某排架廠房改幼兒園項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工

費紅專，陳信堂

(1.六安長城鋼結(jié)構(gòu)有限公司，安徽 六安 237000； 2.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

六安市金安區(qū)某服裝廠廠房為單層排架結(jié)構(gòu)房屋,2007年設(shè)計，2008年建成投入使用。該房屋建筑面積約600 m2，柱距6 m，跨度16.8 m，檐口標(biāo)高6.4 m，屋脊標(biāo)高7.37 m，雙坡屋面，坡度約5%。排架柱為鋼筋混凝土帶牛腿柱，牛腿標(biāo)高5.9 m；屋蓋系統(tǒng)由焊接H型鋼大梁、C型鋼檁條和彩鋼板組成的輕型鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，簡支于牛腿上。2017年,業(yè)主擬將該廠房改為幼兒園，為了增加建筑面積，在室內(nèi)增加鋼筋混凝土柱，柱頂安裝H型主鋼梁，主梁之間焊接H型鋼次梁，上面鋪壓型鋼板，并以此為模板再配筋、澆筑樓板。改建后變?yōu)槎咏ㄖ?，二樓?biāo)高為3.4 m。一、二層原始柱平面圖見圖1。根據(jù)當(dāng)?shù)亟逃鞴懿块T要求，申請開辦幼兒園時需要對房屋進行抗震鑒定，鑒定結(jié)果合格方能走下一步審批手續(xù)。然而業(yè)主自行改造時并未經(jīng)過正規(guī)設(shè)計，也沒有委托有資質(zhì)的施工企業(yè)施工，故存在諸多問題，需要經(jīng)過檢測評定、抗震加固設(shè)計、加固施工、竣工驗收等完整的技術(shù)改造流程。

2 抗震鑒定

根據(jù)教育主管部門文件精神，對抗震鑒定不合格的房屋經(jīng)加固設(shè)計、施工并驗收合格后，可視為滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)。因此，首先對房屋進行抗震檢測評定。根據(jù)GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)，該房屋為C類，后續(xù)使用年限為50 a，按照現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范進行鑒定，經(jīng)鑒定發(fā)現(xiàn)本房屋結(jié)構(gòu)存在如下主要問題：

1)該房屋原來是單層廠房，抗震設(shè)防類別為丙類，現(xiàn)在改為幼兒園，屬于民用建筑，根據(jù)現(xiàn)行《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》，幼兒園建筑屬于重點設(shè)防類(乙類)，抗震能力要求比丙類民用建筑高一個檔次[1]。

2)原廠房為單跨排架結(jié)構(gòu)，無論是原屋面鋼梁，還是新增夾層的鋼梁，其與混凝土柱之間的連接方式全部為鉸接，既不符合重點設(shè)防類結(jié)構(gòu)體系要求，也不符合框架剛節(jié)點構(gòu)造要求。

3)東西邊跨上只有山墻，屋面沒有大梁，檁條直接支承在山墻上，豎向傳力構(gòu)件剛度差距巨大，結(jié)構(gòu)體系混亂。

根據(jù)房屋現(xiàn)狀詳細(xì)調(diào)查，新增夾層存在下列主要問題：

1)新增鋼筋混凝土中柱下面剛性基礎(chǔ)尺寸過小。緊貼原混凝土邊柱內(nèi)側(cè)也增設(shè)了混凝土柱(夾層主鋼梁支承在柱頂)，但二者各自獨立，沒有聯(lián)系；新增中柱沒有延伸到屋頂，導(dǎo)致二層仍然是單跨排架結(jié)構(gòu)，且剛度突變巨大。

2)夾層主鋼梁簡支在新增混凝土頂部，支座構(gòu)造不滿足要求。

3)新增鋼次梁截面大小不一，與主梁之間全部采用焊接，且焊縫質(zhì)量極差。

由此可見，原結(jié)構(gòu)和改造后的結(jié)構(gòu)都嚴(yán)重不滿足現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，需要全面加固。

3 加固設(shè)計思路

針對上述問題，首先要改變結(jié)構(gòu)體系，增加結(jié)構(gòu)冗余度，最易實現(xiàn)的是將中柱延伸到屋頂鋼梁底部，如此既能改變結(jié)構(gòu)體系，又對鋼梁受力有利。但是中柱延伸到頂?shù)奈ㄒ晦k法是擴大截面，縱筋需穿過夾層樓板、繞過夾層鋼梁，此方案需要澆筑混凝土，濕作業(yè)長，工序復(fù)雜，自重增加較大，基礎(chǔ)加固費用也高。

也可換一種思路，在原混凝土柱外圍采用干式包角鋼，形成格構(gòu)柱式柱，邊柱包鋼直到柱頂；中柱在底層包鋼，二層雖然沒有混凝土柱但是格構(gòu)柱仍然延伸到屋頂鋼梁底部，與之鉸接。東西山墻內(nèi)側(cè)屋面各增加一道大梁，設(shè)置角鋼檁托，托住檁條，實現(xiàn)山墻變?yōu)閲o墻的轉(zhuǎn)變，從而理順結(jié)構(gòu)體系。如此一來，可作為二層多跨鋼框架結(jié)構(gòu)進行分析。

經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟和工期綜合比較，按照第二種思路進行加固設(shè)計。

4 加固設(shè)計方案

4.1 基礎(chǔ)加固設(shè)計

通過查閱原地質(zhì)勘察報告，并現(xiàn)場開挖，發(fā)現(xiàn)本建筑場地地質(zhì)條件很好，開挖1 m就到達堅硬的夾砂黏土，基礎(chǔ)加固比較簡單可行。一方面，通過在內(nèi)側(cè)加大原邊柱下鋼筋混凝土獨基，并將外包角鋼埋入新增混凝土內(nèi)，更有利于角鋼根部達到嵌固效果，傳力可靠。另一方面，將中柱下面的混凝土剛性基礎(chǔ)加寬加高，鑿毛原基礎(chǔ)外表，通過植筋增加新舊混凝土之間的連接。同理，外包角鋼直接埋入新增混凝土中。

4.2 柱加固設(shè)計[2]

邊柱和中柱均采用包角鋼、焊接綴板的方式進行加固。根據(jù)構(gòu)造要求和地震作用剪力的分布特征，綴板間距需區(qū)分加密區(qū)和非加密區(qū)，綴板與角鋼的連接采用三面角焊縫。對于一層的邊柱，角鋼和綴板系統(tǒng)要把新舊混凝土柱“捆綁”在一起，所以綴板應(yīng)加大。由于邊柱上部屋面梁位置有牛腿，上下柱截面有變化。鑒于一層內(nèi)側(cè)又增加了一部分，所以新的邊柱自下而上截面減小兩次，外包角鋼時，為了豎向傳力可靠，應(yīng)采用附加斜鋼板過渡。邊柱加固詳圖如圖2所示。

中柱外包角鋼形成格構(gòu)柱，延伸到屋面鋼梁底部，將二層單跨鋼梁改為三跨，大大降低鋼梁的應(yīng)力和撓度。中柱加固詳圖見圖3。

4.3 夾層鋼梁加固設(shè)計

經(jīng)計算，原主鋼梁的承載力和撓度均不滿足規(guī)范要求，可采用加高截面的方法加固。在主梁下翼緣焊接倒T型鋼，采用對接焊縫，焊縫要達到一級焊縫質(zhì)量要求。

由于原次鋼梁大小不一，與主梁連接極差，計算應(yīng)力和撓度均超限，且數(shù)量較多，若采用加固原鋼梁的方法，則成本過高，故忽略原次梁作用，在原次梁之間增加一道次梁，新次梁截面尺寸按計算定，在主梁上焊連接板，通過高強螺栓實現(xiàn)次梁與主梁之間的鉸接。

東、西山墻內(nèi)側(cè)增加的屋面大梁支承于原混凝土柱，托住檁條。新增大梁與山墻之間留約50 mm寬縫隙，原檁條是直接擱置在山墻上的，需沿著縫隙切斷檁條，這樣山墻上承受的檁條荷載直接轉(zhuǎn)移到鋼梁上。

4.4 梁柱節(jié)點設(shè)計[3-4]

如何確保改造后的結(jié)構(gòu)能夠基本符合鋼框架的受力特性，節(jié)點的設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本結(jié)構(gòu)鋼梁簡單擱置在混凝土柱頂或牛腿頂面，梁端轉(zhuǎn)動與水平滑動完全自由，改造成框架結(jié)構(gòu)就要將節(jié)點改為剛節(jié)點或半剛節(jié)點，難度較大。柱腳節(jié)點采用埋入式，滿足剛性節(jié)點條件。一層柱頂與主鋼梁節(jié)點域處理難度較大，根據(jù)實際條件，只能改造成半剛性節(jié)點。具體做法是：在節(jié)點域采用加厚、加寬鋼板代替綴板，將主梁的上下翼緣、腹板全部與鋼板焊接，然后將節(jié)點域范圍的角鋼、鋼板和混凝土柱之間的縫隙灌注改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠，借助混凝土柱的剛度增加節(jié)點域的抗彎剛度。中柱截面較小，且一層格構(gòu)柱內(nèi)包混凝土柱，二層純粹是格構(gòu)柱，為了減少剛度突變，縫隙可留置，無需灌膠，但是要做好防腐處理。中柱在二層的頂部焊接一塊水平鋼板，將鋼梁下翼緣頂緊焊牢。

4.5 抗震構(gòu)造加固設(shè)計

乙類設(shè)防建筑的填充墻通常應(yīng)設(shè)置拉結(jié)筋，首先剔除墻體表面粉刷砂漿，沿墻高每500 mm處用小型工具剔除水平灰縫砂漿，深度不小于40 mm，沖洗干凈后，增設(shè)兩根φ6拉結(jié)筋；拉結(jié)筋塞入灰縫內(nèi)，一端植入混凝土柱或焊接于外包型鋼上，確保順直；按產(chǎn)品說明書拌制高延性混凝土，并將其按壓、塞擠，使之填實灰縫，并包裹拉結(jié)筋，再在墻表面抹20 mm厚高延性混凝土。

5 加固改造施工

本工程應(yīng)依次加固基礎(chǔ)、混凝土柱、鋼梁、墻體；加固鋼梁時，應(yīng)先加固主梁，再安裝新增的次梁，加固既有次梁(主要是加固主、次梁節(jié)點焊縫)?，F(xiàn)場焊接任務(wù)重，焊接質(zhì)量直接決定該工程成敗。本工程采用二氧化碳?xì)怏w保護焊，施焊前做好臨時支撐。按照有關(guān)驗收規(guī)范規(guī)定對焊縫進行探傷檢測。

為了保證加固構(gòu)件與原結(jié)構(gòu)構(gòu)件協(xié)同工作，必須做到如下三點：

1)必須處理好原框架柱和新增角鋼、鋼板的接觸面。接觸面上砂漿應(yīng)全部鑿除，露出混凝土骨料并鑿毛，澆筑混凝土前應(yīng)洗凈、清除松動的石子、砂漿塊，確保接觸良好。

2)在施工期間盡量減少施工荷載及振動，不得對原結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生不利影響。

3)高延性纖維混凝土原材料由水泥基材料及纖維組成，在現(xiàn)場用強制式砂漿攪拌機攪拌，攪拌時間不應(yīng)少于10 min，每盤攪拌量應(yīng)控制在規(guī)定的時間內(nèi)抹完[5]。

6 結(jié)語

隨著經(jīng)濟社會發(fā)展，越來越多的既有建筑面臨著使用功能的更新，對結(jié)構(gòu)改造、加固提出新的更高要求。從技術(shù)、經(jīng)濟、造價、社會效益綜合考慮，探索最優(yōu)解決方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計師的初心使命。該排架廠房經(jīng)增加夾層、加固后改為幼兒園，項目順利完成，已投入運營兩年，工作狀態(tài)良好，招生火爆，社會效益顯著。