某排架厂房改幼儿园项目的结构设计与施工

费红专，陈信堂

(1.六安长城钢结构有限公司，安徽 六安 237000； 2.安徽建筑大学，安徽 合肥 230022)

1 工程概况

六安市金安区某服装厂厂房为单层排架结构房屋,2007年设计，2008年建成投入使用。该房屋建筑面积约600 m2，柱距6 m，跨度16.8 m，檐口标高6.4 m，屋脊标高7.37 m，双坡屋面，坡度约5%。排架柱为钢筋混凝土带牛腿柱，牛腿标高5.9 m；屋盖系统由焊接H型钢大梁、C型钢檩条和彩钢板组成的轻型钢结构屋盖，简支于牛腿上。2017年,业主拟将该厂房改为幼儿园，为了增加建筑面积，在室内增加钢筋混凝土柱，柱顶安装H型主钢梁，主梁之间焊接H型钢次梁，上面铺压型钢板，并以此为模板再配筋、浇筑楼板。改建后变为二层建筑，二楼标高为3.4 m。一、二层原始柱平面图见图1。根据当地教育主管部门要求，申请开办幼儿园时需要对房屋进行抗震鉴定，鉴定结果合格方能走下一步审批手续。然而业主自行改造时并未经过正规设计，也没有委托有资质的施工企业施工，故存在诸多问题，需要经过检测评定、抗震加固设计、加固施工、竣工验收等完整的技术改造流程。

2 抗震鉴定

根据教育主管部门文件精神，对抗震鉴定不合格的房屋经加固设计、施工并验收合格后，可视为满足抗震鉴定标准。因此，首先对房屋进行抗震检测评定。根据GB 50023—2009建筑抗震鉴定标准，该房屋为C类，后续使用年限为50 a，按照现行抗震设计规范进行鉴定，经鉴定发现本房屋结构存在如下主要问题：

1)该房屋原来是单层厂房，抗震设防类别为丙类，现在改为幼儿园，属于民用建筑，根据现行《建筑工程抗震设防分类标准》，幼儿园建筑属于重点设防类(乙类)，抗震能力要求比丙类民用建筑高一个档次[1]。

2)原厂房为单跨排架结构，无论是原屋面钢梁，还是新增夹层的钢梁，其与混凝土柱之间的连接方式全部为铰接，既不符合重点设防类结构体系要求，也不符合框架刚节点构造要求。

3)东西边跨上只有山墙，屋面没有大梁，檩条直接支承在山墙上，竖向传力构件刚度差距巨大，结构体系混乱。

根据房屋现状详细调查，新增夹层存在下列主要问题：

1)新增钢筋混凝土中柱下面刚性基础尺寸过小。紧贴原混凝土边柱内侧也增设了混凝土柱(夹层主钢梁支承在柱顶)，但二者各自独立，没有联系；新增中柱没有延伸到屋顶，导致二层仍然是单跨排架结构，且刚度突变巨大。

2)夹层主钢梁简支在新增混凝土顶部，支座构造不满足要求。

3)新增钢次梁截面大小不一，与主梁之间全部采用焊接，且焊缝质量极差。

由此可见，原结构和改造后的结构都严重不满足现行《建筑抗震设计规范》，需要全面加固。

3 加固设计思路

针对上述问题，首先要改变结构体系，增加结构冗余度，最易实现的是将中柱延伸到屋顶钢梁底部，如此既能改变结构体系，又对钢梁受力有利。但是中柱延伸到顶的唯一办法是扩大截面，纵筋需穿过夹层楼板、绕过夹层钢梁，此方案需要浇筑混凝土，湿作业长，工序复杂，自重增加较大，基础加固费用也高。

也可换一种思路，在原混凝土柱外围采用干式包角钢，形成格构柱式柱，边柱包钢直到柱顶；中柱在底层包钢，二层虽然没有混凝土柱但是格构柱仍然延伸到屋顶钢梁底部，与之铰接。东西山墙内侧屋面各增加一道大梁，设置角钢檩托，托住檩条，实现山墙变为围护墙的转变，从而理顺结构体系。如此一来，可作为二层多跨钢框架结构进行分析。

经过技术经济和工期综合比较，按照第二种思路进行加固设计。

4 加固设计方案

4.1 基础加固设计

通过查阅原地质勘察报告，并现场开挖，发现本建筑场地地质条件很好，开挖1 m就到达坚硬的夹砂黏土，基础加固比较简单可行。一方面，通过在内侧加大原边柱下钢筋混凝土独基，并将外包角钢埋入新增混凝土内，更有利于角钢根部达到嵌固效果，传力可靠。另一方面，将中柱下面的混凝土刚性基础加宽加高，凿毛原基础外表，通过植筋增加新旧混凝土之间的连接。同理，外包角钢直接埋入新增混凝土中。

4.2 柱加固设计[2]

边柱和中柱均采用包角钢、焊接缀板的方式进行加固。根据构造要求和地震作用剪力的分布特征，缀板间距需区分加密区和非加密区，缀板与角钢的连接采用三面角焊缝。对于一层的边柱，角钢和缀板系统要把新旧混凝土柱“捆绑”在一起，所以缀板应加大。由于边柱上部屋面梁位置有牛腿，上下柱截面有变化。鉴于一层内侧又增加了一部分，所以新的边柱自下而上截面减小两次，外包角钢时，为了竖向传力可靠，应采用附加斜钢板过渡。边柱加固详图如图2所示。

中柱外包角钢形成格构柱，延伸到屋面钢梁底部，将二层单跨钢梁改为三跨，大大降低钢梁的应力和挠度。中柱加固详图见图3。

4.3 夹层钢梁加固设计

经计算，原主钢梁的承载力和挠度均不满足规范要求，可采用加高截面的方法加固。在主梁下翼缘焊接倒T型钢，采用对接焊缝，焊缝要达到一级焊缝质量要求。

由于原次钢梁大小不一，与主梁连接极差，计算应力和挠度均超限，且数量较多，若采用加固原钢梁的方法，则成本过高，故忽略原次梁作用，在原次梁之间增加一道次梁，新次梁截面尺寸按计算定，在主梁上焊连接板，通过高强螺栓实现次梁与主梁之间的铰接。

东、西山墙内侧增加的屋面大梁支承于原混凝土柱，托住檩条。新增大梁与山墙之间留约50 mm宽缝隙，原檩条是直接搁置在山墙上的，需沿着缝隙切断檩条，这样山墙上承受的檩条荷载直接转移到钢梁上。

4.4 梁柱节点设计[3-4]

如何确保改造后的结构能够基本符合钢框架的受力特性，节点的设计是关键环节之一。本结构钢梁简单搁置在混凝土柱顶或牛腿顶面，梁端转动与水平滑动完全自由，改造成框架结构就要将节点改为刚节点或半刚节点，难度较大。柱脚节点采用埋入式，满足刚性节点条件。一层柱顶与主钢梁节点域处理难度较大，根据实际条件，只能改造成半刚性节点。具体做法是：在节点域采用加厚、加宽钢板代替缀板，将主梁的上下翼缘、腹板全部与钢板焊接，然后将节点域范围的角钢、钢板和混凝土柱之间的缝隙灌注改性环氧树脂结构胶，借助混凝土柱的刚度增加节点域的抗弯刚度。中柱截面较小，且一层格构柱内包混凝土柱，二层纯粹是格构柱，为了减少刚度突变，缝隙可留置，无需灌胶，但是要做好防腐处理。中柱在二层的顶部焊接一块水平钢板，将钢梁下翼缘顶紧焊牢。

4.5 抗震构造加固设计

乙类设防建筑的填充墙通常应设置拉结筋，首先剔除墙体表面粉刷砂浆，沿墙高每500 mm处用小型工具剔除水平灰缝砂浆，深度不小于40 mm，冲洗干净后，增设两根φ6拉结筋；拉结筋塞入灰缝内，一端植入混凝土柱或焊接于外包型钢上，确保顺直；按产品说明书拌制高延性混凝土，并将其按压、塞挤，使之填实灰缝，并包裹拉结筋，再在墙表面抹20 mm厚高延性混凝土。

5 加固改造施工

本工程应依次加固基础、混凝土柱、钢梁、墙体；加固钢梁时，应先加固主梁，再安装新增的次梁，加固既有次梁(主要是加固主、次梁节点焊缝)。现场焊接任务重，焊接质量直接决定该工程成败。本工程采用二氧化碳气体保护焊，施焊前做好临时支撑。按照有关验收规范规定对焊缝进行探伤检测。

为了保证加固构件与原结构构件协同工作，必须做到如下三点：

1)必须处理好原框架柱和新增角钢、钢板的接触面。接触面上砂浆应全部凿除，露出混凝土骨料并凿毛，浇筑混凝土前应洗净、清除松动的石子、砂浆块，确保接触良好。

2)在施工期间尽量减少施工荷载及振动，不得对原结构的安全产生不利影响。

3)高延性纤维混凝土原材料由水泥基材料及纤维组成，在现场用强制式砂浆搅拌机搅拌，搅拌时间不应少于10 min，每盘搅拌量应控制在规定的时间内抹完[5]。

6 结语

随着经济社会发展，越来越多的既有建筑面临着使用功能的更新，对结构改造、加固提出新的更高要求。从技术、经济、造价、社会效益综合考虑，探索最优解决方案是结构设计师的初心使命。该排架厂房经增加夹层、加固后改为幼儿园，项目顺利完成，已投入运营两年，工作状态良好，招生火爆，社会效益显著。