西昌市某既有建筑上部結(jié)構(gòu)加建改造方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

周禮婷，邱鋒，龍賢明，沈琪雯

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 400013）

1 工程概況

項(xiàng)目位于四川省西昌市經(jīng)久工業(yè)園區(qū)，為煉鐵項(xiàng)目部生產(chǎn)輔助用房，主要功能為辦公室、煉鐵點(diǎn)檢室，于2012 年竣工。既有建筑為“L”形地上2 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，分為上下兩個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)單元，建筑高度10.8 m，建筑面積2 733.66 m2，平面布置詳見圖1。

圖1 既有建筑平面圖

為滿足改造后作為廠區(qū)集控中心的大跨度、大空間使用要求，將建筑平面原本L 形的結(jié)構(gòu)補(bǔ)齊缺口，合并原本兩個(gè)結(jié)構(gòu)單元為矩形，詳見圖2；同時(shí)在既有建筑頂部增加一層大空間，跨度22.5 m，層高9.5 m；建筑總高度16.7 m，建筑總面積4 280 m2；夾層建筑平面詳見圖3、剖面圖見圖4。

圖2 改造后建筑平面圖

圖3 夾層建筑平面圖

圖4 剖面圖

工程場地為抗震不利地段（高填方達(dá)到20 m），場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為8 度；設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.30 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，基本風(fēng)壓0.40 kN/m2，地面粗糙度類別B 類，原設(shè)計(jì)使用年限為50 年，設(shè)防類別為丙類，安全等級(jí)一級(jí)；改造后后續(xù)使用年限40 年，設(shè)防類別為乙類，安全等級(jí)二級(jí)。

2 改造加建目的及可能性分析

我國的城市開發(fā)建設(shè)正處在由以增量建設(shè)為主轉(zhuǎn)向存量提質(zhì)改造和增量結(jié)構(gòu)并重的階段，加固改造的特點(diǎn)也從“結(jié)構(gòu)安全為主的加固＋局部建筑功能的改造”向“大拆大改為主＋被動(dòng)性結(jié)構(gòu)加固”模式轉(zhuǎn)變[1]。根據(jù)業(yè)主要求，該項(xiàng)目改造加建后作為廠區(qū)集控中心并滿足大跨度、大空間使用要求（如圖3、圖4）；加之既有建筑現(xiàn)為二層，原設(shè)計(jì)圖紙為三層，極大程度增加了加建的可能性。對(duì)既有建筑結(jié)構(gòu)的改造及加固，包括了建筑整體或局部使用功能變化引起的結(jié)構(gòu)承載力不足，未進(jìn)行抗震設(shè)防的既有建筑物及雖進(jìn)行抗震設(shè)防但未能達(dá)到現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的既有建筑物的加固。其設(shè)計(jì)的順序應(yīng)該是先結(jié)構(gòu)體系的加固后結(jié)構(gòu)構(gòu)件的加固[2]。結(jié)構(gòu)加固方案應(yīng)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工?；诖嗽瓌t，對(duì)應(yīng)該工程加建改造設(shè)計(jì)，總體要求是：1）加建結(jié)構(gòu)本身滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；2）加建結(jié)構(gòu)對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響減到最低，主體結(jié)構(gòu)的加固成本最低。

3 加建方案

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》：GB50011—2010（2016 版）[3]該工程現(xiàn)需考慮近場效應(yīng)，水平地震影響系數(shù)最大值為0.375（0.25×1.5），改造后原節(jié)點(diǎn)核心區(qū)（95%）抗剪承載力、梁縱筋（95%）嚴(yán)重不足；根據(jù)抗震鑒定報(bào)告，該工程抗震措施和抗震驗(yàn)算均不滿足《建筑抗震鑒定標(biāo)準(zhǔn)》GB 50023—2009[4]的要求；加之由于功能改變，設(shè)防類別由丙類提高到乙類，如果不改變原結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)將由二級(jí)提高到一級(jí)，因此該工程采用改變結(jié)構(gòu)體系的方式對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造[5-6]，將底部兩層框架結(jié)構(gòu)變?yōu)榭蚣堋袅Y(jié)構(gòu)，保證框架的抗震等級(jí)二級(jí)不變；或在底部兩層設(shè)置屈曲約束支撐BRB[7-8]降低地震效應(yīng)；加建層由于層高較高，豎向構(gòu)件位置、數(shù)量受到限制，故在四種方案中結(jié)構(gòu)主體四周均設(shè)置鋼支撐[9]以滿足位移指標(biāo)；屋頂增加的大跨則分別采用混凝土、鋼結(jié)構(gòu)。最終組合形成4 種方加建案（表1）。

表1 加建方案

設(shè)計(jì)過程中對(duì)四種方案計(jì)算指標(biāo)（YJK）計(jì)算如下（表2）：

表2 加建方案計(jì)算指標(biāo)

根據(jù)計(jì)算指標(biāo)對(duì)比分析得出：四種方案中除方案2 外均滿足指標(biāo)要求；其中方案二由于大跨屋面是輕鋼屋面，故結(jié)構(gòu)第一地震周期是屋面鋼結(jié)構(gòu)部分的X 向局部振動(dòng)，屋面加水平支撐后其第一振動(dòng)周期與第一、第三方案基本保持一致。同樣地，最大層間位移角也因?yàn)榇罂鏨 向豎向構(gòu)件薄弱，不滿足規(guī)范要求；對(duì)比結(jié)構(gòu)自振周期得出，方案1—3 基本持平，方案4 較大，可見結(jié)構(gòu)形式（底部兩層框剪）對(duì)自振周期起主要作用，加建層為混凝土或鋼結(jié)構(gòu)則影響不大；對(duì)比底部剪力得出，方案2 因?yàn)榭傮w質(zhì)量最小，地震力也對(duì)應(yīng)最小，方案4 底部剪力最大。

4 方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比

根據(jù)前文確定的加建方案，依次計(jì)算出新建和加固總費(fèi)用見表3。

表3 加建方案造價(jià)對(duì)比

對(duì)比加固費(fèi)用得出：方案4 因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)體系未發(fā)生改變，抗震等級(jí)提高，導(dǎo)致構(gòu)件承載力大面積不足，加固費(fèi)用大幅提高。對(duì)比加建費(fèi)用，因只要加建層局部大跨采用鋼結(jié)構(gòu)材料，鋼材耗費(fèi)較大，經(jīng)濟(jì)性并未得到體現(xiàn)。反而方案1 加建費(fèi)用最低。

綜合對(duì)比經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)得出：方案一最優(yōu)，方案四較好，方案三可行但造價(jià)最高。原結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)二級(jí)，若采用方案一，改造后框架抗震等級(jí)仍為二級(jí)、剪力墻抗震等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)該工程抗震鑒定報(bào)告，梁柱構(gòu)造措施不滿足規(guī)范要求的部位，不需要進(jìn)行處理。若采用方案四，消能部件附加阻尼比最大為25%，此時(shí)，消能減震與非消能減震的地震影響系數(shù)比值約為0.55 ＞0.5，無法做到降低一度。

綜合以上因素，優(yōu)先采用方案一。

即底部兩層框剪+新增大跨層（混凝土柱+鋼梁+混凝土屋面）。底部剪力墻250 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，分布位置詳圖5。

圖5 底部兩層剪力墻分布位置

根據(jù)抗震鑒定報(bào)告，原設(shè)計(jì)未考慮近場效應(yīng)，且原設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)核心區(qū)抗剪承載力嚴(yán)重不足。柱主要采用增大截面法[10]、梁端加腋法加固：中柱截面大部分由600×600 加大為700×800，邊柱及角柱大部分由600×600 加大為1 000×1 000；梁主要采用增大截面法、粘碳纖維加固法；板主要采用粘貼鋼板法加固。

加建層層高9.5 m，主要構(gòu)件截面尺寸如下：邊柱截面1 000×1 000 mm，屋面鋼梁主要截面為H900×350×25×350×25；由于該層層高較高，構(gòu)件增大后整體剛度增大、地震作用相應(yīng)增大，層間位移角超限，故該層在四周增加柱間支撐，型號(hào)為：H400×350×20×20；鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q355B（除支撐Q235B 外）。屋面采用壓型鋼板與混凝土組合樓板，壓型鋼板型號(hào)YXB54-185-555(B)，板厚120 mm。計(jì)算模型如圖6。

圖6 夾層柱間支撐平面布置圖

圖7 YJK 計(jì)算模型

5 結(jié)論

對(duì)于部分“大拆大改為主”的加建建筑，應(yīng)充分考慮加建方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的對(duì)比。西昌某實(shí)際工程，加建改造第三層為大跨度集控中心，底部兩層為使結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)不變由框架體系改造為框剪，第三層加建改造則通過混凝土柱、鋼梁、混凝土屋面等實(shí)現(xiàn)大跨度集控中心功能，同時(shí)也滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)化，可為類似工程提供參考。