某排架廠房改幼兒園項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工

　　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。