上海某酒店木結構遷建古宅結構設計

摘 ? ?要：上海某酒店木結構古宅屬遷建工程，原結構為傳統的硬山式穿斗木構架承重單層結構，按新的建筑使用功能要求，結構體系有了很大的變化。本文對照木結構的規范要求，判斷新的結構體系下，木結構布置和節點構造落實的可行性。采用3D3S和SAP2000程序對多個結構方案進行計算，分析比較在地震力、風荷載作用下，結構的位移和基地剪力在木結構和鋼框架之間分配，從中選擇出合理的結構方案，并做了節點設計和鋼框架與圍護墻之間關系的問題研究，最后根據專家意見作了調整，使得遷建古宅的結構設計安全可行。

關鍵詞：遷建木結構;多方案比較計算;問題研究和專家意見

1 ? 工程概況

本項目26個院落中存在利用傳統舊建筑材料建造的木結構古宅，古宅屬遷建工程，原為江西民居，建于清代末年。原結構為傳統的硬山式穿斗木構架承重單層結構，外圍有空斗墻體作為圍護結構。屋架體系基本為雙坡屋面，局部有單坡屋面。根據原屋架結構的平面布置，可將古宅木構架分為上堂、正堂和下堂三個單體結構，局部有夾層。兩側有排山架，局部存在硬山擱檁的情況。上堂為單坡屋面，屋架擱置于外圍空斗墻，木柱均直接置于石柱礎上。

2 ?建筑改建需求及結構改造設計

按新的建筑使用功能，在古宅下方增加一層地下室，用于辦公、儲藏及設備用房。地下室采用鋼筋混凝土框架結構，木柱通過石柱礎立于混凝土梁上，柱腳為鉸接。一層平面在保持屋面形態不改動的前提下，為滿足一定的舒適性和實用性，在下堂將兩榀屋架整體向兩側移動，布置兩個對稱的房間。移動后中間檁距過大，利用內隔墻新增一榀木屋架。正堂兩榀屋架拔除三根中柱，以獲得較開敞的室內空間，遵從原穿斗屋架的形式重新設計拔柱后的屋架，對于內力大的構件，適當增大其截面用新木材替換，或采用鋼構件替換。

3 ?規范要求及本項目中對應落實可行性

結構布置的要求對應的落實情況中，滿足《木結構設計規范》[1]的有三項，不滿足的有四項，一項因對原結構布置改動較大，需補充抗震驗算。節點構造的要求對應的落實情況中，滿足木結構設計規范的有三項，不滿足的有一項。

4 ?多個結構方案的對比研究

4.1 ?方案A：穿斗木屋架結構

4.2 ?方案B：穿斗木屋架-鋼支撐結構

4.3 ?方案C：外套鋼框架的穿斗木屋架結構

4.4 ?各方案在地震作用下的水平位移

本工程采用3D3S程序進行計算，并用SAP2000程序進行復核計算。計算結果顯示，單純為木框架的方案A剛度較弱，在水平地震力作用下的側向位移不能滿足規范1/250的限值，增加了交叉支撐或鋼框架后，隨著剛度的提高，方案B、方案C的水平位移均能滿足規范要求。

4.5 ?方案C在風荷載作用下的水平位移

在水平風力作用下，結構的頂點位移與地震作用下相當

4.6 ?方案C地震剪力在木構架和鋼框架之間的分配

計算結果顯示，從基底剪力的分布情況可見，水平地震力在兩個方向都主要由鋼框架承擔，木框架在方案C中以承受豎向力為主。

4.7 ?方案比選結論

方案A 木結構屋架在靜加活重力荷載組合下，柱以軸心受壓為主。在水平地震荷載的作用下，側向位移遠大于規范限值。同時，水平力導致構件出現彎矩，較多構件內力的強度應力和穩定應力超出了構件承載力。需增強結構中抗側力體系。

方案B 交叉斜撐的布置大大提高了結構抗側剛度，結構側向位移可控制在規范限值之內。在側向荷載作用下，柱內力以軸力為主。本方案是一個合適的結構體系，但是對建筑使用功能有很大的影響。

方案C采用外圍鋼框架加強木結構，能明顯約束木結構的水平位移，使結構位移角明顯減小，故確定選用方案C作為古宅的結構體系。結構設計中需采取可靠措施增強鋼柱與木柱的連接。

5 ?節點設計

5.1 節點設計一：加強梁柱連接，增加結構冗余度

5.2 ?節點設計二：加強梁柱連接，增加結構冗余度

5.3 ?節點設計三：增強柱腳節點，傳遞水平剪力

5.4 ?節點設計四：外圍鋼框架與內部木結構的連接

5.5 ? 節點設計五：鋼框架柱腳節點

6 ?問題研究—鋼框架與圍護墻的關系

6.1 ?鋼框架與圍護墻體脫開或是拉結兩種設計的優劣對比

7 ?專家咨詢會意見概要

（1）建議對每根將利用的木材，均應該進行檢查，包括對拆除的原木構件及節點的材質、變形、腐爛、蟲蛀、裂縫等。

（1）建議本次仿古房屋主要依據《木結構設計規范》[1]和《建筑抗震設計規范》[2]中的第11章進行設計，《輕型木結構建筑技術規程》[3]可作為參考。

（2）關于抗震變形驗算，建議可控制在1/150左右、建議節點按照半剛接考慮。

（3）建議本次設計在方案A的基礎上，按照7度抗震設防完善相應的抗震措施。

（4）《建筑抗震設計規范》[2]已明確在設防區停止采用空斗墻，建議改為實體墻，在木構架立柱處設構造柱與木柱間以鋼構件柔性連接。

（5）承載力設計可采用50年的基準期的各參數，但由于原木構件使用早已超過50年，文件中是否再提50年的使用年限，可再斟酌。

8 ?基于方案A 穿斗木屋架的結構體系調整和計算

（1）由于層間位移角限值放松，不需再通過外圍鋼框架控制木構架側移。因此，將外圍鋼框架與木構架脫開，外圍鋼框架抵抗風荷載，木結構承擔屋面的重力荷載，承擔重力荷載代表值下的地震力，計算外圍墻在水平力作用下的側向位移，計算結果最大層間位移和最大頂點位移在風荷載和地震力作用下均滿足規范要求。

（2）節點按半剛接考慮，計算模型中，采用兩種方式實現榫卯節點半剛接的模擬。

模型1 ：梁截面按實際尺寸輸入，梁端設鉸，選取1/3左右的節點設為剛接，以成為幾何不變體系，同時模擬半剛接的實際剛度。

模型2 ：梁截面按1/2實際尺寸輸入（相當于榫卯尺寸），所有梁端設為剛接，模擬半剛接的實際剛度。

兩種計算模型在同樣的荷載作用下，側向位移基本一致，模型1中兩端鉸接的梁內力與模型2中的同位梁計算結果基本一致。

計算模型均采用模型2 ，按此內力結果確定所需構件截面。

9 ?結論

本工程屬于結構體系較為特殊的改建建筑。比較分析并論證了多種結構方案的可行性，經過合理地布置，對重要構件及體系中各薄弱部位分別加強，采用3D3S和SAP2000兩種計算軟件進行詳細的分析計算，使得結構抗震設計安全可行。

參考文獻：

[1] GB 50005—2003（2003版）.木結構設計規范[S].

[2] GB 50011—2010（2016版）.建筑抗震設計規范[S].

[3] DG/T 08-2059-2009.輕型木結構建筑技術規程[S].

作者簡介：

武蓮霞， 高級工程師，碩士，一級注冊結構工程師。