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摘要：本文通過具體工程實例，詳細(xì)闡述了鋼結(jié)構(gòu)加層方案確定及模型簡化方法，特別是加層柱底簡化。如果加層結(jié)構(gòu)方案合理、簡化計算準(zhǔn)確及上下連接構(gòu)造處理得當(dāng)，既可保證原結(jié)構(gòu)的安全，又可保證上部新加結(jié)構(gòu)可靠，同時能帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。...

 某超市鋼結(jié)構(gòu)加層設(shè)計實例分析

劉衛(wèi)輝，戚明軍,鄭永強(qiáng)

（1. 陜西省建筑設(shè)計研究院，陜西 西安，710018；

2.西北建筑設(shè)計研究院，陜西 西安，710018）

     1、工程概況

某超市位于楊凌火車站南廣場附近，地理位置優(yōu)越，2007年開始設(shè)計施工，2009年投入使用。該工程為三層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部五層，其中局部夾層用于超市內(nèi)部人員辦公及管理，底層層高5.6m，二、三層層高4.8m，總建筑面積為19937m2，建筑高度15.35m。工程采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，樓層及屋面板均為現(xiàn)澆，基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，地基處理采用灰土擠密樁，設(shè)計地基承載力要求不小于220kPa。由于該超市地理位置優(yōu)越，經(jīng)營狀況大大超出預(yù)期，本工程2012年提出加層改造設(shè)計，要求在原有的結(jié)構(gòu)上增加二層鋼結(jié)構(gòu)，增加二層鋼結(jié)構(gòu)的主要功能為電影院、臺球廳、咖啡館等，其中電影院有6個影廳，空間上要求二層通高，增加高度8.0m，增加使用面積7900m2。該工程的改造成功能帶來較大的社會和經(jīng)濟(jì)效益。甲方提出加層設(shè)計及施工的原則是既要符合現(xiàn)行規(guī)范要求，又要不破壞原有結(jié)構(gòu)和目前正常運(yùn)營情況。圖1為加層鋼結(jié)構(gòu)局部平面。該工程地震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類，地震設(shè)防烈度為7度（0.15g），地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類，特征周期值為0.40s，基本風(fēng)壓0.35，周期折減系數(shù)采用0.7，混凝土強(qiáng)度等級均為C30，混凝土框架的抗震等級為二級，鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為三級。 

圖1 加層鋼結(jié)構(gòu)局部平面

     2、計算分析

下部混凝土框架結(jié)構(gòu)上部為鋼結(jié)構(gòu)加層，對于此類豎向混合結(jié)構(gòu)，規(guī)范沒有明確的規(guī)定。此結(jié)構(gòu)計算的難點(diǎn)在于上下結(jié)構(gòu)的阻尼比不同，下部混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，上部鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.04，常用設(shè)計軟件satwe地震參數(shù)只能填一個阻尼比；其次此類結(jié)構(gòu)下剛上柔，存在剛度突變問題，由于高振型的影響，上部鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)存在動力放大效應(yīng)，該放大效應(yīng)系數(shù)如何確定。本工程計算分析時，復(fù)核下部結(jié)構(gòu)承載力及配筋時阻尼比采用0.05，設(shè)計上部鋼結(jié)構(gòu)部分時阻尼比采用0.04。確定上部結(jié)構(gòu)放大系數(shù)時采用彈性時程分析法確定。

     2.1 加層方案確定

    《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）第3.7.2條規(guī)定，對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改建、擴(kuò)建、或加固改造而重新設(shè)計時，承載能力極限狀態(tài)的計算應(yīng)符合本規(guī)范和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；既有結(jié)構(gòu)的正常使用狀態(tài)驗算及構(gòu)造要求宜符合本規(guī)范的規(guī)定。加層設(shè)計時采取以下措施減少荷載：①將屋面找坡層、防水層、找平層去除，新加房屋地面采用地毯或塑膠地面替代，可減少恒載3.5KN/m2；②加層部分采用鋼結(jié)構(gòu)承重體系，盡量減少結(jié)構(gòu)自重；③隔墻采用輕質(zhì)隔墻或雙層隔音輕質(zhì)墻；④加層樓面厚度控制在80mm，屋面采用輕型屋面；⑤影院座位下部全部架空。另外充分考慮下部結(jié)構(gòu)的承載歷史和施工狀態(tài)的影響，使加層荷載傳力均勻，避免出現(xiàn)某處突變情況。由于原有混凝土框架柱頂層截面均為500x500，且柱頂節(jié)點(diǎn)梁柱鋼筋錨固凌亂復(fù)雜，新加鋼結(jié)構(gòu)柱底只能處理成鉸接形式，為了保證加層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在柱間設(shè)置鋼支撐，最終確定加層結(jié)構(gòu)形式為柱底鉸接鋼框架+支撐結(jié)構(gòu)。

     2.2 計算結(jié)果控制指標(biāo)

本工程采用2010版PKPM系列軟件STS三維建模及荷載輸入，采用空間有限元軟件SATWE計算。模型建立完全按照原結(jié)構(gòu)的竣工圖，荷載按施工圖總說明中的要求并符合實際使用情況輸入。加層鋼結(jié)構(gòu)支撐采用程序中的斜桿單元模擬，支撐采用“人”字撐形式，在特殊構(gòu)件定義中將支撐兩端指定為鉸接，框架柱底指定為鉸接。支撐布置主要考慮不影響建筑功能并滿足結(jié)構(gòu)的規(guī)則性。由于加層部分建筑平面較復(fù)雜，存在局部開洞，樓板不連續(xù)，僅按整體分析不能反映加層部分的規(guī)則性，因此結(jié)構(gòu)的規(guī)則性分別按整體模型和僅有兩層鋼結(jié)構(gòu)模型分別進(jìn)行判別。

經(jīng)反復(fù)試算和改變支撐布置情況，整體分析時結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)加層X向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.19，最大層間位移角為1/1229，支撐承擔(dān)的傾覆彎矩百分比為63%、承擔(dān)的剪力百分比為65%；Y向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.17，最大層間位移角為1/1551，支撐承擔(dān)的傾覆彎矩百分比為68%、承擔(dān)的剪力百分比為66%。僅有兩層鋼結(jié)構(gòu)的局部模型分析時X向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.15，最大層間位移角為1/1111，支撐承擔(dān)的傾覆力矩百分比為64%；Y向扭轉(zhuǎn)位移比最大值為1.07，最大層間位移角為1/1221，支撐承擔(dān)的傾覆力矩百分比為67%。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定按以下要求控制：框架柱、框架梁應(yīng)力比按0.9，有混凝土樓板的簡支次梁按1.0、無混凝土的簡支次梁和懸挑次梁按0.9、支撐應(yīng)力比按0.7。

     2.3 確定加層剪力放大系數(shù)

開始試算時加層樓層動力放大系數(shù)按1.0，經(jīng)試算，結(jié)構(gòu)的各項控制參數(shù)滿足規(guī)范并且梁、柱截面調(diào)整基本合適后，再采用彈性時程分析計算。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2010，7度（0.15g）地區(qū)時程分析所用地震加速度最大值為55cm/s2，本次計算采用三組加速度時程曲線，其中兩條為實際強(qiáng)震記錄，一條為人工模擬。選時程曲線是否合適的原則為三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的65%，三條時程曲線計算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。程序根據(jù)特征周期選波，經(jīng)試算分別選擇了RH1TG040（人工波）、TH1TG040（天然波）、TH2TG040（天然波）滿足規(guī)范選波原則，作為合適的時程曲線使用。表3.1-1、表3.1-2分別給出了振型分解反應(yīng)譜法與時程分析法X向、Y向樓層剪力對比值。

表3.1-1 反應(yīng)譜與時程分析X向樓層剪力對比

 

根據(jù)規(guī)范當(dāng)取三組加速度時程曲線輸入時，計算結(jié)果易取時程法的包絡(luò)值和振型分解反應(yīng)譜法的較大值。由表2.3-1和表2.3-2數(shù)值分析可知，三條時程分析曲線算得的基底剪力平均值是反應(yīng)譜法的0.96倍，包絡(luò)值是反應(yīng)譜法的1.03倍，差別均在5%以內(nèi)，因此利用振型分解反應(yīng)譜分解反應(yīng)譜法計算和設(shè)計時全樓動力系數(shù)不放大。三條時程分析曲線算得的加層X向的樓層剪力包絡(luò)值是反應(yīng)譜法的1.18~1.20倍，Y向為1.17~1.18倍。因此利用振型分解反應(yīng)譜法計算和設(shè)計加層鋼結(jié)構(gòu)時，頂部加層應(yīng)取1.2的樓層動力放大系數(shù)。動力系數(shù)確定后，部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件不滿足控制指標(biāo)，重新調(diào)整后均滿足前述控制指標(biāo)。

     3、加層柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

鋼結(jié)構(gòu)加層節(jié)點(diǎn)構(gòu)造除柱腳節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較為復(fù)雜外，其余節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均為常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造。由于鋼結(jié)構(gòu)加層柱底生根先天性不足，鋼結(jié)構(gòu)加層柱底按鉸接處理，柱底主要產(chǎn)生豎向力和水平剪力，豎向力可以直接傳遞至下部原混凝土框架柱；水平剪力卻不能有效傳遞，因為混凝土框架頂層柱節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋錨固復(fù)雜，不能鑿開孔洞直接放置抗剪鍵，另外由于柱腳錨栓不能傳遞剪力。本工程采取的做法是在混凝土柱頂植筋增加鋼筋混凝土短柱作為過渡，再在混凝土短柱上生根鋼結(jié)構(gòu)加層柱，而對于支撐處混凝土短柱，在混凝土短柱處進(jìn)行加腋，如圖3.1~3.3。化學(xué)植筋所用錨固灌漿的性能，應(yīng)滿足《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2004，原有構(gòu)件上打孔時，先用探測儀測出構(gòu)件中鋼筋的位置，并標(biāo)在構(gòu)件上，檢查孔的位置是否會碰到鋼筋，施工縫處理原則為：①將連接表面鑿毛，露出原有鋼筋，且不得小于1mm；②用鋼刷將表面松動層清理干凈，并用高壓水沖洗表面；③刷1：1水泥漿一道，約3個小時后澆混凝土振搗，2次凝固。 

圖3.1短柱做法                          圖3.2短柱加腋做法

 

圖3.3 A-A剖面

     4、原結(jié)構(gòu)加固措施

決定本工程加層方案是否可行的重要因素是地基和基礎(chǔ)是否需要加固，原工程在進(jìn)行設(shè)計時地基形式為灰土擠密樁復(fù)合地基，要求承載力為220kPa，實際設(shè)計時地基承載力僅使用200kPa，根據(jù)經(jīng)驗灰土擠密樁復(fù)合地基隨時間增加承載力應(yīng)有提高，于是在現(xiàn)場進(jìn)行了四處靜載荷試驗，四處試驗結(jié)果最小值為310kPa，平均值為317kPa，試驗結(jié)果滿足加層的需要并有所富余。根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗確定的地基承載力和鋼結(jié)構(gòu)加層的柱底反力，復(fù)核獨(dú)立基礎(chǔ)的截面及配筋，均滿足設(shè)計要求，地基和基礎(chǔ)均不需要加固。

復(fù)核下部梁柱配筋時，整體結(jié)構(gòu)計算阻尼比采用0.05，計算結(jié)果與原施工圖進(jìn)行比對，水平構(gòu)件均滿足要求，不需要加固。框架柱存在部分配筋不足和軸壓比超限，主要分布在上部鋼結(jié)構(gòu)支撐所對應(yīng)的位置，共計30根框架柱。加固采用外包鋼板及型鋼加固方案，加固時主要采取以下控制措施：①若構(gòu)件表面有蜂窩、裂縫應(yīng)先修補(bǔ)嵌平，再打磨露出結(jié)構(gòu)本體,并用丙酮擦凈；②對鋼板及型鋼的粘結(jié)面進(jìn)行平整、除銹處理，粘結(jié)面應(yīng)顯露金屬光澤，并用丙酮擦凈。③膠料配制按稱量比例調(diào)制粘結(jié)膠,使用前要充分?jǐn)嚢瑁�把配制好的膠料同時涂抹在已處理好的鋼板和混凝土面上,把鋼板與混凝土粘貼；④鋼板粘貼后用M12膨脹螺栓固定，并立即加壓直至鋼板周邊同時擠出膠液為止，鋼板加壓不得中途局部減壓，經(jīng)24小時后可卸壓，⑤經(jīng)固化卸壓后進(jìn)行防銹防腐處理，外包鋼板及型鋼施工完成后，在加固件鋼板及型鋼表面抹25mm厚M7.5水泥砂漿保護(hù)層，并采取相應(yīng)措施避免保護(hù)層空鼓，也可采用其它飾面材料加以保護(hù)。

     5、結(jié)論

該超市鋼結(jié)構(gòu)加層取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，加層鋼結(jié)構(gòu)竣工后的最終含鋼量僅為39kg/m2；鋼結(jié)構(gòu)加層部分計算時，頂部所加樓層應(yīng)乘以動力放大系數(shù)，該系數(shù)可由時程分析法確定，一般取1.2左右；鋼結(jié)構(gòu)加層模型簡化需與實際構(gòu)造一致，加層柱底傳力路徑須可靠、簡潔、明確，可通過增加過渡短柱的方案解決；加層結(jié)構(gòu)計算完成后必須通過現(xiàn)場載荷試驗確定并復(fù)核當(dāng)下的地基承載力，詳細(xì)比對原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和配筋，對原有結(jié)構(gòu)先加固后進(jìn)行加層改造。

 (本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會   文徑網(wǎng)絡(luò)設(shè)計項目投資中心：劉紅娟 尹維維 編輯  劉真 文徑 審核)

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