某排架廠房改幼兒園項目的結構設計與施工

費紅專，陳信堂

(1.六安長城鋼結構有限公司，安徽 六安 237000； 2.安徽建筑大學，安徽 合肥 230022)

1 工程概況

六安市金安區某服裝廠廠房為單層排架結構房屋,2007年設計，2008年建成投入使用。該房屋建筑面積約600 m2，柱距6 m，跨度16.8 m，檐口標高6.4 m，屋脊標高7.37 m，雙坡屋面，坡度約5%。排架柱為鋼筋混凝土帶牛腿柱，牛腿標高5.9 m；屋蓋系統由焊接H型鋼大梁、C型鋼檁條和彩鋼板組成的輕型鋼結構屋蓋，簡支于牛腿上。2017年,業主擬將該廠房改為幼兒園，為了增加建筑面積，在室內增加鋼筋混凝土柱，柱頂安裝H型主鋼梁，主梁之間焊接H型鋼次梁，上面鋪壓型鋼板，并以此為模板再配筋、澆筑樓板。改建后變為二層建筑，二樓標高為3.4 m。一、二層原始柱平面圖見圖1。根據當地教育主管部門要求，申請開辦幼兒園時需要對房屋進行抗震鑒定，鑒定結果合格方能走下一步審批手續。然而業主自行改造時并未經過正規設計，也沒有委托有資質的施工企業施工，故存在諸多問題，需要經過檢測評定、抗震加固設計、加固施工、竣工驗收等完整的技術改造流程。

2 抗震鑒定

根據教育主管部門文件精神，對抗震鑒定不合格的房屋經加固設計、施工并驗收合格后，可視為滿足抗震鑒定標準。因此，首先對房屋進行抗震檢測評定。根據GB 50023—2009建筑抗震鑒定標準，該房屋為C類，后續使用年限為50 a，按照現行抗震設計規范進行鑒定，經鑒定發現本房屋結構存在如下主要問題：

1)該房屋原來是單層廠房，抗震設防類別為丙類，現在改為幼兒園，屬于民用建筑，根據現行《建筑工程抗震設防分類標準》，幼兒園建筑屬于重點設防類(乙類)，抗震能力要求比丙類民用建筑高一個檔次[1]。

2)原廠房為單跨排架結構，無論是原屋面鋼梁，還是新增夾層的鋼梁，其與混凝土柱之間的連接方式全部為鉸接，既不符合重點設防類結構體系要求，也不符合框架剛節點構造要求。

3)東西邊跨上只有山墻，屋面沒有大梁，檁條直接支承在山墻上，豎向傳力構件剛度差距巨大，結構體系混亂。

根據房屋現狀詳細調查，新增夾層存在下列主要問題：

1)新增鋼筋混凝土中柱下面剛性基礎尺寸過小。緊貼原混凝土邊柱內側也增設了混凝土柱(夾層主鋼梁支承在柱頂)，但二者各自獨立，沒有聯系；新增中柱沒有延伸到屋頂，導致二層仍然是單跨排架結構，且剛度突變巨大。

2)夾層主鋼梁簡支在新增混凝土頂部，支座構造不滿足要求。

3)新增鋼次梁截面大小不一，與主梁之間全部采用焊接，且焊縫質量極差。

由此可見，原結構和改造后的結構都嚴重不滿足現行《建筑抗震設計規范》，需要全面加固。

3 加固設計思路

針對上述問題，首先要改變結構體系，增加結構冗余度，最易實現的是將中柱延伸到屋頂鋼梁底部，如此既能改變結構體系，又對鋼梁受力有利。但是中柱延伸到頂的唯一辦法是擴大截面，縱筋需穿過夾層樓板、繞過夾層鋼梁，此方案需要澆筑混凝土，濕作業長，工序復雜，自重增加較大，基礎加固費用也高。

也可換一種思路，在原混凝土柱外圍采用干式包角鋼，形成格構柱式柱，邊柱包鋼直到柱頂；中柱在底層包鋼，二層雖然沒有混凝土柱但是格構柱仍然延伸到屋頂鋼梁底部，與之鉸接。東西山墻內側屋面各增加一道大梁，設置角鋼檁托，托住檁條，實現山墻變為圍護墻的轉變，從而理順結構體系。如此一來，可作為二層多跨鋼框架結構進行分析。

經過技術經濟和工期綜合比較，按照第二種思路進行加固設計。

4 加固設計方案

4.1 基礎加固設計

通過查閱原地質勘察報告，并現場開挖，發現本建筑場地地質條件很好，開挖1 m就到達堅硬的夾砂黏土，基礎加固比較簡單可行。一方面，通過在內側加大原邊柱下鋼筋混凝土獨基，并將外包角鋼埋入新增混凝土內，更有利于角鋼根部達到嵌固效果，傳力可靠。另一方面，將中柱下面的混凝土剛性基礎加寬加高，鑿毛原基礎外表，通過植筋增加新舊混凝土之間的連接。同理，外包角鋼直接埋入新增混凝土中。

4.2 柱加固設計[2]

邊柱和中柱均采用包角鋼、焊接綴板的方式進行加固。根據構造要求和地震作用剪力的分布特征，綴板間距需區分加密區和非加密區，綴板與角鋼的連接采用三面角焊縫。對于一層的邊柱，角鋼和綴板系統要把新舊混凝土柱“捆綁”在一起，所以綴板應加大。由于邊柱上部屋面梁位置有牛腿，上下柱截面有變化。鑒于一層內側又增加了一部分，所以新的邊柱自下而上截面減小兩次，外包角鋼時，為了豎向傳力可靠，應采用附加斜鋼板過渡。邊柱加固詳圖如圖2所示。

中柱外包角鋼形成格構柱，延伸到屋面鋼梁底部，將二層單跨鋼梁改為三跨，大大降低鋼梁的應力和撓度。中柱加固詳圖見圖3。

4.3 夾層鋼梁加固設計

經計算，原主鋼梁的承載力和撓度均不滿足規范要求，可采用加高截面的方法加固。在主梁下翼緣焊接倒T型鋼，采用對接焊縫，焊縫要達到一級焊縫質量要求。

由于原次鋼梁大小不一，與主梁連接極差，計算應力和撓度均超限，且數量較多，若采用加固原鋼梁的方法，則成本過高，故忽略原次梁作用，在原次梁之間增加一道次梁，新次梁截面尺寸按計算定，在主梁上焊連接板，通過高強螺栓實現次梁與主梁之間的鉸接。

東、西山墻內側增加的屋面大梁支承于原混凝土柱，托住檁條。新增大梁與山墻之間留約50 mm寬縫隙，原檁條是直接擱置在山墻上的，需沿著縫隙切斷檁條，這樣山墻上承受的檁條荷載直接轉移到鋼梁上。

4.4 梁柱節點設計[3-4]

如何確保改造后的結構能夠基本符合鋼框架的受力特性，節點的設計是關鍵環節之一。本結構鋼梁簡單擱置在混凝土柱頂或牛腿頂面，梁端轉動與水平滑動完全自由，改造成框架結構就要將節點改為剛節點或半剛節點，難度較大。柱腳節點采用埋入式，滿足剛性節點條件。一層柱頂與主鋼梁節點域處理難度較大，根據實際條件，只能改造成半剛性節點。具體做法是：在節點域采用加厚、加寬鋼板代替綴板，將主梁的上下翼緣、腹板全部與鋼板焊接，然后將節點域范圍的角鋼、鋼板和混凝土柱之間的縫隙灌注改性環氧樹脂結構膠，借助混凝土柱的剛度增加節點域的抗彎剛度。中柱截面較小，且一層格構柱內包混凝土柱，二層純粹是格構柱，為了減少剛度突變，縫隙可留置，無需灌膠，但是要做好防腐處理。中柱在二層的頂部焊接一塊水平鋼板，將鋼梁下翼緣頂緊焊牢。

4.5 抗震構造加固設計

乙類設防建筑的填充墻通常應設置拉結筋，首先剔除墻體表面粉刷砂漿，沿墻高每500 mm處用小型工具剔除水平灰縫砂漿，深度不小于40 mm，沖洗干凈后，增設兩根φ6拉結筋；拉結筋塞入灰縫內，一端植入混凝土柱或焊接于外包型鋼上，確保順直；按產品說明書拌制高延性混凝土，并將其按壓、塞擠，使之填實灰縫，并包裹拉結筋，再在墻表面抹20 mm厚高延性混凝土。

5 加固改造施工

本工程應依次加固基礎、混凝土柱、鋼梁、墻體；加固鋼梁時，應先加固主梁，再安裝新增的次梁，加固既有次梁(主要是加固主、次梁節點焊縫)。現場焊接任務重，焊接質量直接決定該工程成敗。本工程采用二氧化碳氣體保護焊，施焊前做好臨時支撐。按照有關驗收規范規定對焊縫進行探傷檢測。

為了保證加固構件與原結構構件協同工作，必須做到如下三點：

1)必須處理好原框架柱和新增角鋼、鋼板的接觸面。接觸面上砂漿應全部鑿除，露出混凝土骨料并鑿毛，澆筑混凝土前應洗凈、清除松動的石子、砂漿塊，確保接觸良好。

2)在施工期間盡量減少施工荷載及振動，不得對原結構的安全產生不利影響。

3)高延性纖維混凝土原材料由水泥基材料及纖維組成，在現場用強制式砂漿攪拌機攪拌，攪拌時間不應少于10 min，每盤攪拌量應控制在規定的時間內抹完[5]。

6 結語

隨著經濟社會發展，越來越多的既有建筑面臨著使用功能的更新，對結構改造、加固提出新的更高要求。從技術、經濟、造價、社會效益綜合考慮，探索最優解決方案是結構設計師的初心使命。該排架廠房經增加夾層、加固后改為幼兒園，項目順利完成，已投入運營兩年，工作狀態良好，招生火爆，社會效益顯著。