增層改造對(duì)某商場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)安全性影響分析

王 博

（隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

0 引言

既有建筑在使用過(guò)程中，為了滿足建筑功能的需要，在相關(guān)程序允許的情況下，可對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行改擴(kuò)建，但必須在改造前后進(jìn)行鑒定。本文以某鋼筋混凝土框架商場(chǎng)頂部增加一層門(mén)式剛架為工程實(shí)例，首先對(duì)原混凝土結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量、損傷及變形等現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，其次創(chuàng)建增層改造前后結(jié)構(gòu)模型，最后通過(guò)對(duì)比計(jì)算結(jié)果分析增層改造對(duì)該商場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)安全性的影響。

1 工程概況

該商場(chǎng)建造于 2014 年，地下 1 層、地上 3 層，平面布置呈“一”字形，長(zhǎng) 43.0 m，寬 34.6 m，改造前建筑面積為 5 951.2 m2，地下 1 層為超市，1～3 層為商場(chǎng)。該商場(chǎng)采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下 1 層層高 4.9 m，1～3 層層高均為 4.8 m，室內(nèi)外高差0.3 m，原結(jié)構(gòu)主體高度為 14.7 m。地下 1～3 層結(jié)構(gòu)平面布置如圖 1 所示。該商場(chǎng)所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為 7 度（0.15 g），第三組，Ⅱ類場(chǎng)地，Tg=0.45 s；抗震設(shè)防分類為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防（丙）類。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為 50 年，框架抗震等級(jí)為三級(jí)。結(jié)構(gòu)嵌固端取地下室頂板。基礎(chǔ)采用人工成孔灌注樁，樁端持力層為卵石層，建筑樁基設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)。混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)：框架柱及現(xiàn)澆梁均采用 C35，現(xiàn)澆板采用 C30；鋼筋等級(jí)：框架柱及現(xiàn)澆梁縱筋采用 HRB400 級(jí)，箍筋及現(xiàn)澆板受力鋼筋采用 HPB 300 級(jí)；鋼筋混凝土保護(hù)層厚度為：一類環(huán)境現(xiàn)澆板和混凝土墻 15 mm，框架柱和現(xiàn)澆梁 20 mm。根據(jù)業(yè)主提供的工程信息及圖紙可知，計(jì)劃在原有結(jié)構(gòu)頂層增加一層輕型鋼結(jié)構(gòu)作為電影院，新增輕型鋼結(jié)構(gòu)采用門(mén)式剛架，剛架柱及剛架梁均采用 H 型鋼，水平系桿采用圓鋼管，屋面支撐及柱間支撐均采用等肢角鋼，材料強(qiáng)度等級(jí)均為 Q 235。門(mén)式剛架跨度為18.6 m、15.6 m，檐口高度為 7.7 m，屋脊高度為 8.63 m，結(jié)構(gòu)平面布置如圖 2 所示。剛架柱底采用鉸接，與下層鋼筋混凝土框架柱上下對(duì)齊。

圖1 地下1～3 層結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

圖2 頂層新增門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)平面布置示意圖（單位：mm）

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2.1 原結(jié)構(gòu)布置核查

根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］的規(guī)定，依據(jù)業(yè)主提供的竣工圖紙，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該商場(chǎng)原結(jié)構(gòu)實(shí)際布置情況進(jìn)行核查，并對(duì)層高、軸距進(jìn)行檢測(cè)。核查及檢測(cè)結(jié)果表明，該商場(chǎng)原結(jié)構(gòu)布置符合圖紙要求，層高及軸距均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 地基基礎(chǔ)

根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，首先查閱該商場(chǎng)地基基礎(chǔ)檢測(cè)相關(guān)資料，結(jié)果表明，該商場(chǎng)樁基礎(chǔ)端部施工至持力層，單樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求且樁身完整。根據(jù) GB 50292－2015《民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)》［2］的規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)采用水準(zhǔn)儀對(duì)該商場(chǎng)相鄰柱基間相對(duì)沉降量進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行檢查。檢測(cè)結(jié)果表明，該商場(chǎng)相鄰柱基相對(duì)沉降量滿足 GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］規(guī)定的限值要求，且上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)因地基變形引起的裂縫、變形等反應(yīng)。

2.3 上部結(jié)構(gòu)檢測(cè)

2.3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

因現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，該商場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件齡期已超過(guò) 1 000 d，不滿足間接測(cè)強(qiáng)方法—回彈法的適用條件。根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，該商場(chǎng)混凝土構(gòu)件強(qiáng)度檢測(cè)時(shí)，采用鉆芯修正的方式，對(duì)回彈法檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。根據(jù)規(guī)范規(guī)定并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，每層隨機(jī)選擇 12 個(gè)梁或柱構(gòu)件鉆取芯樣，加工后的混凝土芯樣如圖 3 所示。并對(duì)修正后的混凝土強(qiáng)度按檢驗(yàn)批進(jìn)行評(píng)定。檢測(cè)結(jié)果表明，該商場(chǎng)地下 1 層～3 層混凝土構(gòu)件強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 混凝土芯樣

2.3.2 截面尺寸及變形檢測(cè)

根據(jù) GB/T 50784－2013《混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該商場(chǎng)混凝土構(gòu)件截面尺寸、混凝土梁和板跨中撓度、混凝土柱垂直度分別進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，混凝土構(gòu)件截面尺寸偏差及構(gòu)件變形均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2.3.3 外觀質(zhì)量缺陷檢查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，未發(fā)現(xiàn)該商場(chǎng)混凝土構(gòu)件有裂縫、蜂窩、露筋、孔洞、夾渣和缺棱掉角等外觀質(zhì)量缺陷。

3 建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

依據(jù)業(yè)主提供的原結(jié)構(gòu)圖紙及新增鋼結(jié)構(gòu)圖紙，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果，采用盈建科軟件分別創(chuàng)建改造前后的結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型如圖 4 所示。原混凝土結(jié)構(gòu)荷載、結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸及材料強(qiáng)度值均按原設(shè)計(jì)取值。增層改造后模型中三層頂板活荷載按 GB 50009－2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［4］影院活荷載 3.0 kN/m2選取，新增鋼結(jié)構(gòu)屋面活荷載取 0.3 kN/m2，電影院階梯座位恒荷載經(jīng)折算后按集中荷載施加至原結(jié)構(gòu)屋面主梁上。門(mén)式剛架通過(guò)軟件特殊構(gòu)件定義為門(mén)式剛架柱及門(mén)式剛架梁。根據(jù) GB 51022－2015《門(mén)式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》［5］的規(guī)定，阻尼比取 0.035。

圖4 增層改造前后結(jié)構(gòu)整體模型

4 增層改造對(duì)主體結(jié)構(gòu)安全性影響分析

4.1 上部承重結(jié)構(gòu)影響分析

通過(guò)對(duì)該商場(chǎng)增層改造前后上部承重結(jié)構(gòu)計(jì)算控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力以及抗震構(gòu)造措施三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，分析增層改造對(duì)上部承重結(jié)構(gòu)的影響。

4.1.1 整體計(jì)算控制參數(shù)對(duì)比及影響分析

1）主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，分別給出增層改造前后混凝土部分振動(dòng)周期、剪重比及層間位移角參數(shù)，具體如下。

表1 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的振動(dòng)周期（秒）、X，Y 方向的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)（增層前模型）

表2 考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)時(shí)的振動(dòng)周期（秒）、X，Y 方向的平動(dòng)系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)（增層后模型）

①振動(dòng)周期。對(duì)改造前后兩個(gè)模型分別進(jìn)行了模態(tài)分析，兩個(gè)模型在各階振型下，周期及參與系數(shù)見(jiàn)表 1 和表 2 所示。

②剪重比。在考慮地震作用下，改造前后兩個(gè)模型各樓層 X 向和 Y 向樓層剪重比如表 3 和表 4 所示。

表3 各層 X、Y 方向的作用力（改造前）

表4 各層 X、Y 方向的作用力（改造后）

③層間位移角。在考慮強(qiáng)制剛性樓板假定，不考慮偶然偏心的影響下，改造前后兩個(gè)模型的 X 向和 Y 向樓層最大層間位移角如圖 5 所示。

2）對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)比該商場(chǎng)增層改造前后整體結(jié)構(gòu)計(jì)算控制參數(shù)，分析結(jié)構(gòu)改造對(duì)各項(xiàng)控制參數(shù)的影響程度。具體對(duì)比情況如表 5 所示。

圖5 改造前后結(jié)構(gòu)樓層層間位移角對(duì)比

表5 上部承重結(jié)構(gòu)整體計(jì)算控制參數(shù)對(duì)比結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，該商場(chǎng)增層改造后對(duì)整體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)計(jì)算控制參數(shù)存在較大程度影響，結(jié)構(gòu)周期比不滿足規(guī)范要求，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則，其余各項(xiàng)參數(shù)仍符合規(guī)范限值規(guī)定。

4.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力對(duì)比及影響分析

通過(guò)對(duì)比改造前后混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算配筋量，分析增層改造對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力的影響程度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，增層改造后結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件計(jì)算鋼筋量有所增大，但混凝土構(gòu)件實(shí)配鋼筋量仍滿足計(jì)算要求，即結(jié)構(gòu)增層改造后未造成混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力不足。

4.1.3 抗震構(gòu)造措施對(duì)比及影響分析

根據(jù) GB 50011－2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（2016 年版）［6］的規(guī)定，對(duì)改造前后混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施進(jìn)行對(duì)比。增層后，該商場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)高度增加為 22.9 m，＜60 m。因此，改造后框架抗震構(gòu)造措施的抗震等級(jí)仍為三級(jí)，未發(fā)生變化。以底層框架柱軸壓比為例，如圖 6 和圖 7 所示，框架柱最大軸壓比由 0.48 增加為 0.60，小于規(guī)范限值 0.85。對(duì)比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)增層改造對(duì)抗震構(gòu)造措施造成了一定影響，但仍滿足規(guī)范規(guī)定。

圖6 改造前模型底層豎向構(gòu)件軸壓比

圖7 改造后底層豎向構(gòu)件軸壓比

4.2 地基基礎(chǔ)影響分析

經(jīng)復(fù)核，該商場(chǎng)增層改造后樁基承載力仍滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)樁基承載力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合樁基礎(chǔ)相關(guān)工程資料以及現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，上部結(jié)構(gòu)增層及變更未對(duì)樁基礎(chǔ)造成影響，樁基礎(chǔ)仍能滿足承載力要求。

4.3 門(mén)式剛架構(gòu)件承載力計(jì)算復(fù)核

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，門(mén)式剛架梁正應(yīng)力強(qiáng)度與抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的最大比值為 1.16，門(mén)式剛架柱正應(yīng)力強(qiáng)度與抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的最大比值為 1.13，鋼柱 X 向穩(wěn)定應(yīng)力與抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的最大比值為 1.15，不滿足規(guī)范規(guī)定的構(gòu)件承載力要求。經(jīng)過(guò)重新復(fù)核計(jì)算，在鋼構(gòu)件材料強(qiáng)度采用 Q345 級(jí)時(shí)，各構(gòu)件承載力均能滿足要求。

5 結(jié)論及建議

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及復(fù)核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，該商場(chǎng)增層改造后對(duì)地基基礎(chǔ)未造成影響，但對(duì)上部整體結(jié)構(gòu)各項(xiàng)控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力及結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施均造成一定影響。改造后除結(jié)構(gòu)周期比不滿足規(guī)范規(guī)定造成扭轉(zhuǎn)不規(guī)則外，其余各項(xiàng)指標(biāo)仍能滿足規(guī)范相關(guān)規(guī)定。經(jīng)綜合分析，該商場(chǎng)增層改造后對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)安全性造成一定影響，新增門(mén)式剛架構(gòu)件承載力不滿足規(guī)范要求。

建議業(yè)主對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行加固，對(duì)新增門(mén)式剛架通過(guò)增大鋼構(gòu)件截面或提高材料強(qiáng)度等方式進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。