某體育看臺(tái)罩棚網(wǎng)架改建膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王少華 （安徽建筑大學(xué)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽合肥230022）

1 工程概況

安徽建筑大學(xué)南校區(qū)體育看臺(tái)位于合肥市經(jīng)開區(qū)安徽建筑大學(xué)南校區(qū)校園內(nèi)，該項(xiàng)目2006年設(shè)計(jì)，2010年竣工投入使用。原設(shè)計(jì)底座為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，項(xiàng)目橫向長99.5m，縱向長12.5m，中間主席臺(tái)和兩側(cè)的體育看臺(tái)通過抗震縫分為三個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元(圖1)，僅中間主席臺(tái)上空有網(wǎng)架結(jié)構(gòu)作為屋蓋遮陽擋雨，建成十多年來，結(jié)構(gòu)在露天環(huán)境風(fēng)雨雪霜的侵蝕下網(wǎng)架桿件老化，不能適應(yīng)新時(shí)期下高校舉辦大型活動(dòng)的需要，于2020年對(duì)該看臺(tái)進(jìn)行維修改造，拆除中間主席臺(tái)上空原有網(wǎng)架(圖2)，在三個(gè)單體看臺(tái)上空全部增設(shè)膜結(jié)構(gòu)罩棚，本工程于2020年9月竣工已投入使用(圖3)，使用情況良好。本文主要闡述膜結(jié)構(gòu)罩棚與既有鋼筋混凝土看臺(tái)基座之間的連接和隨之引起的改造加固的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容。

圖1 體育看臺(tái)結(jié)構(gòu)平面圖圖

圖2 拆除主席臺(tái)上空原網(wǎng)架后看臺(tái)實(shí)景圖

圖3 改造完成后的體育看臺(tái)實(shí)景圖

既有結(jié)構(gòu)看臺(tái)為單層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，僅中間局部看臺(tái)面有伸出屋面的樓梯間頂和構(gòu)架柱作為原設(shè)計(jì)的網(wǎng)架支點(diǎn)?；A(chǔ)形式為天然地基柱下獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.8m，原設(shè)計(jì)框架柱截面尺寸為400X400，基礎(chǔ)及主體結(jié)構(gòu)梁板柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》（GB50367-2013）[1]第1.0.3條規(guī)定，本工程對(duì)既有看臺(tái)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了檢測(cè)鑒定，抽檢的10個(gè)框架柱混凝土芯樣試件抗壓強(qiáng)度值在 18.6MPa～28.1MPa，上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級(jí)評(píng)定為Bu級(jí)，本工程結(jié)構(gòu)整體性安全性等級(jí)評(píng)定為Au級(jí)[2]。

2 罩棚結(jié)構(gòu)體系

看臺(tái)②～?軸上空增設(shè)膜結(jié)構(gòu)罩棚平面投影呈矩形，立面呈弧形，造型優(yōu)美，具有良好的視覺效果。水平投影外輪廓長85.8m，最大懸挑長度約10.5m，建成后的整體實(shí)景圖見圖3。本看臺(tái)上空罩棚采用立體桁架鋼結(jié)構(gòu)體系，由懸挑主桁架、縱向次桁架及穩(wěn)定支撐組成。②～④軸及?～?軸鋼柱落在原看臺(tái)面4.92標(biāo)高混凝土柱頂，單柱兩側(cè)懸挑（圖4）；⑤～?軸鋼柱落在原看臺(tái)出屋面樓梯間頂8.75標(biāo)高混凝土柱頂，雙柱兩側(cè)懸挑（圖5）。整個(gè)上空鋼結(jié)構(gòu)連為一個(gè)整體，通過鋼柱高度調(diào)節(jié)弧形罩棚頂?shù)蔫旒軜?biāo)高。

圖4 典型單柱兩側(cè)懸挑立體桁架立面示意圖

圖5 典型雙柱兩側(cè)懸挑立體桁架立面示意圖

懸挑桁架的上下弦桿和腹桿均采用圓鋼管，圓鋼管管材采用熱軋無縫管或冷成型直縫管。無縫管采用20#鋼。主鋼構(gòu)件、封口板及鋼索耳板應(yīng)符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700-2006）規(guī) 定 的Q235B要求。上下弦桿主要截面均為Φ168X5；腹桿主要截面為Φ76X4。盡量采用工廠焊接，并優(yōu)先采用自動(dòng)焊接和半自動(dòng)焊接。桁架的弦桿，鋼管之間對(duì)接焊縫的質(zhì)量等級(jí)為一級(jí)；其他對(duì)接焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。與支座相連的拉桿截面為Φ180X5。銷軸采用Q345B鋼材，拉索為公稱抗拉強(qiáng)度為1670MPa的鋼芯鋼絲繩。

3 計(jì)算參數(shù)和荷載取值

本工程建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)為二級(jí)，主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為自原結(jié)構(gòu)竣工驗(yàn)收算起50年，抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為II類。基本風(fēng)壓按0.40kN/m2計(jì)算，基本雪壓按0.7kN/m2計(jì)算（均按100年重現(xiàn)期取值），屋面活荷載：0.30kN/m2，膜恒荷載：0.10kN/m2，膜面預(yù)應(yīng)力：經(jīng)向2.0kN/m，緯向2.0kN/m。

上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚采用上海同磊土木工程技術(shù)有限公司編制的3d3s(V14版本)進(jìn)行分析計(jì)算，下部混凝土結(jié)構(gòu)看臺(tái)采用中國建筑科學(xué)研究院PKPM系列軟件(軟件V4.3.0版)混凝土結(jié)構(gòu)鑒定加固模塊計(jì)算分析，采用MIDAS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模復(fù)核，鋼結(jié)構(gòu)桿件的應(yīng)力比，桁架的撓度及加固柱的承載力和抗震各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)行國家相關(guān)規(guī)范要求。

4 柱腳預(yù)埋及化學(xué)錨栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本工程為既有看臺(tái)上改建膜結(jié)構(gòu)，上部膜結(jié)構(gòu)和下部混凝土結(jié)構(gòu)存在大量錨固連接，鋼柱腳與下部混凝土柱頂?shù)倪B接及膜結(jié)構(gòu)背面斜拉桿與下部混凝土柱側(cè)的連接質(zhì)量是保證結(jié)構(gòu)安全性能的關(guān)鍵因素。預(yù)埋件、植筋和化學(xué)錨栓是土木工程中常用的三種錨固技術(shù)，預(yù)埋件由錨板與鋼筋焊接組成，現(xiàn)場(chǎng)定位后再進(jìn)行澆筑，使其埋置于混凝土中，待齡期結(jié)束后將外露錨板與鋼結(jié)構(gòu)焊接[3]?；瘜W(xué)錨栓是通過特制的化學(xué)粘接劑，將螺桿膠結(jié)于固定的混凝土基材鉆孔中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)固定件錨固的復(fù)合件，承載性能取決于螺桿和錨固膠的共同作用，其施工質(zhì)量受工人的施工工藝、施工過程的環(huán)境溫濕度、基材的物理化學(xué)性質(zhì)等因素影響，需要進(jìn)行抗拔承載力試驗(yàn)對(duì)其的質(zhì)量做有效驗(yàn)證。植筋是以專用的有機(jī)或無機(jī)膠粘劑將帶肋鋼筋或全螺紋螺桿種植于混凝土基材中的一種后錨固連接方法，僅考慮承受軸向力。預(yù)埋件抗剪性能優(yōu)于植筋穿孔塞焊，錨筋不僅受剪力，還承受拉力并存在一定的拉伸變形，錨筋處于彎拉剪復(fù)合受力狀態(tài)。

經(jīng)計(jì)算分析，柱頂最不利反力位于④軸B交軸柱頂，Nx=232kN，Ny=254kN，Nz=255kN，Mx=-81kN·m，My=-232kN·m，Mz=—81kN·m,如果采用后置式化學(xué)錨栓，原設(shè)計(jì)400X400的柱截面不能滿足化學(xué)錨栓間距的要求，且混凝土強(qiáng)度等級(jí)較低，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》（JGJ145-2013）[4]第3.1.2條：“凍融受損混凝土、腐蝕受損混凝土，嚴(yán)重裂損混凝土、不密實(shí)混凝土等不得作為錨固基材。”故原設(shè)計(jì)框架柱需要加固才能給上部膜結(jié)構(gòu)提供安全可靠的基座。比較外包型鋼加固和增大截面法加固，外包型鋼加固焊縫對(duì)風(fēng)荷載比較敏感，且截面較小不能滿足膜結(jié)構(gòu)鋼柱腳底板的截面要求，經(jīng)綜合考慮，對(duì)承受鋼管柱兩側(cè)懸挑罩棚的一層框架柱自基礎(chǔ)至看臺(tái)頂標(biāo)高采用增大截面法進(jìn)行加固（圖6），框架柱每側(cè)加大200mm，新增現(xiàn)澆混凝土部分均采用無收縮C30混凝土。通過對(duì)原柱混凝土表面鑿毛、涂刷界面劑、種植短鋼筋作為剪力鍵等措施以加強(qiáng)新舊混凝土共同工作。

圖6 增大截面法加固柱示意圖

根據(jù)上述三種錨固技術(shù)的特點(diǎn)及本工程的實(shí)際情況，本工程新建鋼結(jié)構(gòu)與既有混凝土結(jié)構(gòu)之間采用預(yù)埋件為主，植筋及化學(xué)錨栓為輔的連接方案。在處于高溫高濕動(dòng)荷載干濕交替的露天環(huán)境下的植筋及化學(xué)錨作為混凝土結(jié)構(gòu)的后錨固技術(shù)，需要進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)，使用預(yù)埋件連接質(zhì)量更能得到保證。增大截面法加固柱既提高了框架柱的豎向承載力和抗震性能，又能給罩棚鋼管柱腳鋼板預(yù)埋錨筋創(chuàng)造條件。

影響預(yù)埋件強(qiáng)度的因素，除錨筋和混凝土的強(qiáng)度外，還有錨筋的直徑、錨固長度、錨筋邊距以及錨筋排數(shù)等。本工程柱頂采用厚36mm的錨板與罩棚鋼柱焊接，錨板采用7M36錨筋預(yù)埋進(jìn)增大截面的新澆筑混凝土中，框架折梁位置兩側(cè)采用2M24彎錨避開原有框架梁預(yù)埋進(jìn)加大的柱截面內(nèi)，錨筋的材質(zhì)采用Q235，錨固長度取40d（d為錨筋直徑），原400X400的混凝土柱中采用4M30后置式化學(xué)錨栓，鉆孔直徑和深度為35x280（圖7），錨筋的間距滿足既不大于300mm又不應(yīng)小于6d要求，從而保證錨固的效果，提高關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)連接的可靠度。

圖7 單柱兩側(cè)懸挑鋼柱柱腳連接示意圖

二次受力加固柱的受力特點(diǎn)：部分荷載先由原柱承擔(dān)，隨著荷載的增加，二次加固柱緊接著共同承受后施加的荷載[5]。本工程在施工時(shí)由安徽建筑大學(xué)土木學(xué)院在澆筑混凝土之前在圍箍內(nèi)的新老框架柱縱筋內(nèi)預(yù)埋應(yīng)變片檢測(cè)應(yīng)力超前或滯后情況，由于原混凝土柱早先已經(jīng)完成一次受力，而膜結(jié)構(gòu)本身質(zhì)量較輕，二次受力較小，結(jié)果表明，新舊混凝土之間未發(fā)生明顯的相對(duì)滑移，能較好地形成整體協(xié)同受力。

5 柱側(cè)銷軸連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)有抗震要求的重要預(yù)埋件，不宜采用以錨固鋼筋承力的形式，而宜采用錨筋穿透截面后，固定在背面錨板上的夾板式雙面錨固形式[6]。本工程柱側(cè)采用10M24錨栓穿透增大截面加固的框架柱，兩側(cè)采用25厚錨板雙面錨固。

懸挑桁架后側(cè)斜拉桿和看臺(tái)框架柱采用銷軸連接[7]，銷軸直徑為40mm,節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見圖8。

圖8 單柱兩側(cè)懸挑混凝土柱側(cè)面連接示意圖

銷軸節(jié)點(diǎn)受斜拉桿的最大豎向分力為84kN，水平分力為105kN。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[8]中第11.6.3及11.6.4條公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果分別為：耳板孔的凈截面抗拉強(qiáng)度為45.2MPa；耳板端部截面抗拉強(qiáng)度為64.4MPa；耳板抗剪強(qiáng)度為31.3MPa；銷軸的承壓強(qiáng)度為104MPa；銷軸抗剪強(qiáng)度為41.4MPa；銷軸的抗彎強(qiáng)度為97MPa。計(jì)算結(jié)果顯示，銷軸和耳板均能滿足材料強(qiáng)度及規(guī)范的要求。

6 結(jié)論

①既有建筑改造加固，要根據(jù)具體情況，分析比較不同的加固方案，優(yōu)選經(jīng)濟(jì)合理、施工方便且質(zhì)量可靠的改造加固方案。

②預(yù)埋件、植筋和化學(xué)錨栓三種錨固技術(shù)有不同的錨固受力機(jī)理，適合不同的條件，應(yīng)選擇符合實(shí)際受力情況的錨固連接方案。

③改造加固后的建筑，必要時(shí)應(yīng)由有專業(yè)資質(zhì)的檢測(cè)單位做好改造加固的變形監(jiān)測(cè)工作，后期使用過程中應(yīng)做好定期觀測(cè)、定期維護(hù)，確保設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的結(jié)構(gòu)安全。