摘 要: 既有房屋改變用途越來(lái)越多,多伴隨著結(jié)構(gòu)的改造加固。以某單層排架廠房改造為二層幼兒園的具體工程為實(shí)例,分析了工業(yè)廠房改為民用建筑時(shí)面臨抗震設(shè)防類別相應(yīng)提高等諸多問(wèn)題,介紹了此類結(jié)構(gòu)改造加固設(shè)計(jì)要點(diǎn),為類似改造工程提供借鑒意義。
關(guān)鍵詞: 既有房屋; 功能改變; 改造加固
費(fèi)紅專; 陳信堂, 山西建筑 發(fā)表時(shí)間:2021-11-12
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(jì),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(jiǎn)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(jiàn)圖 1。根據(jù)當(dāng)?shù)亟逃鞴懿块T要求,申請(qǐng)開(kāi)辦幼兒園時(shí)需要對(duì)房屋進(jìn)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(shí)并未經(jīng)過(guò)正規(guī)設(shè)計(jì),也沒(méi)有委托有資質(zhì)的施工企業(yè)施工,故存在諸多問(wèn)題,需要經(jīng)過(guò)檢測(cè)評(píng)定、抗震加固設(shè)計(jì)、加固施工、竣工驗(yàn)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(duì)抗震鑒定不合格的房屋經(jīng)加固設(shè)計(jì)、施工并驗(yàn)收合格后,可視為滿足抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)。因此,首 先 對(duì) 房 屋 進(jìn) 行 抗 震 檢 測(cè) 評(píng) 定。根 據(jù) GB50023—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(jì)規(guī)范進(jìn)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(wèn)題:
1) 該房屋原來(lái)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(diǎn)設(shè)防類( 乙類) ,抗震能力要求比丙類民用建筑高一個(gè)檔次[1]。
2) 原廠房為單跨排架結(jié)構(gòu),無(wú)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(diǎn)設(shè)防類結(jié)構(gòu)體系要求,也不符合框架剛節(jié)點(diǎn)構(gòu)造要求。
3) 東西邊跨上只有山墻,屋面沒(méi)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(wèn)題:
1) 新增鋼筋混凝土中柱下面剛性基礎(chǔ)尺寸過(guò)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(dú)立,沒(méi)有聯(lián)系; 新增中柱沒(méi)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(jiǎn)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(jiàn),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(jì)規(guī)范》,需要全面加固。
3 加固設(shè)計(jì)思路
針對(duì)上述問(wèn)題,首先要改變結(jié)構(gòu)體系,增加結(jié)構(gòu)冗余度,最易實(shí)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(duì)鋼梁受力有利。但是中柱延伸到頂?shù)奈ㄒ晦k法是擴(kuò)大截面,縱筋需穿過(guò)夾層樓板、繞過(guò)夾層鋼梁,此方案需要澆筑混凝土,濕作業(yè)長(zhǎng),工序復(fù)雜,自重增加較大,基礎(chǔ)加固費(fèi)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(méi)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(shí)現(xiàn)山墻變?yōu)閲o(hù)墻的轉(zhuǎn)變,從而理順結(jié)構(gòu) 體 系。如 此 一 來(lái),可作為二層多跨 鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。
經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)和工期綜合比較,按照第二種思路進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。
4 加固設(shè)計(jì)方案
4. 1 基礎(chǔ)加固設(shè)計(jì)
通過(guò)查閱原地質(zhì)勘察報(bào)告,并現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖,發(fā)現(xiàn)本建筑場(chǎng)地地質(zhì)條件很好,開(kāi)挖 1 m 就到達(dá)堅(jiān)硬的夾砂黏土,基礎(chǔ)加固比較簡(jiǎn)單可行。一方面,通過(guò)在內(nèi)側(cè)加大原邊柱下鋼筋混凝土獨(dú)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(dá)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(guò)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(jì)[2]
邊柱和中柱均采用包角鋼、焊接綴板的方式進(jìn)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(duì)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(shí),為了豎向傳力可靠,應(yīng)采用附加斜鋼板過(guò)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(jiàn)圖 3。
4. 3 夾層鋼梁加固設(shè)計(jì)
經(jīng)計(jì)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(duì)接焊縫,焊縫要達(dá)到一級(jí)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(jì)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(guò)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(jì)算定,在主梁上焊連接板,通過(guò)高強(qiáng)螺栓實(shí)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(diǎn)設(shè)計(jì)[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(diǎn)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本結(jié)構(gòu)鋼梁簡(jiǎn)單擱置在混凝土柱頂或牛腿頂面,梁端轉(zhuǎn)動(dòng)與水平滑動(dòng)完全自由,改造成框架結(jié)構(gòu)就要將節(jié)點(diǎn)改為剛節(jié)點(diǎn)或半剛節(jié)點(diǎn),難度較大。柱腳節(jié)點(diǎn)采用埋入式,滿足剛性節(jié)點(diǎn)條件。一層柱頂與主鋼梁節(jié)點(diǎn)域處理難度較大,根據(jù)實(shí)際條件,只能改造成半剛性節(jié)點(diǎn)。具體做法是: 在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(shù)脂結(jié)構(gòu)膠,借助混凝土柱的剛度增加節(jié)點(diǎn)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(wú)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(jì)
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 6 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(shuō)明書(shū)拌制高延性混凝土,并將其按壓、塞擠,使之填實(shí)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(shí),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(diǎn)焊縫) 。現(xiàn)場(chǎng)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(hù)焊,施焊前做好臨時(shí)支撐。按照有關(guān)驗(yàn)收規(guī)范規(guī)定對(duì)焊縫進(jìn)行探傷檢測(cè)。
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(diǎn):
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(dòng) 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(dòng),不得對(duì)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(chǎng)用強(qiáng)制式砂漿攪拌機(jī)攪拌,攪拌時(shí)間不應(yīng)少于 10 min,每盤攪拌量應(yīng)控制在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)抹完[5]。
6 結(jié)語(yǔ)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展,越來(lái)越多的既有建筑面臨著使用功能的更新,對(duì)結(jié)構(gòu)改造、加固提出新的更高要求。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、造價(jià)、社會(huì)效益綜合考慮,探索最優(yōu)解決方案是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàng)目順利完成,已投入運(yùn)營(yíng)兩年,工作狀態(tài)良好,招生火爆,社會(huì)效益顯著。
論文指導(dǎo) >
SCI期刊推薦 >
論文常見(jiàn)問(wèn)題 >
SCI常見(jiàn)問(wèn)題 >