馬尾造船廠綜合倉庫鋼結(jié)構(gòu)加固改造方案探析

任 彧 林禎杉 趙岳洲

(1.福建建工集團有限責任公司 福建福州 350001; 2.福建省建筑設計研究院有限公司現(xiàn)代房屋建筑研究設計分院 福建福州 350001；3.福州三江口建設發(fā)展有限責任公司 福建福州 350001)

0 引言

船政學堂是中國第一所新式學校，開我國近代科技教育之先河，培育出眾多優(yōu)秀的風云人物，活躍在近代中國的軍事、文化、科技、外交、經(jīng)濟等各個領域。船政文化是近代工業(yè)遺產(chǎn)的輝煌代表，它見證了近現(xiàn)代中國社會的巨大變革，留下了豐富而又珍貴的物質(zhì)與精神遺產(chǎn)[1]。馬尾造船廠興建于1866年，是中國近代第一家機器造船廠，也是同期遠東地區(qū)最大的造船廠。民國期間在造船廠內(nèi)設立的海軍飛機工程處是中國第一家飛機制造廠，開創(chuàng)了中國飛機制造的先河。因此，馬尾造船廠是船政文化的重要載體之一。

基于此，馬尾造船廠片區(qū)保護建設工程項目，理所當然要將船政文化遺產(chǎn)以“船政文化城”的形式進行系統(tǒng)的保護與提升，使之成為傳承船政文化和愛國主義教育的重要載體。綜合倉庫是馬尾造船廠片區(qū)的最高建筑，其改造必須立足最大化延續(xù)原有工業(yè)風格的基礎，適度體現(xiàn)當代性，改造后將成為馬尾造船廠的“新燈塔”。

1 工程概況

該項目位于福州市馬尾區(qū)，是1998年建造的4層鋼框架-中心支撐結(jié)構(gòu)(局部夾層)，檐口高度為27.6m，建筑面積約為8080m2。綜合倉庫X向總長度87m，共10跨，主要跨度為9m；Y向總長度27m，共2跨，跨度分別為15m、12m；各軸X向均設置兩道支撐，Y向未設置支撐。主體結(jié)構(gòu)梁柱均為焊接H型鋼，材料強度為Q345B，樓、屋面板均為壓型鋼板組合樓板。

該工程建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度(0.10g),設計地震分組為第三組，場地類別為三類，特征周期0.65s，阻尼比為0.04。50年一遇的基本風壓為0.70kN/m2，地面粗糙度為A類。

綜合倉庫改造后將成為具有商業(yè)功能的游客中心，建筑功能改造內(nèi)容主要有：

(1)使用功能改為游客服務、餐廳，并增設廚房、衛(wèi)生間及設備用房；

(2)新增1部電梯、2部樓梯，并增設相應的小屋面(圖2)；

(3)新增設備夾層、新增屋面設備區(qū)；

(4)四層餐廳的1軸西側(cè)及A軸南側(cè)均增設外懸挑。

改造前后二層建筑平面圖如圖1～圖2所示。

圖1 改造前二層建筑平面圖

圖2 改造后二層建筑平面圖

2 建筑功能改造帶來的結(jié)構(gòu)設計問題

由于改造項目需按現(xiàn)行國家規(guī)范進行安全性復核，而歷史悠久的既有項目往往涉及多代設計規(guī)范的更新。因此，新版規(guī)范在設計荷載取值、承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)以及抗震安全性方面均對結(jié)構(gòu)改造設計提出更高的要求。

對該項目來說，影響較顯著的規(guī)范修訂內(nèi)容有：2019年開始實施的《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設計統(tǒng)一標準》[2]，該規(guī)范要求恒荷載組合系數(shù)由1.2提高至1.3，活荷載、風荷載的組合系數(shù)均由1.4提高至1.5；此外，根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設計規(guī)范》[3]，建設場地的地震分組改為第三組，對應的特征周期由0.55s提高至0.65s，使得設計地震作用明顯增大。

原結(jié)構(gòu)基礎采用鉆孔灌注樁，單樁豎向承載力特征值為3200kN，各柱下均為兩樁或三樁承臺。由于建筑功能的改變，不需再考慮原結(jié)構(gòu)各層吊車荷載，基礎承載力富余量較大，因此本次加固改造主要工作是針對地上結(jié)構(gòu)部分。

按照鑒定報告提供的現(xiàn)狀描述進行對原結(jié)構(gòu)建模，并按照建筑功能性改變進行相應改造，在未對主體抗側(cè)力體系進行調(diào)整的前提下，主要計算結(jié)果如下：

(1)第1振型為Y向平動(1.64s)，第2振型為扭轉(zhuǎn)(1.34s)，第3振型為X向平動(0.96s)；

(2)層間位移角：X向小震下為1/811，小震Y向為1/536，X向風荷載下為1/2448，Y向風荷載下為1/354；

(3)各層A軸、B軸處的鋼框柱普遍壓彎承載力超限，應力比1.1～1.3，控制荷載組合均為1.3恒載+1.5活載±0.9Y向風荷載；

(4)四層及以上的Y向鋼框梁梁端抗彎承載力大范圍超限或接近極限狀態(tài)，主要超限構(gòu)件應力比在1.0至1.2，控制組合與對應位置鋼框柱一致；

(5)新增樓梯間、衛(wèi)生間、廚房及屋面設備區(qū)，局部鋼梁承載力超限；

(6)部分鋼梁的腹板高厚比不滿足規(guī)范要求。

綜上可知，該項目原有結(jié)構(gòu)存在的問題主要有：

(1)原有結(jié)構(gòu)布置在Y向不能滿足現(xiàn)行規(guī)范對抗側(cè)能力的要求；

(2)振型及層間位移角結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)整體抗扭能力不足；

(3)局部使用功能改變造成的荷載增加，使得局部鋼梁承載力不足；

(4)原有結(jié)構(gòu)布置方案類似門式剛架，鋼構(gòu)件翼緣寬厚比、腹板高厚比不能滿足現(xiàn)行規(guī)范的構(gòu)造要求。

3 主體鋼結(jié)構(gòu)加固改造方案

工業(yè)建筑、橋梁的美學精髓在于結(jié)構(gòu)，因此在對這類建筑進行修繕、改造時，都應強調(diào)結(jié)合自身結(jié)構(gòu)狀況及后期的功能定位進行針對性處理。合理的結(jié)構(gòu)加固方案應顯示出技術(shù)之美，其特點在于體系合理、受力簡單、有規(guī)律性。工業(yè)建筑不需要過多的裝飾，而是直接呈現(xiàn)鋼鐵的冷峻粗獷，給人帶來強烈的視覺沖擊與獨特的空間體驗[4-6]。

傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)加固方法[7-8]，例如：加高鋼梁截面、將鋼柱加固成十字形截面或箱形截面等，均需要大量的現(xiàn)場焊接作業(yè)；梁柱節(jié)點域、柱腳位置的加固施工尤其困難。此外，對于該項目這種單向抗側(cè)能力不足的鋼框架(支撐)體系，將鋼柱加固成箱型截面的方式不僅效率不高，對結(jié)構(gòu)抗扭能力的改善也非常有限，難以達到規(guī)范的要求。

通過多輪的試算比選，對該項目采取以下的方案進行加固：

(1)在各樓層增設不同形式的Y向支撐(圖3)，使結(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)能力顯著增強、同時抗扭剛度也明顯改善。分析結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)1階振型為Y向平動(1.02s)，第2振型為X向平動(0.98s)，第3振型為扭轉(zhuǎn)(0.85s)，T扭/T1=0.83，滿足規(guī)范要求。Y向風荷載下層間位移角由1/354減少為1/721。偏心設置的Y向支撐同時可以起到減少相應鋼框梁跨度的作用。

(a)④軸框架 (b)⑤至⑧軸框架

此外，對于加固后增加的恒載及活載，鋼框柱的內(nèi)力受偏心支撐影響也發(fā)生改變(圖4)。偏心設置的Y向支撐使得大部分鋼框梁、柱在無需加固的前提下，承載力均能達到規(guī)范要求。需要特別說明的是：在結(jié)構(gòu)電算中應正確設置后加支撐的施工步驟，以正確計算新舊恒載和使用活荷載的相應影響范圍。

(a)軸力N(未設支撐) (b)軸力N(加設Y向支撐)

(c)彎矩M33(未設支撐) (d) 彎矩M33(加設Y向支撐)

(2)對個別仍不滿足規(guī)范要求的鋼框柱采用在翼緣焊接鋼板增大截面的辦法，提高其壓彎承載力。需要注意的是，由于該工程的基礎為鋼筋混凝土杯口基礎，如對底層柱進行增大截面加固，則對原有杯口基礎處理存在很大的現(xiàn)場作業(yè)難度。因此，該工程通過多輪的調(diào)整，使得設置偏心支撐后首層鋼柱承載力均能滿足要求，極大地縮短了工期，降低了基礎處理的成本。

(3)鋼梁加固分為梁底加固與梁側(cè)加固兩種類型(圖5)。為解決局部荷載增加引起的跨中抗彎承載力不足問題，采用在梁底焊接倒T型鋼梁與貼焊扁鋼的方法，加固范圍為梁跨中2/3范圍。為解決鋼梁腹板高厚比不滿足的問題，采用在梁側(cè)增設橫向加勁肋方法。

圖5 梁底焊倒T梁(扁鋼)與梁側(cè)設橫向加勁肋

(4)由于建筑功能的改變，需在原建筑的四層西側(cè)及南側(cè)新增懸挑區(qū)域。其中西側(cè)懸挑區(qū)域結(jié)構(gòu)外挑跨度約5.4m，采用圖6所示桁架方案，有效解決了懸挑區(qū)域變形過大與承載力不足的問題。對于A軸南側(cè)僅2m的懸挑跨度，則結(jié)合Y向鋼框梁剛接的做法，增設剛接懸挑梁。

圖6 四層大懸挑區(qū)域做法

(5)由于原建筑為船廠的生產(chǎn)廠房，首層層高8.5m，其余各層高均為6.3m，新增樓梯均為四跑樓梯，為盡量減少新增樓梯引起的荷載增量，避免不必要的加固，在確保建筑使用功能和防火性能的前提下，鋼梯面層均不設置現(xiàn)澆混凝土面層。此外，基于梯柱尺寸受限，新增梯柱采用吊柱的方案，有效避免了由于受壓穩(wěn)定性帶來的尺寸過大問題。

(6)底層支撐根部加固。對首層設置落地支撐的位置，采用如圖7～圖9所示做法，先將鋼支撐下端與鋼柱根部焊接，然后對柱根位置使用鋼筋混凝土外包加強，形成整體式外包剛接柱腳，兼顧了結(jié)構(gòu)安全性與施工便利性。

圖7 支撐根部加固大樣

圖8 支撐下端焊接大樣

圖9 柱根外包大樣

4 綜合應用裝配式技術(shù)

“船政文化馬尾造船廠片區(qū)保護建設工程項目”是福建省首個在加固改造工程中綜合應用裝配式技術(shù)的項目。根據(jù)《福建省裝配式建筑評價辦法(試行)》[9](以下簡稱《評價辦法》)的規(guī)定，擬采用的裝配式方案為：

(1)主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，水平構(gòu)件采用壓型鋼板組合樓蓋與輕鋼屋面；

(2)圍護墻和內(nèi)隔墻均采用裝配式外墻和裝配式內(nèi)墻，符合內(nèi)墻非砌筑要求；

(3)實施全裝修；

(4)設計及施工階段均采用BIM技術(shù)，建模細度達到LOD4.0標準。

該項目的裝配式方案已通過省市有關(guān)行業(yè)主管部門的工業(yè)化認定。根據(jù)《評價辦法》，裝配率大于60%，符合A級裝配式建筑標準。改造前后的建筑效果對比如圖10所示。

5 結(jié)語

該工程為鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)建筑的改造，通過設置Y向偏心支撐，顯著提高了建筑的整體性能。加固方法充分考慮了后加支撐的施工步驟影響，節(jié)點設計兼顧了結(jié)構(gòu)安全性與施工便利性，具有較好的參考價值和借鑒作用。該項目設計團隊以此加固改造方案拋磚引玉，希望能有更多的設計團隊在相關(guān)改造項目中能進一步將船政文化精神遺產(chǎn)在新時代發(fā)揚光大。

圖10 改造前后建筑效果對比