上海某酒店木结构迁建古宅结构设计

摘    要：上海某酒店木结构古宅属迁建工程，原结构为传统的硬山式穿斗木构架承重单层结构，按新的建筑使用功能要求，结构体系有了很大的变化。本文对照木结构的规范要求，判断新的结构体系下，木结构布置和节点构造落实的可行性。采用3D3S和SAP2000程序对多个结构方案进行计算，分析比较在地震力、风荷载作用下，结构的位移和基地剪力在木结构和钢框架之间分配，从中选择出合理的结构方案，并做了节点设计和钢框架与围护墙之间关系的问题研究，最后根据专家意见作了调整，使得迁建古宅的结构设计安全可行。

关键词：迁建木结构;多方案比较计算;问题研究和专家意见

1   工程概况

本项目26个院落中存在利用传统旧建筑材料建造的木结构古宅，古宅属迁建工程，原为江西民居，建于清代末年。原结构为传统的硬山式穿斗木构架承重单层结构，外围有空斗墙体作为围护结构。屋架体系基本为双坡屋面，局部有单坡屋面。根据原屋架结构的平面布置，可将古宅木构架分为上堂、正堂和下堂三个单体结构，局部有夹层。两侧有排山架，局部存在硬山搁檩的情况。上堂为单坡屋面，屋架搁置于外围空斗墙，木柱均直接置于石柱础上。

2  建筑改建需求及结构改造设计

按新的建筑使用功能，在古宅下方增加一层地下室，用于办公、储藏及设备用房。地下室采用钢筋混凝土框架结构，木柱通过石柱础立于混凝土梁上，柱脚为铰接。一层平面在保持屋面形态不改动的前提下，为满足一定的舒适性和实用性，在下堂将两榀屋架整体向两侧移动，布置两个对称的房间。移动后中间檩距过大，利用内隔墙新增一榀木屋架。正堂两榀屋架拔除三根中柱，以获得较開敞的室内空间，遵从原穿斗屋架的形式重新设计拔柱后的屋架，对于内力大的构件，适当增大其截面用新木材替换，或采用钢构件替换。

3  规范要求及本项目中对应落实可行性

结构布置的要求对应的落实情况中，满足《木结构设计规范》[1]的有三项，不满足的有四项，一项因对原结构布置改动较大，需补充抗震验算。节点构造的要求对应的落实情况中，满足木结构设计规范的有三项，不满足的有一项。

4  多个结构方案的对比研究

4.1  方案A：穿斗木屋架结构

4.2  方案B：穿斗木屋架-钢支撑结构

4.3  方案C：外套钢框架的穿斗木屋架结构

4.4  各方案在地震作用下的水平位移

本工程采用3D3S程序进行计算，并用SAP2000程序进行复核计算。计算结果显示，单纯为木框架的方案A刚度较弱，在水平地震力作用下的侧向位移不能满足规范1/250的限值，增加了交叉支撑或钢框架后，随着刚度的提高，方案B、方案C的水平位移均能满足规范要求。

4.5  方案C在风荷载作用下的水平位移

在水平风力作用下，结构的顶点位移与地震作用下相当

4.6  方案C地震剪力在木构架和钢框架之间的分配

计算结果显示，从基底剪力的分布情况可见，水平地震力在两个方向都主要由钢框架承担，木框架在方案C中以承受竖向力为主。

4.7  方案比选结论

方案A 木结构屋架在静加活重力荷载组合下，柱以轴心受压为主。在水平地震荷载的作用下，侧向位移远大于规范限值。同时，水平力导致构件出现弯矩，较多构件内力的强度应力和稳定应力超出了构件承载力。需增强结构中抗侧力体系。

方案B 交叉斜撑的布置大大提高了结构抗侧刚度，结构侧向位移可控制在规范限值之内。在侧向荷载作用下，柱内力以轴力为主。本方案是一个合适的结构体系，但是对建筑使用功能有很大的影响。

方案C采用外围钢框架加强木结构，能明显约束木结构的水平位移，使结构位移角明显减小，故确定选用方案C作为古宅的结构体系。结构设计中需采取可靠措施增强钢柱与木柱的连接。

5  节点设计

5.1 节点设计一：加强梁柱连接，增加结构冗余度

5.2  节点设计二：加强梁柱连接，增加结构冗余度

5.3  节点设计三：增强柱脚节点，传递水平剪力

5.4  节点设计四：外围钢框架与内部木结构的连接

5.5   节点设计五：钢框架柱脚节点

6  问题研究—钢框架与围护墙的关系

6.1  钢框架与围护墙体脱开或是拉结两种设计的优劣对比

7  专家咨询会意见概要

（1）建议对每根将利用的木材，均应该进行检查，包括对拆除的原木构件及节点的材质、变形、腐烂、虫蛀、裂缝等。

（1）建议本次仿古房屋主要依据《木结构设计规范》[1]和《建筑抗震设计规范》[2]中的第11章进行设计，《轻型木结构建筑技术规程》[3]可作为参考。

（2）关于抗震变形验算，建议可控制在1/150左右、建议节点按照半刚接考虑。

（3）建议本次设计在方案A的基础上，按照7度抗震设防完善相应的抗震措施。

（4）《建筑抗震设计规范》[2]已明确在设防区停止采用空斗墙，建议改为实体墙，在木构架立柱处设构造柱与木柱间以钢构件柔性连接。

（5）承载力设计可采用50年的基准期的各参数，但由于原木构件使用早已超过50年，文件中是否再提50年的使用年限，可再斟酌。

8  基于方案A 穿斗木屋架的结构体系调整和计算

（1）由于层间位移角限值放松，不需再通过外围钢框架控制木构架侧移。因此，将外围钢框架与木构架脱开，外围钢框架抵抗风荷载，木结构承担屋面的重力荷载，承担重力荷载代表值下的地震力，计算外围墙在水平力作用下的侧向位移，计算结果最大层间位移和最大顶点位移在风荷载和地震力作用下均满足规范要求。

（2）节点按半刚接考虑，计算模型中，采用两种方式实现榫卯节点半刚接的模拟。

模型1 ：梁截面按实际尺寸输入，梁端设铰，选取1/3左右的节点设为刚接，以成为几何不变体系，同时模拟半刚接的实际刚度。

模型2 ：梁截面按1/2实际尺寸输入（相当于榫卯尺寸），所有梁端设为刚接，模拟半刚接的实际刚度。

两种计算模型在同样的荷载作用下，侧向位移基本一致，模型1中两端铰接的梁内力与模型2中的同位梁计算结果基本一致。

计算模型均采用模型2 ，按此内力结果确定所需构件截面。

9  结论

本工程属于结构体系较为特殊的改建建筑。比较分析并论证了多种结构方案的可行性，经过合理地布置，对重要构件及体系中各薄弱部位分别加强，采用3D3S和SAP2000两种计算软件进行详细的分析计算，使得结构抗震设计安全可行。

参考文献：

[1] GB 50005—2003（2003版）.木结构设计规范[S].

[2] GB 50011—2010（2016版）.建筑抗震设计规范[S].

[3] DG/T 08-2059-2009.轻型木结构建筑技术规程[S].

作者简介：

武莲霞， 高级工程师，硕士，一级注册结构工程师。