面高度12.90m，局部出屋面高度20.70m；主要柱網尺寸為8mx7.2m、8mx8m；1層~2層層高為6.50m，3 層高為4.00m，4 層高為3.70m。現由于甲方擴大生產，需增加約2000m2 使用面積，根據實際情況，選擇在原結構主要屋面和局部塔樓屋面增設兩個加層。

　　圖1 原結構平面布置圖

　　圖 2 新增剛架平面布置圖

　　3 加層方案及節點處理
　　3.1 加層方案的確定
　　本工程進行加層改造時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。因此在進行加層結構方案確定階段，明確了以下幾個原則：
　　1）新增結構加層所引起的荷載變化應盡量在原下部結構荷載設計值范圍內，應選擇自重較小的結構形式，同時去除在建筑物的后續使用階段中已不需要的荷載作用。
　　2）新增結構的傳力途徑應簡潔、明確，應盡量通過原設計冗余度較高的結構構件（如框架柱而非相對較低的梁板，）從而減少下部結構的加固量。
　　3）新增結構的結構布置應充分考慮原建筑物既有情況，爭取不改變原結構的結構布置，也不影響未改造部分的使用功能。
　　本工程加層結構特點為：
　　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）屋面無較重設備。新增結構在豎向上主要承受屋面自重及活荷載（雪荷載）。可供選擇的加層方案有鋼框架、門式剛架。相較而言，僅作為結構屋面時，門式剛架相比鋼框架自重較輕，用鋼量更小，結構節點較少，施工更加快捷簡單。而擬增層下部結構屋面平整，柱網規則，屋面無重要工藝設備（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，加層結構選用門式剛架，其中門式剛架1（建于原結構大部屋面）為三跨，跨度為14.4m,柱距8m,柱高5m，門式剛架2（建于原結構局部塔樓屋面）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 節點處理
　　由于增層后原結構屋面變為新工藝房間樓面使用，改造中將原屋面做法（永久荷載標準值：4.65kN/m2）改為樓面做法（永久荷載標準值：2.46kN/m2），同時將樓面活荷載標準值取2.0kN/m2（與原屋面活荷載相同），這樣加層之后屋面荷載設計值基本保持不變，減小對地基基礎的影響。
　　門式剛架柱大部分落在原結構混凝土框架柱頂，但原結構有出屋面塔樓，而門式剛架輪廓與塔樓邊相接，此處原結構框架柱升至塔樓頂標高，造成新增結構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，立于下部結構框架梁上；另一種解決方案是在塔樓柱側增設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，選擇在柱側增設牛腿做法，牛腿與原結構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行結構設計之后，依據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）、《建筑抗震鑒定標準》、（GB50023-2009）(以下簡稱鑒定標準)的規定，本工程屬于在使用階段中變更使用功能、進行改造的建筑，應進行抗震鑒定。該廠房抗震設防分類為丙類建筑，抗震設防烈度為8度。
　　由于該廠房建設時間為2002年，根據鑒定標準第1.0.4條，在2001年以后建造的現有建筑，后續使用年限宜采用50年（簡稱C 類建筑）；在90年代建造的現有建筑，后續使用年限不宜少于40年（簡稱B類建筑），條件許可應采用50年。因此，該廠房宜按后續使用年限50年進行抗震鑒定。
　　根據鑒定標準第1.0.5條[3]，C類建筑應按現行國家標準《建筑抗震設計規范》（GB50011）的要求進行地震作用計算和截面抗震驗算。由于該廠房進行結構設計時采用的規范版本為2002版規范，在混凝土結構的抗震設計上與10版規范有較大差異（見表1）。

　　首先通過回彈法對廠房的混凝土強度進行了檢測，并鉆取混凝土芯樣對回彈檢測結果進行修正，經檢測，該廠房混凝土強度滿足原設計要求。同時對主要結構構件的鋼筋配置、抗震構造措施進行了抽檢，抽檢結果滿足要求。
　　由表2中可以看出，相比02版規范，2010版抗規對框架結構截面抗震驗算提出了更嚴格的要求[4]。若按后續使用年限50 年（C類建筑）進行抗震鑒定，作為按02版抗規設計的本工程結構可靠度有較大不足（對框架柱影響尤大）。從表1中可以看出，按抗震鑒定標準，對B類建筑的地震作用計算按標準附錄D執行，相較現行抗震規范地震作用的調整系數有所降低。按C類建筑進行初步試算后，底層框架柱計算配筋值普遍高于實配值，需要進行抗震加固，而且加固工程量較大，會影響一層正常的生產作業。而按B類建筑試算后，結構所需加固量大大減少（見表2）。經與甲方商議，為減少加固工程量，降低成本，將結構后續使用年限降為40年，由于原結構已使用10年，因此也滿足了原設計使用年限為50年的要求，較為合理。

　　5 加層后下部結構在設防地震作用下的抗震性能分析及影響因素
　　在進行加層后，實際上并沒有改變下部結構的結構形式。作為框架結構，下部結構仍應滿足“小震不壞、中震可修，大震不倒”的抗震設防目標，仍應具備設防地震作用下足夠的抗震承載力和變形性能。
　　由于輕鋼結構和下部混凝土結構在材料特性和結構形式的差異，經過加層改造后整體結構實際成為鋼-混凝土混合結構，上部結構較柔，下部結構剛度較大，存在豎向上剛度的突變。由于結構在幾何布置上的不規則、材料組成上的不統一，很難直接評估在增加上部輕鋼加層之后下部結構在設防烈度地震作用下的抗震性能。輕鋼加層對下部結構主要的影響有幾個方面：1.結構阻尼比的變化；2.結構幾何形式的變化；3.結構整體質量和質量分布的變化。本文通過比較原結構與加層后結構在彈性地震下在動力特性上的區別，評估新增加層對結構的影響。
　　5.1 混合結構的阻尼比
　　當結構由兩種或兩種以上不同特性的材料組成時，確定整體結構阻尼矩陣的做法一般有：1、直接分別輸入近似值，加入到整體結構矩陣中去；2、以結構中具有不同阻尼比構件的剛度為權重算出的整體結構阻尼比；3、通過瑞雷阻尼法確定；4、通過折算應變能、動能的能量法計算結構阻尼比[5]。結構阻尼比的取值直接影響結構的動力特性
　　和地震感應，然而我國目前對輕鋼加層形成的混合結構阻尼比如何取值并沒有明確的規定，類似的混合結構在《高層混凝土結構技術規程》11.3.5條中規定，混合結構在多遇地震作用下阻尼比可取為0.04；在《建筑抗震設計規范》9.2.5條中規定，單層鋼結構廠房阻尼比可依據0.045~0.05；但上述混合結構與本文中的加層結構有所不同。本文分別輸入結構阻尼比0.04、0.05得到分析結果。
　　5.2 結構抗震分析
　　結構設計地震分組為第一組，Ⅲ類場地土，根據抗規表5.1.4-2，特征周期取0.45s,水平地震最大影響系數0.16，結構阻尼比分別取0.04、0.05；計算軟件采用中國建筑科學研究院的PKPM程序中PMSAP模塊，采用振型分解反應譜法計算，得到結構設防烈度地震作用下彈性變形指標、層間剪力值見表3、4。

　　5.3 分析結果
　　由表3可以分析，在加層之后，發生最大層間位移的樓層實際上移（由2層轉至3層），由于本工程實際減少了二層（原屋面）的荷載，因此二層的層間位移有所減少。原結構的變形曲線為明顯的剪切型變形，下部層間變形大，向上逐漸減小；而加層之后，由于二層間位移的減小，三層層間位移的增大，結構變形曲線趨向均勻的線性。
　　由表4中可以看出，相較原結構，由于層荷載的變化，加層后結構層間剪力改變為：一層基本不變，二層減少，可以推斷層間剪力仍主要受樓層質量控制。在定義結構不同阻尼比后計算后得到的層間剪力值和變形指標差異不大，按阻尼比為0.04計算時，結構的層間位移角相對較大。
　　6 結 語
　　通過以上分析可得出以下幾點結論：
　　1) 在適當條件下，輕型鋼結構能夠滿足結構加層改造的要求，經過合理設計后可以充分發揮其優勢，以達到安全、經濟、適用的目標。
　　2) 對于設計時采用規范與現行規范不同的既有建筑物，提高加層改造經濟性、降低工程造價的關鍵是減少下部結構的加固量。通過對比現行抗震鑒定標準與抗震規范中有關規定，結構的后續使用年限會對此類結構的抗震鑒定結果產生很大的影響。
　　3) 經過比較在設防烈度地震作用下加層結構的分析結果，加層后在地震作用下結構的變形有明顯變化，輕鋼加層下一層結構層間位移增大，結構由原框架結構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 計算時，結構的變形曲線基本相同，主要變形指標差異值在10%以內。當加層結構同時有局部出屋面塔樓時，應評估加層對塔樓的影響。
　　參考文獻
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