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某排架厂房改幼儿园项目的结构设计与施工策略

2021-11-13 87 上传者：管理员

摘要：既有房屋改变用途越来越多，多伴随着结构的改造加固。以某单层排架厂房改造为二层幼儿园的具体工程为实例，分析了工业厂房改为民用建筑时面临抗震设防类别相应提高等诸多问题，介绍了此类结构改造加固设计要点，为类似改造工程提供借鉴意义。

关键词：
功能改变
建筑改造
建筑结构
改造加固
既有房屋
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1、工程概况

六安市金安区某服装厂厂房为单层排架结构房屋，2007年设计，2008年建成投入使用。该房屋建筑面积约600m2,柱距6m,跨度16.8m,檐口标高6.4m,屋脊标高7.37m,双坡屋面，坡度约5%。排架柱为钢筋混凝土带牛腿柱，牛腿标高5.9m;屋盖系统由焊接H型钢大梁、C型钢檩条和彩钢板组成的轻型钢结构屋盖，简支于牛腿上。2017年，业主拟将该厂房改为幼儿园，为了增加建筑面积，在室内增加钢筋混凝土柱，柱顶安装H型主钢梁，主梁之间焊接H型钢次梁，上面铺压型钢板，并以此为模板再配筋、浇筑楼板。改建后变为二层建筑，二楼标高为3.4m。一、二层原始柱平面图见图1。根据当地教育主管部门要求，申请开办幼儿园时需要对房屋进行抗震鉴定，鉴定结果合格方能走下一步审批手续。然而业主自行改造时并未经过正规设计，也没有委托有资质的施工企业施工，故存在诸多问题，需要经过检测评定、抗震加固设计、加固施工、竣工验收等完整的技术改造流程。

2、抗震鉴定

根据教育主管部门文件精神，对抗震鉴定不合格的房屋经加固设计、施工并验收合格后，可视为满足抗震鉴定标准。因此，首先对房屋进行抗震检测评定。根据GB50023—2009建筑抗震鉴定标准，该房屋为C类，后续使用年限为50a,按照现行抗震设计规范进行鉴定，经鉴定发现本房屋结构存在如下主要问题：

1)该房屋原来是单层厂房，抗震设防类别为丙类，现在改为幼儿园，属于民用建筑，根据现行《建筑工程抗震设防分类标准》,幼儿园建筑属于重点设防类(乙类),抗震能力要求比丙类民用建筑高一个档次[1]。

2)原厂房为单跨排架结构，无论是原屋面钢梁，还是新增夹层的钢梁，其与混凝土柱之间的连接方式全部为铰接，既不符合重点设防类结构体系要求，也不符合框架刚节点构造要求。

3)东西边跨上只有山墙，屋面没有大梁，檩条直接支承在山墙上，竖向传力构件刚度差距巨大，结构体系混乱。

根据房屋现状详细调查，新增夹层存在下列主要问题：

1)新增钢筋混凝土中柱下面刚性基础尺寸过小。紧贴原混凝土边柱内侧也增设了混凝土柱(夹层主钢梁支承在柱顶),但二者各自独立，没有联系；新增中柱没有延伸到屋顶，导致二层仍然是单跨排架结构，且刚度突变巨大。

2)夹层主钢梁简支在新增混凝土顶部，支座构造不满足要求。

3)新增钢次梁截面大小不一，与主梁之间全部采用焊接，且焊缝质量极差。

由此可见，原结构和改造后的结构都严重不满足现行《建筑抗震设计规范》,需要全面加固。

3、加固设计思路

针对上述问题，首先要改变结构体系，增加结构冗余度，最易实现的是将中柱延伸到屋顶钢梁底部，如此既能改变结构体系，又对钢梁受力有利。但是中柱延伸到顶的唯一办法是扩大截面，纵筋需穿过夹层楼板、绕过夹层钢梁，此方案需要浇筑混凝土，湿作业长，工序复杂，自重增加较大，基础加固费用也高。

也可换一种思路，在原混凝土柱外围采用干式包角钢，形成格构柱式柱，边柱包钢直到柱顶；中柱在底层包钢，二层虽然没有混凝土柱但是格构柱仍然延伸到屋顶钢梁底部，与之铰接。东西山墙内侧屋面各增加一道大梁，设置角钢檩托，托住檩条，实现山墙变为围护墙的转变，从而理顺结构体系。如此一来，可作为二层多跨钢框架结构进行分析。

经过技术经济和工期综合比较，按照第二种思路进行加固设计。

4、加固设计方案

4.1 基础加固设计

通过查阅原地质勘察报告，并现场开挖，发现本建筑场地地质条件很好，开挖1m就到达坚硬的夹砂黏土，基础加固比较简单可行。一方面，通过在内侧加大原边柱下钢筋混凝土独基，并将外包角钢埋入新增混凝土内，更有利于角钢根部达到嵌固效果，传力可靠。另一方面，将中柱下面的混凝土刚性基础加宽加高，凿毛原基础外表，通过植筋增加新旧混凝土之间的连接。同理，外包角钢直接埋入新增混凝土中。

4.2 柱加固设计[2]

边柱和中柱均采用包角钢、焊接缀板的方式进行加固。根据构造要求和地震作用剪力的分布特征，缀板间距需区分加密区和非加密区，缀板与角钢的连接采用三面角焊缝。对于一层的边柱，角钢和缀板系统要把新旧混凝土柱“捆绑”在一起，所以缀板应加大。由于边柱上部屋面梁位置有牛腿，上下柱截面有变化。鉴于一层内侧又增加了一部分，所以新的边柱自下而上截面减小两次，外包角钢时，为了竖向传力可靠，应采用附加斜钢板过渡。边柱加固详图如图2所示。

中柱外包角钢形成格构柱，延伸到屋面钢梁底部，将二层单跨钢梁改为三跨，大大降低钢梁的应力和挠度。中柱加固详图见图3。

4.3 夹层钢梁加固设计

经计算，原主钢梁的承载力和挠度均不满足规范要求，可采用加高截面的方法加固。在主梁下翼缘焊接倒T型钢，采用对接焊缝，焊缝要达到一级焊缝质量要求。

由于原次钢梁大小不一，与主梁连接极差，计算应力和挠度均超限，且数量较多，若采用加固原钢梁的方法，则成本过高，故忽略原次梁作用，在原次梁之间增加一道次梁，新次梁截面尺寸按计算定，在主梁上焊连接板，通过高强螺栓实现次梁与主梁之间的铰接。

东、西山墙内侧增加的屋面大梁支承于原混凝土柱，托住檩条。新增大梁与山墙之间留约50mm宽缝隙，原檩条是直接搁置在山墙上的，需沿着缝隙切断檩条，这样山墙上承受的檩条荷载直接转移到钢梁上。

4.4 梁柱节点设计[3,4]

如何确保改造后的结构能够基本符合钢框架的受力特性，节点的设计是关键环节之一。本结构钢梁简单搁置在混凝土柱顶或牛腿顶面，梁端转动与水平滑动完全自由，改造成框架结构就要将节点改为刚节点或半刚节点，难度较大。柱脚节点采用埋入式，满足刚性节点条件。一层柱顶与主钢梁节点域处理难度较大，根据实际条件，只能改造成半刚性节点。具体做法是：在节点域采用加厚、加宽钢板代替缀板，将主梁的上下翼缘、腹板全部与钢板焊接，然后将节点域范围的角钢、钢板和混凝土柱之间的缝隙灌注改性环氧树脂结构胶，借助混凝土柱的刚度增加节点域的抗弯刚度。中柱截面较小，且一层格构柱内包混凝土柱，二层纯粹是格构柱，为了减少刚度突变，缝隙可留置，无需灌胶，但是要做好防腐处理。中柱在二层的顶部焊接一块水平钢板，将钢梁下翼缘顶紧焊牢。

4.5 抗震构造加固设计

乙类设防建筑的填充墙通常应设置拉结筋，首先剔除墙体表面粉刷砂浆，沿墙高每500mm处用小型工具剔除水平灰缝砂浆，深度不小于40mm,冲洗干净后，增设两根ϕ6拉结筋；拉结筋塞入灰缝内，一端植入混凝土柱或焊接于外包型钢上，确保顺直；按产品说明书拌制高延性混凝土，并将其按压、塞挤，使之填实灰缝，并包裹拉结筋，再在墙表面抹20mm厚高延性混凝土。

5、加固改造施工

本工程应依次加固基础、混凝土柱、钢梁、墙体；加固钢梁时，应先加固主梁，再安装新增的次梁，加固既有次梁(主要是加固主、次梁节点焊缝)。现场焊接任务重，焊接质量直接决定该工程成败。本工程采用二氧化碳气体保护焊，施焊前做好临时支撑。按照有关验收规范规定对焊缝进行探伤检测。

为了保证加固构件与原结构构件协同工作，必须做到如下三点：

1)必须处理好原框架柱和新增角钢、钢板的接触面。接触面上砂浆应全部凿除，露出混凝土骨料并凿毛，浇筑混凝土前应洗净、清除松动的石子、砂浆块，确保接触良好。

2)在施工期间尽量减少施工荷载及振动，不得对原结构的安全产生不利影响。

3)高延性纤维混凝土原材料由水泥基材料及纤维组成，在现场用强制式砂浆搅拌机搅拌，搅拌时间不应少于10min,每盘搅拌量应控制在规定的时间内抹完[5]。

6、结语

随着经济社会发展，越来越多的既有建筑面临着使用功能的更新，对结构改造、加固提出新的更高要求。从技术、经济、造价、社会效益综合考虑，探索最优解决方案是结构设计师的初心使命。该排架厂房经增加夹层、加固后改为幼儿园，项目顺利完成，已投入运营两年，工作状态良好，招生火爆，社会效益显著。

参考文献:

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震鉴定标准:GB50023—2009[S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2]四川省住房和城乡建设厅.混凝土结构加固设计规范:GB50367—2013[S].北京:中国建筑工业出版社,2013.

[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.钢结构加固设计标准:GB51367—2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.