某汽車4S店鋼結(jié)構(gòu)展廳加固設(shè)計案例分析

張 濤，王志明，花 雷

(1.華誠博遠(yuǎn)工程技術(shù)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210009; 2.典筑設(shè)計集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210004; 3.南京博環(huán)環(huán)保有限公司,江蘇 南京 210009)

0 引言

近年來,隨著新能源技術(shù)的推廣,作為天然清潔能源的光伏發(fā)電得到了更為廣泛的應(yīng)用,將光伏板和閑置的屋面結(jié)合起來,逐漸成為一種常見的發(fā)展模式。輕鋼屋面一般面積較大、四周無遮擋、陽光充足、安裝施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn),成為了安裝光伏板的最優(yōu)選擇。然而,輕鋼屋面的特點(diǎn)是跨度大,自重較輕,對新增荷載比較敏感。屋面增加光伏板后,通常會引起原有結(jié)構(gòu)承載力或變形不能滿足規(guī)范要求,需要對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。另外,鋼結(jié)構(gòu)的加固尚需要兼顧經(jīng)濟(jì)性,僅僅滿足設(shè)計規(guī)范[1-2]的要求不一定具有可行性。

1 工程概況

某汽車4S店,位于南京市江寧區(qū),該建筑為單層輕型鋼結(jié)構(gòu)展廳,采用圓鋼柱和屋面鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式,平面外采用鋼聯(lián)系梁作為抗側(cè)力構(gòu)件,屋面為雙層彩鋼板,C型鋼簡支檁條,獨(dú)立基礎(chǔ)。建筑檐口高度4.5 m,柱距6 m,建筑面積為800 m2。自2009年竣工交付以來,一直作為某汽車4S店展廳使用,期間未進(jìn)行過建筑使用功能的改變及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的拆改。原建筑現(xiàn)狀如圖1—圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)安全性及抗震鑒定

某汽車4S店委托了檢測單位對該建筑進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性及抗震性能的檢測鑒定,鑒定報告主要結(jié)論如下。

2.1 安全性鑒定

1)根據(jù)現(xiàn)場檢查,未發(fā)現(xiàn)展廳出現(xiàn)因地基承載力不足或地基變形引起的上部結(jié)構(gòu)明顯開裂和變形。評定地基基礎(chǔ)[3]安全性等級為Bu級。

2)上部結(jié)構(gòu)整體外觀未見明顯損傷,屋面板銹蝕嚴(yán)重,檁條及檁托輕微銹蝕,主體鋼架完好,鋼構(gòu)件表面涂層未見損傷。結(jié)構(gòu)無明顯側(cè)向位移,極限承載力滿足安全要求。評定上部承重結(jié)構(gòu)安全性等級為Bu級。

3)圍護(hù)系統(tǒng)為玻璃幕墻,與主體結(jié)構(gòu)連接可靠。評定圍護(hù)系統(tǒng)承重部分的結(jié)構(gòu)整體性安全性等級為Bu級。

根據(jù)GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)[4]對該建筑進(jìn)行安全性鑒定,綜合評定該建筑結(jié)構(gòu)安全性等級為Bsu級,在正常使用條件下,可以安全使用。

2.2 抗震鑒定

根據(jù)GB 50023—2009建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)[5],后續(xù)工作年限為36 a,按B類建筑對該建筑進(jìn)行抗震鑒定。展廳主體結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施基本滿足抗震設(shè)防烈度7度,丙類建筑的要求,抗震承載力滿足設(shè)計要求。

3 建筑屋面改造

現(xiàn)應(yīng)建設(shè)方要求,鋼結(jié)構(gòu)[6]屋面改造主要為以下幾個方面:1)屋面增加光伏板;2)屋面新增輕質(zhì)吊頂;3)屋面新增噴淋系統(tǒng);4)拆除內(nèi)部隔層,四周圍護(hù)墻出新。改造以后剖面圖如圖4所示。

改造后屋面屋面荷載取值如表1所示。

表1 屋面恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值 kN/m2

4 加固設(shè)計參數(shù)的確定及計算分析

改造之前,假定檁條作為上弦平面外支撐,下弦平面外計算長度按照實際長度,經(jīng)建模計算,計算簡圖如圖5所示。

可見,加固前由于未設(shè)置屋架縱向支撐,桁架平面外計算長度與原設(shè)計不一致,導(dǎo)致下弦穩(wěn)定承載力及平面外長細(xì)比均超出規(guī)范要求。檢測報告對桁架平面外計算長度的取值未有體現(xiàn),而報告結(jié)論中桁架承載力計算結(jié)果滿足要求,值得商榷。

按GB 55021—2021既有建筑鑒定與加固通用規(guī)范[7]第5.1.3條及《南京市既有建筑維修改造項目施工圖設(shè)計文件技術(shù)性審查工作指南(試行)》[8]的規(guī)定,本建筑后續(xù)工作年限為40 a,為B類,按01系列抗震規(guī)范[9],水平地震影響系數(shù)最大值取0.9αmax。原結(jié)構(gòu)剩余工作年限為36 a,本設(shè)計后續(xù)工作年限為40 a,延長了原結(jié)構(gòu)的工作年限,故按GB 50068—2018建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[10]的荷載組合系數(shù)進(jìn)行計算分析。

5 結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

按照改造后的屋面荷載,建模初步試算。根據(jù)試算結(jié)果,該建筑存在以下問題:1)屋面局部桿件最大應(yīng)力比為大于1.0,承載力不滿足要求;2)標(biāo)準(zhǔn)值作用下屋面桁架最大節(jié)點(diǎn)位移60.2 mm,大于允許位移20×1 000/400=50 mm,變形不滿足要求(見圖6)。

針對以上問題,鋼桁架平面外增加系桿以減小平面外計算長度,腹桿采取增大截面方式提高承載力,下弦設(shè)置水平拉桿以減小豎向節(jié)點(diǎn)位移,計算簡圖如圖7—圖10所示。

加固后,基本組合作用下,上弦桿最大應(yīng)力比為0.81<1.0,下弦桿最大應(yīng)力比為0.74<1.0;標(biāo)準(zhǔn)組合作用下跨中豎向最大位移為40 mm<50 mm,承載力和節(jié)點(diǎn)豎向位移均滿足要求。

下弦拉桿采用3φ25普通圓鋼,查看應(yīng)力簡圖,圓鋼軸力標(biāo)準(zhǔn)值為195 kN,每根圓鋼分擔(dān)195/3=65 kN。圓鋼在軸力作用下會產(chǎn)生伸長變形,自身軸向伸長變形量為ΔL=N×L/(E×A)=(65×1 000×20×1 000)/(206×1 000×490.9)=12.85 mm。

以桁架與柱連接點(diǎn)為圓心,以10 006 mm長度為半徑做圓,交跨中豎向軸線于一點(diǎn),此點(diǎn)距柱頂水平連線為336 mm。即由于圓鋼自身軸向變形的存在,圓鋼在承受65 kN力的時候,豎向位移為336 mm,水平向圓鋼拉桿并不能阻止鋼桁架節(jié)點(diǎn)的豎向位移。圓鋼軸向變形放樣圖如圖11所示。

為解決圓鋼軸向變形及應(yīng)力松弛的問題,每根圓鋼預(yù)加75 kN的預(yù)拉力,將圓鋼自身的軸向變形抵消。對于應(yīng)力不滿足的腹桿,將新增腹桿切割為兩個半圓,從兩側(cè)包住腹桿,在新增腹桿側(cè)面及兩端焊接,如圖12所示。

綜上所述,本設(shè)計加固的基本思路如下:

1)屋面桿件承載力不滿足,采用擴(kuò)大截面的方式加固,可滿足承載力要求。

2)增加屋架平面外支撐,以減小桁架平面外計算長度。

3)屋面節(jié)點(diǎn)位移不滿足。屋面桁架下弦可采用普通拉桿(張緊的圓鋼)和預(yù)應(yīng)力鋼筋兩種方案,在屋面變形超限不大的情況下采用普通拉桿的方式,施工簡單、經(jīng)濟(jì),亦能滿足變形要求。

6 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)常用的加固方式[11]為增大截面、粘貼鋼板、改變原結(jié)構(gòu)體系、增加體外預(yù)應(yīng)力等。加固設(shè)計時,應(yīng)先根據(jù)安全等級和預(yù)設(shè)的后續(xù)工作年限,確定建筑類別,選用相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范進(jìn)行加固設(shè)計。鋼結(jié)構(gòu)的加固設(shè)計應(yīng)綜合考慮原建筑的結(jié)構(gòu)的形式、現(xiàn)場加固施工的條件、加固的經(jīng)濟(jì)性及加固施工方法的可行性,采用一種或多種加固方式組合的方法,盡可能使結(jié)構(gòu)的計算模型與加固后的實際受荷工作狀態(tài)一致。同時,新建鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計宜做長遠(yuǎn)考慮,屋面預(yù)留安裝光伏板的荷載,前期投資有所增加,但與后期再加固的費(fèi)用相比,仍然是較為經(jīng)濟(jì)的方法。