某石材庫及展廳鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)分析與加固

牛慶芳

1 結(jié)構(gòu)概況

某石材庫現(xiàn)有結(jié)構(gòu)為二層建筑，長79.2 m，寬29.4 m，總高度為10.82 m，總建筑面積為4864.5 m2。建筑平面軸線A-K/1-8區(qū)域為石材庫部分，二層結(jié)構(gòu)，一層采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，層高4.8 m(局部5.40 m)，二層采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，層高 4.50 m(局部3.90 m);軸線B-J/9-11區(qū)域為展廳部分，單層鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，層高8.40 m。該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式為柱下獨(dú)立基礎(chǔ)及墻下條形基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，建筑場地類別為Ⅱ類，結(jié)構(gòu)安全等級為二級，框架結(jié)構(gòu)抗震等級均為三級，設(shè)計使用年限為50年。本文對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，針對該結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷提出加固方案。圖1，圖2為該建筑南立面外觀及建筑內(nèi)部情況照片。

圖1 建筑南立面外觀

圖2 建筑內(nèi)部情況（局部）

2 石材庫現(xiàn)有結(jié)構(gòu)若干問題分析

2.1 結(jié)構(gòu)各部分抗側(cè)剛度差異較大

現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分為石材庫與展廳兩大部分，其中石材庫部分為兩層，上層為鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由若干鋼柱支承平板網(wǎng)架構(gòu)成，下層為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu);展廳部分為單層鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

對于石材庫部分，結(jié)構(gòu)上下兩層為不同材料構(gòu)成的不同結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)計算單根鋼柱(φ273mm×6mm)與單根混凝土柱(500mm×500mm)的抗側(cè)剛度相差10倍以上，且鋼柱之間缺乏柱間支撐、剛性系桿等連接構(gòu)造措施，結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度較差，這表明上部鋼結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)小于下部混凝土框架，二者差異較大。結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度上下差異過大，將使地震荷載作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力的不利響應(yīng)。對于水平風(fēng)荷載，底部混凝土框架結(jié)構(gòu)層高較低，側(cè)向剛度較大，風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)側(cè)移很小，可忽略不計。而對上部鋼結(jié)構(gòu)，其抗側(cè)剛度偏小，則必須考慮水平風(fēng)荷載的作用，并且主要是控制風(fēng)荷載作用下的鋼柱柱頂位移。

展廳部分為單層鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，鋼柱高度較大。該結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度與石材庫部分整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度相比亦有較大差異。水平地震作用下，二者水平振動不同步，可能導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)的破壞。另外也應(yīng)控制其在風(fēng)荷載作用下的柱頂水平側(cè)移值。

2.2 網(wǎng)架屋面均布活荷載取值偏小

原設(shè)計中網(wǎng)架屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取0.3 kN/m2。而依據(jù)GB 50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范第4.3.1條，對于不上人的屋面，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)取0.5 kN/m2。又按照GB 50009-2001第4.3.1條的注1:“不上人的屋面，當(dāng)施工或維修荷載較大時，應(yīng)按實際情況采用;對不同結(jié)構(gòu)應(yīng)按有關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，將標(biāo)準(zhǔn)值作0.2 kN/m2的增減”。GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范第3.2.1條注:“對支承輕屋面的構(gòu)件或結(jié)構(gòu)(檁條，屋架，框架等)，當(dāng)僅有一個可變荷載且受荷水平投影面積超過60 m2時，屋面均布活荷載應(yīng)取為0.3 kN/m2”，而網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)受荷水平投影面積不大可能超過60 m2，則不應(yīng)取0.3 kN/m2。

參考國外設(shè)計取值，網(wǎng)架屋面均布活荷載取0.5 kN/m2，未有取0.3 kN/m2者，我國網(wǎng)架也普遍采用0.5 kN/m2，因此，本文認(rèn)為原設(shè)計中網(wǎng)架不上人屋面均布活荷載取0.3 kN/m2偏小。

2.3 鋼柱柱腳連接構(gòu)造措施不足

根據(jù)原設(shè)計中，鋼柱柱腳采用平板式柱腳，柱腳底板與混凝土柱縱筋穿孔塞焊，鋼管與底板焊接，并沿對角線設(shè)置四道加勁肋，這種柱腳構(gòu)造形式僅能承受不大的力矩，難以確保鋼柱與下部混凝土柱頭完全剛接，不能完全符合設(shè)計計算中將鋼柱柱腳認(rèn)為固定端的假定。因此，目前結(jié)構(gòu)在設(shè)計水平荷載(風(fēng)載及地震作用)的作用下，鋼柱柱頂會產(chǎn)生比設(shè)計計算結(jié)果更大的水平側(cè)移，顯示側(cè)向剛度不足。

3 鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)前述分析，本文重點(diǎn)針對兩個鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，即石材庫網(wǎng)架(軸線A-K/1-8)及展廳網(wǎng)架(軸線B-J/9-11)進(jìn)行計算。

3.1 計算假定及荷載取值

考慮到網(wǎng)架與鋼柱構(gòu)成整體建筑，二者變形協(xié)調(diào)，因此將網(wǎng)架與鋼柱整體建模計算。鋼柱采用梁單元，柱腳假定為固定端，柱頭與網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)為鉸接連接，網(wǎng)架各桿件采用桿單元，節(jié)點(diǎn)為鉸接連接。由于石材庫網(wǎng)架整體結(jié)構(gòu)相對于其下的混凝土框架結(jié)構(gòu)，抗側(cè)剛度差異較大，故將混凝土框架結(jié)構(gòu)視為上部鋼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，計算時僅建立上部鋼結(jié)構(gòu)整體模型。如前述，屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值按照0.3 kN/m2及0.5 kN/m2分別進(jìn)行驗算。荷載組合工況共計12種。

3.2 主要計算結(jié)論

屋面均布活荷載取0.3 kN/m2時，石材庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼柱側(cè)移、網(wǎng)架下弦節(jié)點(diǎn)撓度、各類構(gòu)件現(xiàn)有截面規(guī)格均可滿足正常使用及極限承載力要求;屋面均布活荷載取0.5 kN/m2時，石材庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼柱側(cè)移、網(wǎng)架下弦節(jié)點(diǎn)撓度可滿足正常使用要求;除6根上弦桿件存在超限(最大應(yīng)力比達(dá)到1.11)外，其余各類構(gòu)(桿)件均可滿足極限承載力要求。

屋面均布活荷載分別取0.3 kN/m2，0.5 kN/m2時，展廳網(wǎng)架結(jié)構(gòu)鋼柱側(cè)移、網(wǎng)架下弦節(jié)點(diǎn)撓度、各類構(gòu)件現(xiàn)有截面規(guī)格均可滿足正常使用及極限承載力要求。

應(yīng)注意的是:1)在理論計算中柱腳認(rèn)定為固定端，而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)柱腳構(gòu)造措施難以達(dá)到理論計算中的剛性連接的要求，因此宜對結(jié)構(gòu)柱腳進(jìn)行加強(qiáng)，使其成為剛性柱腳。2)當(dāng)屋面均布活荷載取0.5 kN/m2時，石材庫網(wǎng)架及展廳網(wǎng)架上弦部分受壓桿件的穩(wěn)定應(yīng)力比達(dá)到0.95 ～0.99，已非常接近限值1.0。

4 結(jié)構(gòu)加固處理措施

4.1 石材庫網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)

對于石材庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，為改善其鋼柱柱腳構(gòu)造薄弱的現(xiàn)狀，可對所有鋼柱柱腳(24根)采用外包混凝土的方法進(jìn)行加強(qiáng)。為改善該結(jié)構(gòu)整體抗側(cè)剛度較小的現(xiàn)狀，應(yīng)在鋼柱間增加鋼支撐，并在鋼柱柱頂用剛性系桿進(jìn)行連接。石材庫網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加固具體做法如下。

4.1.1 柱腳外包混凝土

從原混凝土框架柱頭起，外包混凝土柱高度為600mm，采用C30細(xì)石混凝土，縱筋為12Φ20，箍筋為 φ8@100，縱筋在底部彎成直角與端板焊接，采用角焊縫，焊角高度不小于10mm，直角平直段不小于60mm，外包混凝土范圍內(nèi)鋼管壁上加焊抗剪栓釘，間距為100。施工及質(zhì)量驗收按有關(guān)混凝土規(guī)范進(jìn)行。

圖3 柱間增加支撐及剛性系桿位置

4.1.2 增設(shè)鋼支撐及剛性系桿

鋼支撐及剛性系桿增加位置見圖3，支撐采用人字支撐。圖3中黑實線位置表示增加鋼支撐，黑虛線位置表示增加剛性系桿，鋼支撐及剛性系桿形式及規(guī)格見圖3，鋼材采用Q235，各桿件之間的連接構(gòu)造施工應(yīng)符合有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求。

4.2 展廳網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)

對于展廳網(wǎng)架，考慮到其鋼柱柱腳同基礎(chǔ)澆筑在一起，且地面采用水磨石剛性地面，可認(rèn)為展廳鋼結(jié)構(gòu)柱腳情況優(yōu)于石材庫鋼結(jié)構(gòu)柱腳;展廳網(wǎng)架支承鋼柱外側(cè)另立有鋼柱，且二者之間有橫向聯(lián)系，一定程度上提高了網(wǎng)架鋼結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度。因此，對展廳網(wǎng)架柱腳可不進(jìn)行加固，但在無聯(lián)系的鋼柱之間應(yīng)增加水平剛性系桿及支撐，圖4中黑線處為上下十字支撐，黑虛線處為剛性系桿。支撐形式見圖5，剛性系桿、支撐規(guī)格及節(jié)點(diǎn)連接做法同石材庫網(wǎng)架。

圖4 展廳網(wǎng)架支撐與剛性系桿位置

圖5 支撐形式

5 結(jié)論及建議

本文提出的加固處理措施主要從提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度和空間作用加固考慮，鑒于原設(shè)計中網(wǎng)架不上人屋面均布活荷載取值偏小，本文建議對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝修時，宜采用輕質(zhì)裝修材料，網(wǎng)架下弦可不吊頂，以盡量減小屋面荷載。在結(jié)構(gòu)使用中遇到大雪大風(fēng)天氣及維修更換屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)時，應(yīng)特別注意網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全。

［1］ GB 50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［2］ GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］ JGJ 7-91，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程［S］.

［4］ 謝 東，張樹勛.某網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安全性檢測與評價［J］.山西建筑，2010，36(17):46-47.