某排架廠房改幼兒園項目的結構設計與施工

　　摘 要: 既有房屋改變用途越來越多，多伴隨著結構的改造加固。以某單層排架廠房改造為二層幼兒園的具體工程為實例，分析了工業廠房改為民用建筑時面臨抗震設防類別相應提高等諸多問題，介紹了此類結構改造加固設計要點，為類似改造工程提供借鑒意義。

　　關鍵詞: 既有房屋; 功能改變; 改造加固

　　費紅專; 陳信堂， 山西建筑 發表時間：2021-11-12

　　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 GB50023—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 6 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。