城市既有建筑改造中鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

牛艷波，劉興明，孫國慶

（中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100176）

0 引言

我國部分城市中存在大量的老舊建筑，這些建筑的承載性能、抗震性能都已經(jīng)無法滿足當(dāng)前建筑的安全使用需求，因此，如何對(duì)城市中已有的老舊建筑進(jìn)行合理改造，成為建筑行業(yè)的研究熱點(diǎn)。

1 采用鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建筑加固的原理分析

1.1 加固原理

城市砌體結(jié)構(gòu)建筑中，無筋砌體結(jié)構(gòu)的豎向承載力、抗剪性能都相對(duì)較弱。在無筋砌體結(jié)構(gòu)建筑加固過程中，合理使用植筋、對(duì)穿螺栓連接、結(jié)構(gòu)膠等手段，充分利用圈梁與構(gòu)造柱結(jié)構(gòu)，把鋼格構(gòu)柱與建筑的圈梁和磚墻連接為一體，共同組成構(gòu)造柱；如果既有建筑缺少圈梁或者其承載性能過低，那么可以選擇使用鋼格構(gòu)梁對(duì)建筑砌體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的方法替代圈梁結(jié)構(gòu)。通過此方法加固磚墻，能提供兩種與構(gòu)造柱相同的作用：鋼格構(gòu)柱加固區(qū)域能夠同與之連接的圈梁傳遞部分豎向荷載；鋼格構(gòu)柱上下固接連接方式及其自身良好的抗彎剛度能有效地約束砌體變形，提升砌體整體性，控制縫擴(kuò)展，從而提升承載能力（見圖1）。

圖1 鋼格構(gòu)柱構(gòu)造示意

采用鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)加固的建筑，建筑墻體的豎向承載力基于鋼格構(gòu)柱優(yōu)秀的傳遞能力與整體框架的約束作用得到了顯著提升。與此同時(shí)，開裂墻體的剛度退化程度大大降低，既有建筑的破壞模式從脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變，使建筑的使用壽命得到延長。

1.2 既有建筑改造過程中砌體豎向承載力計(jì)算方法

在對(duì)砌體結(jié)構(gòu)既有建筑的改造過程中，通過增設(shè)鋼格構(gòu)柱在建筑中形成整體構(gòu)造柱，需要嚴(yán)格按照砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范開展相關(guān)計(jì)算與設(shè)計(jì)。

普通砌體結(jié)構(gòu)承載力能夠由式（1）計(jì)算得出。

式中：N表示建筑砌體的承載力設(shè)計(jì)值；φ表示砌體結(jié)構(gòu)高厚比及偏心距影響系數(shù)；f表示建筑砌體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A表示砌體的截面面積。

通過參考建筑砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的組合磚砌體結(jié)構(gòu)承載力設(shè)計(jì)值，如式（2）所示。

式中：φcom表示砌體穩(wěn)定系數(shù)；ηs表示鋼筋強(qiáng)度系數(shù)；fc表示混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Ac表示混凝土的截面面積；表示鋼筋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；表示受壓鋼筋截面面積。

考慮到本文所研究的既有建筑改造加固工程中，加固截面沒有運(yùn)用混凝土，所以在計(jì)算公式中應(yīng)該將混凝土承載力分項(xiàng)去除，因此，鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)在建筑砌體結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用的軸心受壓承載力設(shè)計(jì)值能夠通過式（3）計(jì)算獲?。?/p>

式中：ηs表示鋼格構(gòu)柱強(qiáng)度系數(shù)；表示鋼格構(gòu)柱豎向肢件抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；表示受壓鋼格構(gòu)柱豎向肢件的截面面積。

鋼格構(gòu)柱強(qiáng)度系數(shù)ηs的值和鋼格構(gòu)柱本身的穩(wěn)定性有著直接聯(lián)系，ηs的值與面層材料也有一定的關(guān)聯(lián)性。如果改造工程中使用細(xì)石混凝土面層，則ηs的值取1；如果改造工程中使用砂漿面層，則ηs的值取0.9。

在工程改造過程中，科學(xué)合理的改造方案能夠更好地控制鋼格構(gòu)梁柱的變形狀況，提升鋼格構(gòu)框架與砌體的連接可靠性。因此，在既有建筑工程項(xiàng)目改造加固施工中，混凝土強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)該不低于C20，選擇使用的聚合物砂漿強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)該高于M20，與鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接的鋼絲網(wǎng)需要和框架進(jìn)行焊接，同時(shí)還要使用直徑≥4mm的拉結(jié)筋對(duì)鋼絲網(wǎng)進(jìn)行對(duì)穿拉結(jié)。

為進(jìn)一步確保鋼格構(gòu)柱與地梁、圈梁之間連接的有效性，應(yīng)該采用緊密連接的方式，具體如下：地梁上植筋后上覆鋼板，穿孔塞焊后上表面找平，鋼格構(gòu)柱的豎向構(gòu)件與底部鋼板焊接。圈梁兩側(cè)通過對(duì)穿螺栓將10mm鋼板進(jìn)行拉結(jié)，鋼板與豎向角鋼通過對(duì)穿螺栓、綴條焊接，鋼格構(gòu)柱的豎向鋼板與圈梁側(cè)邊鋼板焊接。所有鋼板和墻體之間通過灌漿料進(jìn)行密實(shí)。

2 城市既有建筑改造實(shí)例分析

2.1 既有建筑改造工程項(xiàng)目概況

某城市建筑改造項(xiàng)目為上下兩層結(jié)構(gòu)，一層為磚混砌體結(jié)構(gòu)，二層為混凝土框架結(jié)構(gòu)。該建筑已建設(shè)使用近50年，建筑結(jié)構(gòu)的性能逐年下降，為了保障該建筑的使用安全，對(duì)其進(jìn)行改造，改造完成后建筑的層數(shù)與使用面積保持不變。在項(xiàng)目改造中，結(jié)合該城市的實(shí)際情況，改造建筑的抗震設(shè)防裂度為6度，地震加速度為0.05g，抗震設(shè)防為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防，基本風(fēng)壓為0.45kN/m2，地面粗糙度為B類，基本雪壓為0.40kN/m2。考慮到鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)應(yīng)用于該建筑改造項(xiàng)目中，不但能夠有效強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的整體支撐能力，同時(shí)改造流程簡單，費(fèi)用較低，所以，選擇使用鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行改造。

2.2 既有建筑改造方案

因?yàn)樵摻ㄖ褂脮r(shí)間已近50年，建筑的材料以及結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了不同程度的老化，如果不進(jìn)行改造繼續(xù)使用，則存在一定的安全隱患。在對(duì)該建筑項(xiàng)目進(jìn)行改造的過程中，考慮到該建筑本身具有一定的歷史價(jià)值，所以在確定改造方案時(shí)，要避免對(duì)建筑的整個(gè)風(fēng)貌進(jìn)行大幅改動(dòng)。在改造過程中，需要對(duì)填充墻、樓板等結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆除，同時(shí)要完整保留建筑的框架柱與梁結(jié)構(gòu)。這主要是由于該建筑的樓板與填充墻僅僅可以承受自重，不具備承載建筑整體載荷的功能，因此，為了有效增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的整體承載性能，需要將樓板與填充墻進(jìn)行拆除，并增設(shè)新的結(jié)構(gòu)。增設(shè)的結(jié)構(gòu)中涉及框架柱、梁，并與建筑原有結(jié)構(gòu)共同構(gòu)建形成鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)。

在該建筑改造項(xiàng)目改造施工中，由于該建筑地處城市繁華地帶，實(shí)際施工過程受到的限制非常多，同時(shí)，改造時(shí)間比較短，工期緊張。因此，為了更好地保障該建筑的改造質(zhì)量，施工人員在建筑內(nèi)部構(gòu)建了雙鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用了承壓型鋼板以及混凝土面層施工技術(shù)。這種改造手段的使用不但縮減了模板的應(yīng)用數(shù)量，還大大縮減了建筑改造施工中的支模與拆模作業(yè)量，有效提升了改造速度，而且在建筑內(nèi)部混凝土柱結(jié)構(gòu)的相鄰位置增設(shè)鋼柱，使建筑內(nèi)部空間的利用率得到了較好的保障。

在既有建筑框架改造過程中，工作人員不但需要進(jìn)行設(shè)備管線的施工，同時(shí)還要保障建筑內(nèi)部高度能夠滿足其原來的使用要求。因此，在建筑梁柱的構(gòu)建過程中，選擇使用格構(gòu)柱與格構(gòu)梁的框架改造方式，能夠在不影響建筑內(nèi)部使用空間的同時(shí)增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的承載性能。

在該建筑改造工程施工中，格構(gòu)柱與格構(gòu)梁都是矩形，并通過肢件組合形成。肢件的連接使用橫向綴條與豎向綴條來完成，綴條、肢件與梁柱共同構(gòu)成既有建筑改造的框架結(jié)構(gòu)。在該建筑改造方案設(shè)計(jì)中，綜合考量建筑各方面因素，確定格構(gòu)柱的規(guī)格為740mm×250mm，肢件的規(guī)格為140mm×90mm×10mm，綴條的規(guī)格為90mm×90mm×10mm；格構(gòu)梁的規(guī)格為740mm×730mm，肢件的規(guī)格為125mm×125mm×12mm，綴條的規(guī)格為140mm×90mm×10mm。格構(gòu)柱與格構(gòu)梁的綴條與肢件全部由角鋼構(gòu)成。

2.3 既有建筑改造鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.3.1 整體模型計(jì)算

該建筑改造過程中，格構(gòu)柱與格構(gòu)梁都包含眾多的根桿件，為了確保相關(guān)結(jié)構(gòu)都能夠滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，工作人員選擇使用有限元軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)模擬和計(jì)算。主要計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 有限元計(jì)算結(jié)果

通過表1中的數(shù)據(jù)得知，各項(xiàng)指標(biāo)均符合建筑規(guī)范和要求。

與此同時(shí)，通過PKPM的PK模塊，構(gòu)建相應(yīng)的二維平面模型，并對(duì)該既有建筑改造工程的格構(gòu)柱、格構(gòu)梁各個(gè)桿件的強(qiáng)度以及形變量進(jìn)行驗(yàn)算，最終結(jié)果表明，PKPM軟件與SAP2000軟件的計(jì)算結(jié)果不存在較大的差異，數(shù)據(jù)吻合度非常高。

2.3.2 格構(gòu)梁綴條的布設(shè)形式

為更好地保證改造后的建筑依舊可以滿足內(nèi)部空間的使用要求，設(shè)備管線比如電纜管線、水管管線等，就應(yīng)該從格構(gòu)梁的空格中穿插?？紤]到暖通管線和風(fēng)管管徑通常比較大，直接在空格中穿插的難度過高，因此需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)綴條的布設(shè)位置進(jìn)行合理調(diào)整。在該既有建筑改造工程中，工作人員對(duì)施工方案進(jìn)行了比較和分析，最后選擇使用有風(fēng)管穿插孔的格構(gòu)梁布設(shè)方案。為了避免綴條對(duì)風(fēng)管布設(shè)造成影響，在風(fēng)管穿插的位置要避免斜向綴條的使用，所以，該工程中風(fēng)管穿插位置位于格構(gòu)梁中部，該部位的剪力相對(duì)比較小，能夠更好地保證整體結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。另外，考慮到風(fēng)管的寬度通常比較大，所以格構(gòu)梁豎向綴條的間距也需要適當(dāng)增加。然而，這種設(shè)計(jì)方案必然導(dǎo)致其他區(qū)段豎向綴條需要承受更大的載荷。施工人員為了降低豎向綴條的載荷壓力，在風(fēng)管穿插節(jié)段的頂部增設(shè)X形綴條，對(duì)豎向綴條的載荷進(jìn)行分擔(dān)，強(qiáng)化鋼格構(gòu)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

2.3.3 格構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)

在該既有建筑改造項(xiàng)目中，格構(gòu)梁與格構(gòu)柱交叉的部位是整個(gè)鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)軸向力、彎矩作用力以及剪力的承接點(diǎn)。承接點(diǎn)對(duì)于建筑整體的抗震性能有著直接的影響，所以，在格構(gòu)梁與格構(gòu)柱的交叉節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，需要著重考量其抗震性能與整體承載力。

結(jié)合該建筑的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，擬訂兩種方案。

1）在該節(jié)點(diǎn)的6個(gè)面上增加鋼板，使該節(jié)點(diǎn)變成一個(gè)實(shí)腹節(jié)點(diǎn)，可以大大提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。

2）在該節(jié)點(diǎn)的6個(gè)面上增加X形綴條，加大節(jié)點(diǎn)的整體剛度，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。

施工人員綜合考量上述兩種施工方案的施工效率、施工難度以及投入費(fèi)用等方面因素，選擇使用第2種方案對(duì)既有建筑進(jìn)行改造和加固。

3 結(jié)語

通過上述分析能夠得知，在當(dāng)前城市既有建筑的改造工程中，改造工藝有很多種，但是很多改造工藝都存在一定的缺陷，而鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)在建筑改造中的應(yīng)用，不但能夠避免建筑原有結(jié)構(gòu)與樣式出現(xiàn)比較大的變化，還能夠保障建筑內(nèi)部空間滿足建筑的原本使用需求。需要注意的是，在采用鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)改造建筑的過程中，設(shè)計(jì)階段需要合理布設(shè)格構(gòu)梁的空間，綴條的合理利用能夠更好地保障建筑內(nèi)部管線的空間。另外，在格構(gòu)梁與格構(gòu)柱相交的節(jié)點(diǎn)，可以使用X形綴條對(duì)其進(jìn)行連接，這樣能夠進(jìn)一步提升鋼格構(gòu)框架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。