航站楼既有混凝土结构上部新建钢结构的加层改造分析*

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

0 引言

随着我国经济的高速发展，城市功能分区也相应发生变化，使得既有建筑的功能需求发生改变。进而使得我国建筑业已从大规模的新建时期向加固和改造时期迈进。

在既有混凝土结构上层新建钢结构加层，既能满足现代新功能的需求，同时又能大大降低建造成本，是目前既有建筑改造加固的主流方式。与此同时，如何处理新旧结构的连接节点、如何在施工过程中顺利安全地完成连接层的加固置换也成为既有钢混框架结构改造的关键问题[1-4]。

本文以上海浦东国际机场T1航站楼B、E区连廊结构改造项目为研究对象，计算模拟了既有钢混框架结构上部新建钢结构的施工过程，分析了各施工阶段下新旧结构柱间连系的锚固连接的安全性，为最终方案的确定提供了理论计算依据。

1 工程概况

1.1 项目基本情况

上海浦东国际机场T1航站楼改造工程总建筑面积112 500 m2，其中新建及加建面积67 400 m2（其中地下室9 800 m2），T1航站楼现状为主楼—连接廊—长廊，改造后T1航站楼总体布局不变，仅利用原有室外庭院（现新建区），加宽为新的连接廊部分，本文所述内容即在原有混凝土结构上新建3层钢结构（图1）。

图1 B区改造结构剖面示意

1.2 改造方案介绍

原连廊3层钢筋混凝土框架结构上加建3层钢框架，改造后为地上6层结构，并需对原有连廊结构进行加固和改造，加固方案为在原混凝土柱外包钢板，以增大柱受力性能；另外，为增大第3层层高，原连廊屋面需拆除上移。

2 施工方案策划

改造工程传统施工方案为，先加固原有结构然后进行新建结构施工，但从安全方面考虑，浦东机场结构改造及新建需在台风期到来之前完成。为加快施工进度，经过分析对比，提出了下述改造施工方案，该方案主要分为2个阶段。

阶段1：原结构混凝土柱标高（+0.00～+6.00）m包钢加固完成，新建钢柱搁置在原楼顶位置并设置临时支撑，然后施工上部新建结构，新建结构施工的同时进行原混凝土结构加固。

阶段2：上部新建结构完成后，原混凝土柱包钢加固至原楼顶梁下方，然后按轴线逐段凿除混凝土结构屋顶楼板，然后进行楼板凿除区域包钢加固，并将包钢与新建钢柱连接。上述工作完成后逐段凿除原混凝土屋顶梁，完成所有混凝土柱包钢加固，并与钢柱连接。

为方便原混凝土楼顶的拆除，技术人员提出了暂不施工新建结构首层楼板，待原混凝土楼顶拆除后再浇筑该层楼板的方案。

上述施工方案在改造流程和方便施工上是完全可行的，但是由于加固与新建结构施工同时进行，结构及构件是否能够满足受力要求，需要理论计算予以验证。

3 计算模拟

根据上述方案确定的施工阶段，并考虑各阶段新建结构首层楼板混凝土浇筑与不浇筑2种情况，对主要施工过程进行模拟计算。对荷载作用下结构整体变形、层间角、构件受力、连接肋板应力等方面进行评价，验证方案是否可行。

以2个主要改造阶段作为模拟计算的2个分析工况，将新建结构首层楼板是否浇筑作为每工况下的2种情况进行分别验算，如表1所示。

表1 计算工况表

本文采用Midas gen进行计算分析，利用梁单元和板单元分别模拟梁、柱和楼板，考虑风荷载和施工荷载的作用，如图2所示。

图2 计算模型示意

4 分析结果

4.1 变形对比

通过对比分析可得，各工况下结构整体侧向变形均较小（表2）。其中，新建结构首层楼板浇筑变形小于首层不浇筑变形，原因主要是首层楼板浇筑后结构整体刚度增大。

表2 各工况结构侧向变形表

4.2 层间位移角

依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），层间位移角限值要求小于1.82×10-3，经过计算，各工况下结构层间位移角均能满足规范要求。

由分析结果可知，工况2时新旧结构连接层（3～4层）的层间位移角相对工况1有所增大，而其他楼层层间位移角相对工况1较小。结果表明，新旧结构连接柱的整体包钢加固后能有效减小结构的水平变形；新旧结构接合处属于钢混与钢混合框架结构的刚度过渡区，刚度变化较大，属于结构的薄弱部位[5,6]。

从工况2层间位移曲线（图3）可明显发现，新建结构首层楼板浇筑方案的位移相对不浇筑方案要小，即新建结构楼板全部完成浇筑能有效增强结构整体性与水平刚度。

图3 层间位移曲线（“1-A”表示工况1的A方案，余同）

4.3 应力对比

工况1时新建结构首层楼板不浇筑的钢结构最大组合应力为-77.3 MPa，发生于屋顶（+31.48 m楼层钢梁）；首层结构楼板浇筑方案的最大组合应力为-80.0 MPa，发生于新建结构标高+18.22 m楼层（图4）。

图4 工况1框架结构组合应力示意

工况2时新建结构首层楼板浇筑与不浇筑框架结构最大组合应力均发生于屋顶（+31.48 m楼层钢梁）。其中不浇筑方案的最大组合应力为-76.9 MPa；浇筑方案为-77.0 MPa（图5）。

图5 工况2框架结构组合应力示意

由上述可知，原结构混凝土柱经过包钢加固，新旧柱接合处通过连接肋板加固，使得整体结构的组合应力有效减小；同时A方案的结构应力普遍比B方案的结构应力减小0.1%～3.4%（表3）。

表3 最大组合应力表

4.4 局部应力分析

工况2时需对新旧结构柱的接合处进行连接肋板加固，考虑施工的安全性，针对工况2作用下的新旧结构柱接合处进行连接肋板的局部细化分析。局部应力分析利用有限元软件Midas FEA模拟计算，采用实体单元模拟钢混与钢框架柱的结合部位（图6）。

图6 计算模型示意

将Civil梁板模型计算的接合处最大内力代入FEA实体模型中进行计算分析。经对比，工况2时首层结构楼板浇筑情况下新旧结构连接处受力最大，如表4所示，局部坐标系沿构件轴向为X，垂直于构件为YZ平面。

表4 接合处最大内力表

从工况二接合处的应力云图（图7）可知，肋板主要在凹槽处出现应力集中现象，并达到最大组合应力σv=105 MPa（最大压应力为-73.3 MPa）、最大剪应力τ=55.8 MPa，满足规范的安全要求。

图7 工况二接合处应力云图

5 结语

1）新旧结构的接合处是混合框架结构的受力薄弱点，在进行既有结构的改造加固施工中对该部位进行了重点加固处理。

2）在新旧结构柱接合处的体系转换时，原结构柱与新建钢柱先搁置再通过肋板固结，结构安全性能够满足要求，采用该方案能够大幅度缩短工期，满足了施工的方便性。

3）新建结构首层楼板结构浇筑与不浇筑情况下进行原有结构屋顶拆除均能满足结构安全性需要，为方便施工可选择新建结构首层楼板后做[7]。