采用貼建鋼結構的某砌體宿舍樓更新設計

賈媛媛 朱玉佼 李雪 薛榮剛

1.北方工程設計研究院有限公司 石家莊050021

2.河北建研工程技術有限公司 石家莊050021

引言

隨著我國經濟的高速發(fā)展，城市在不斷更新，一些既有建筑在建筑面積和功能上已不能滿足人們日益增長的需求。而拆除舊建筑、建造新建筑的工程量大、周期長、造價高，因此既有建筑改擴建是一個很好的選擇，其有周期短和經濟、環(huán)保的優(yōu)勢。

改擴建工程中最關鍵的是結構方案的選擇。結構方案合理與否直接關系到既有建筑改擴建工程的成敗，不合理的結構方案會造成改造成果不理想，影響正常使用，嚴重的還會影響結構的安全［1］。本文以某學員宿舍樓為例，對砌體結構改擴建的結構方案選擇進行了探討，對貼建工程如何與原結構脫開及上部結構整體穩(wěn)定性等技術難點進行了分析研究。

1 工程概況

某學員宿舍為地上五層砌體結構，屋（樓）面板主要采用預制板，墻下條形磚基礎，約建于1980年，建筑東西總長約為65m，南北總寬約為13.2m，總建筑面積約為4457m2。為改善學員陽臺條件，改擴建設計在原建筑物南、北側新增開間同原結構、進深為2.15m，作為學員宿舍的衛(wèi)生間。擴建改造后總建筑面積為5398.3m2，擴建部分與原建筑平面關系見圖1。

圖1 擴建部分與原建筑平面關系Fig.1 Plan relation between expansion part and original building

根據該建筑物的檢測鑒定報告，該建筑物部分墻體存在裂縫，裂縫寬度介于0.22mm～0.56mm之間；原磚砌條形基礎截面尺寸偏差不滿足規(guī)范［2］要求；原混凝土梁多數不滿足規(guī)范［2］關于強度最低值的要求，其截面尺寸偏差不滿足規(guī)范［2］要求；個別墻體受壓承載力不滿足規(guī)范［2］要求。

2 方案比選

若擴建部分采用框架結構，砌體結構與框架結構為一個整體結構體系混合、傳力不明確［3］。

若擴建部分采用砌體結構與原砌體相連，結構形式不變，需將原結構進行整體抗震加固、抗震構造措施加固及損傷部位修復［4］，原有磚砌條形基礎因荷載增大，原承載力不足，尚需對基礎進行加固。原建筑基礎已沉降穩(wěn)定，新舊基礎相連會出現不均勻沉降，進而引起墻體開裂等不利影響，且新增部分基礎持力層落在2層土黃土狀粉質黏土，該層土具有Ⅰ級（輕微）非自重濕陷性，承載力較低，工程性質欠穩(wěn)定。

建設單位要求擴建改造設計的結構方案合理、經濟，且改擴建施工時須保證原學員宿舍正常使用。

綜合以上分析，最終確定采用擴建部分與原建筑物各成體系的貼建鋼結構方案。該方案不改變原砌體結構構件尺寸和受力狀態(tài)，原砌體結構外墻厚度370mm，與貼建外墻預留變形縫寬度為100mm［4］。為減輕上部結構重量，采用鋼框架結構，外墻采用輕質外掛墻板。為增加貼建結構整體性，每隔一跨布置柱間支撐。

3 貼建改造設計的難點

3.1 貼建基礎的設計

樁基礎設計的問題主要在于貼建部分基礎與原磚砌條形基礎相互脫離、互不干擾，二者分別受力。該項目通過設置主樁主要承受柱下軸向壓力，主副樁共同抵抗柱底彎矩，各樁基承臺之間用300mm×600mm現澆混凝土連梁連為整體，承臺底標高與原條基底標高相同，避免施工時對原條基的擾動。樁基礎與原房屋外墻條形基礎的相對位置關系見圖2?；A形式采用樁基礎，樁基可穿越濕陷土層，持力層落在承載力較高的土層上，豎向變形較小。由于新增樁距離原建筑物較近，大型成孔機械無法施工，且為了避免施工對原磚砌條形基礎的擾動，主樁成孔方案采用人工成孔，距離原建筑墻邊稍遠的副樁可選用機械成孔［5］。

3.2 貼建鋼結構的抗傾覆設計

貼建建筑的高度為17.98m，進深較小為2.05m，高寬比為8.77，大于7度地區(qū)高寬比限值6.5。用盈建科建筑結構設計計算模塊A2.0.3建立的僅有貼建部分的鋼結構計算模型，該模型計算結果在Y向風荷載、Y向地震作用工況下零應力區(qū)分別為91.73%、100%，不滿足《建筑抗震設計規(guī)范》［4］4.2.4條高寬比大于4的建筑，基礎底面不宜出現零應力區(qū)的要求。

圖2 樁基與原磚砌條基相對位置關系Fig.2 Relative position of pile foundation and original brick strip foundation

為防止貼建部分發(fā)生傾覆，每層均在鋼框架節(jié)點處與原砌體結構間設置連接件進行拉結。為確保貼建鋼結構與原砌體結構在豎向自由變形、互不影響，即貼建部分豎向變形不影響原條基的沉降穩(wěn)定，將連接件豎向螺栓孔設置為長圓孔；在水平方向協同工作，連接件上設置長圓孔允許有一部分水平位移，超出設置的水平位移限值后，新老建筑在水平方向共同作用，見圖3。

圖3 抗傾覆連接節(jié)點Fig.3 The connection node of anti overturning

4 貼建鋼結構抗傾覆整體驗算

貼建鋼結構與原砌體結構協同工作，不傳遞豎向力及彎矩，只傳遞Y向風荷載作用下或地震作用下的水平力，采用盈建科建筑結構設計計算模塊A2.0.3建立貼建鋼結構與砌體結構的整體計算模型，設置短梁連接新舊建筑，梁端設置為鉸接，驗算在Y向風荷載及Y向地震工況作用下原砌體結構的抗震計算結果。

圖4為整體模型底層抗震計算結果。砌體結構部分抗震計算結果均大于1，滿足《建筑抗震設計規(guī)范》要求［4］，保證該貼建鋼結構方案不對原砌體結構的安全產生影響，并且達到了避免貼建鋼結構傾覆的目的。貼建部分鋼結構單獨建立模型進行常規(guī)分析和設計。

圖4 整體模型底層抗震計算結果Fig.4 Seismic calculation results of the bottom layer of the whole model

5 結語

1.貼建鋼結構的寬度小，基礎采用主樁與副樁結合的方式，該種形式樁基礎受力穩(wěn)定，且能與原基礎脫離，不影響原條基。

2.貼建鋼結構高寬比較大，采取抗傾覆措施。新舊建筑設置只傳遞水平荷載的連接節(jié)點，在豎向自由變形，在水平向協同工作。

3.貼建鋼結構與原結構脫離、各成體系，不影響原結構的受力狀態(tài)，施工過程不影響原建筑的使用，滿足使用需求。