某烧结厂房改扩建设计与分析

张 晧, 张 偲, 马敬友, 秦 乐, 周 冰

(北京市建筑设计研究院有限公司，北京 100045)

1 工程概况

1.1 原结构概况

某烧结厂房始建于1958年,原设计有4台50m2烧结机,引进原苏联烧结工艺,后于80年代改造为现状厂房。厂房内主要有拉链机、大烟道、烧结机、单辊破碎机、给料圆盘、二次混合机等设备。厂房长约91.5m,宽约61m,首、二层轴网尺寸为6m×5m,三层及以上为6m×10m。厂房主体地上五层,建筑高度30.2m;西侧局部六层,建筑高度38m。1958年建造厂房为钢结构框架体系,1981年进行改造,采用混凝土包裹钢柱和部分钢梁,形成钢骨混凝土框架结构。改造的同时进行扩建,扩建部分采用装配式钢筋混凝土框架结构。除与原厂房部分接建外,东侧扩建部分与原主体结构设置结构缝,形成现状烧结厂房(图1)。

图1 改造前厂房分期建造平面示意

1.2 原结构检测鉴定情况

烧结主厂房(图1所示整体建筑)安全(含抗震)鉴定报告鉴定结论如下:主厂房结构综合安全性等级为Ceu级,表明结构安全性不符合《房屋结构综合安全性鉴定标准》(DB11/T 637—2015)[1]的安全性要求,影响整体结构安全性能;抗震性能不符合国家现行标准《建筑抗震鉴定标准》(GB 50023—2009)[2]和《房屋结构综合安全性鉴定标准》(DB11/T 637—2015)[1]关于A类(后续使用30年)的抗震能力要求。

1.3 本次改扩建内容

根据建筑方案,本次改造后烧结厂房主要使用功能为配套商业和办公,保留原有工业遗存风貌。在旧厂房顶部加建4层新建建筑,营造轻盈、悬浮的意向,改造后效果图及剖面图如图2、图3所示。根据建筑功能需要,对原厂房的主要改扩建内容如下:1)首层顶4.95m标高原为架设备的钢框架梁,本次改造需新增整层楼板;2)二层顶板标高11.1m,需拆除中庭范围楼板;3)三层顶16.4m标高现状两边跨为架设烧结机的钢架,需拆除原有烧结机及钢架,整层新增梁、板;4)四层顶21.2m标高现状均无梁、板,原结构部分框架柱缺失未伸至本层,需自下层接建框架柱,整层新增梁、板;5)西侧五层27.2m标高、六层33.8m标高局部新增楼板;6)原结构钢桁架屋盖锈蚀破损严重,拆除后复建;7)在旧厂房之上及厂房东侧新增加建结构;8)针对以上修改对改造后主体结构进行整体复核,对原结构进行整体抗震加固。

图2 烧结厂房改造后效果图

图3 烧结厂房改扩建工程剖面图

2 改扩建结构设计要求和原则

根据建筑方案要求:1)对于旧厂房之上的四层新建建筑的加建设计应尽可能减小对旧厂房原貌的影响;2)旧厂房加固改造应尽量避免破坏厂房构件的原始外观,除西立面以外应避免拆改旧厂房二次结构外墙,从建筑整体到局部构件尽可能地保留建筑的原有工业遗存风貌。旧厂房改造及新建结构范围见图3,改扩建设计参数及取值见表1。

表1 改扩建设计参数

3 改扩建结构设计

根据建筑方案对改扩建的设计要求,综合考虑结构的安全性、合理性与经济性,确定了本工程新建建筑与旧厂房改造的结构设计方案。

3.1 新建建筑结构设计方案

如在旧厂房结构上直接加建四层新建建筑,多数原结构框架柱内力远超其承载力,需采用加大截面法加固处理,并需大幅增加抗侧力构件以满足主体结构的整体刚度要求。为尽可能地减少对原结构的改造加固工程量,满足建筑使用功能需要,最大限度地保留原结构的工业风貌,采用将新建建筑与旧厂房脱开的结构方案。新建建筑采用钢框架-支撑结构体系,其西侧利用交通核设置四个巨型钢框筒(内设钢支撑)作为上部新建建筑的竖向支撑,钢框筒穿过旧厂房并与旧厂房间设置防震缝脱开。旧厂房以外的东侧部分亦为新建,新建建筑在九～十层集中设置两层高钢桁架转换层,采用上托下挂的形式实现旧厂房之上不落地范围的建筑功能(图3、图4)。整个四层新建钢结构全部由钢框筒支撑,新建建筑不落地部分由大跨转换桁架承托。钢框筒和大跨转换桁架为新建建筑的关键构件,按照中震弹性、大震不屈服的性能目标进行设计。钢框筒位于楼电梯间,因不同楼层出入口位置不尽相同,故采用了交叉撑、人字撑、BRB等多种支撑形式,既满足了结构受力需要,同时满足了建筑使用功能需求。大跨转换桁架的结构设计同时满足了强度、刚度与舒适度的要求。

图4 烧结厂房新建建筑构件拆解示意图

3.2 旧厂房加固改造方案比选

本次改造旧厂房内新增楼层较多,主体结构荷载增加较大。采用PKPM系列软件鉴定加固模块进行整体计算复核,在多遇地震作用下原结构部分梁、柱构件承载力不足,主体结构的层间位移角与位移比等指标不满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]的要求,部分位置地基基础承载力不足,故对主体结构进行整体抗震加固[4-9]及地基基础加固设计。图1中原结构缝西侧单元在新建建筑核心筒范围需拆除原结构梁板,新增中庭范围需拆除原有楼板,造成西侧结构单元相对薄弱。为提高主体结构的整体刚度、加强结构整体性,便于统一加固处理,本次改造取消原结构缝,将缝两侧结构单元连接为一整体。

3.2.1 框架-剪力墙结构体系方案

考虑改变原结构体系,结合建筑楼电梯核心筒及其他适当位置增设剪力墙,形成框架-剪力墙结构体系。此方案的优点是:1)新增剪力墙承担大部分地震剪力,可减少对原结构框架部分的抗震加固工程量;2)使结构成为双重抗侧力体系,提高了结构在地震作用下的安全储备和防倒塌能力。缺点是:1)由于该结构体系对变形要求较高,在满足规范变形限值要求的前提下,所需新增剪力墙数量较多。本工程首层～四层均为商业,剪力墙的设置对其开敞、灵活布置的功能需求有较大影响。2)新增剪力墙的施工对相应位置的原结构损伤较大,现场施工难度很大。

3.2.2 框架-屈曲约束支撑(BRB)结构体系方案

考虑改变原结构体系,结合建筑楼电梯核心筒及其他适当位置增设屈曲约束支撑(BRB),形成框架-屈曲约束支撑(BRB)结构体系。此方案具备框架-剪力墙结构体系方案的各项优点,并且BRB在多遇地震时为主体结构提供抗侧刚度,在罕遇地震时BRB进入塑性,起到消能减震作用,使得整体结构抗震性能得以提高。BRB支撑施工安装相对简单,对建筑使用功能影响相对较小。

综合比选后采用框架-屈曲约束支撑(BRB)结构体系作为旧厂房改造的结构方案。本工程建筑方案的重要特点是保留原有厂房的工业遗存风貌,BRB具有布置灵活、对建筑使用功能影响较小的优势,并且支撑这种构件形式也符合建筑方案的风格特点。旧厂房加固前主体结构抗扭刚度较弱、扭转效应明显,厂房西侧为主体结构最高位置,对抗侧刚度有较大需求。根据上述问题,较为有效的解决方法是在建筑的外围布置一定数量的BRB。旧厂房建筑外墙贴砌在框架梁、柱外侧,设置BRB不需拆除原有建筑墙体,外墙处具备布设条件。为展现建筑内部的工业风貌,建筑方案将西侧的原有实体外墙改为通透的玻璃幕墙,布置BRB不会对建筑产生遮挡。结合建筑方案在需要加强结构刚度的建筑外围(包括西侧外墙处),在建筑内部楼电梯核心筒等适当位置设置了BRB(图5)。根据受力情况对与BRB相连的原结构框架梁、柱进行了加固处理。采用框架-屈曲约束支撑(BRB)结构体系增强了原结构的抗侧刚度和抗扭刚度,同时满足建筑使用功能需要,最大限度地保留了旧厂房的工业遗存风貌。

图5 BRB布置平面示意图

3.3 旧厂房加固改造设计

BRB的应用减少了本工程原有框架抗震加固工程量。因本工程建筑使用功能变化较大,不同部位原结构构件受力情况复杂,仍有一定数量构件需按传统加固方式处理[10]。

(1)典型梁加固:梁抗弯、抗剪承载力不足采用粘贴钢板法或外包型钢法加固,其优点是加固对结构自重影响较小,且最大限度地保留原结构混凝土的原有形态,是建筑师接受的加固形式;仅支座位置内力超过原结构承载力40%时,采用梁根部竖向加腋的方法进行加固;旧厂房首层顶原为架设设备的钢框架梁,新增楼板后其承载力不能满足要求,采用外包混凝土形成钢骨混凝土梁的方式,满足了构件强度与刚度要求(图6)。

(2)典型楼板加固:楼板承载力不足优先采用粘碳纤维加固;部分板内力超过原结构承载力40%,采用叠合楼板加大截面加固;对于新开较大洞口的楼板,在洞口边设置钢梁加固。

(3)典型柱加固:原结构承载力不足时,优先采用外粘型钢加固法加固;部分柱内力超出原结构承载力过大者,采用增大截面法加固,外墙处柱加大截面构造及结构缝处双柱连接加固构造分别如图7、图8所示。

图7 外墙处框架柱增大截面加固详图

图8 结构缝处双柱连接加固详图

(4)地基基础加固:基础本身承载力不足,采用柱基增设肋梁加固;地基承载力不足时,采用加大基底面积法加固。

3.4 旧厂房加固后主体结构抗震性能分析

采用PKPM系列软件SATWE进行旧厂房整体计算,整体计算模型如图9所示。对比在多遇地震作用下未采用BRB加固与采用BRB加固两种结构方案下主体结构的抗震性能[5],分析结果如表2所示。由表2可以看出,未采用BRB加固时主体结构的抗侧、抗扭刚度严重不足,周期比、层间位移角及位移比等指标均不满足规范要求;采用BRB加固后,BRB在多遇地震作用下为主体结构提供抗侧刚度,上述指标均满足规范要求,采用BRB加固后结构在多遇地震下的最大层间位移角如图10所示。

表2 小震弹性计算结果对比

图9 旧厂房整体计算模型

图10 多遇地震下最大层间位移角

采用动力弹塑性时程分析方法对结构在罕遇地震下的抗震性能及变形情况进行研究,采用软件SAUSAGE进行分析。本工程为框架-钢支撑结构体系,按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]附录G.1.4条,其变形限值按框架结构和框架-剪力墙结构内插值计算,罕遇地震下的最大层间位移角限值为1/67。根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3]规定,时程分析选取三条地震波,其中两条天然波一条人工波(图11),罕遇地震作用下的弹塑性位移如表3及图12所示。结构在罕遇地震下的最大层间位移角X向为1/132,Y向为1/84,均满足规范1/67的限值要求。作为结构第一道防线,大部分BRB进入屈服,起到了一定耗能作用,由BRB提供的附加阻尼比X向和Y向分别为2.3%和2.4%。罕遇地震下绝大部分框架柱(包括与BRB相连的框架柱)为轻微损坏,且进入塑性程度较低。部分柱为中度损坏,无严重破坏(图13)。根据滞回曲线(图14),除部分位于接近建筑顶部的BRB外,其余各层BRB均屈服,滞回曲线比较饱满,BRB起到了消能减震作用。BRB在罕遇地震下的位移未超过其极限位移,也未发生超过其极限承载力的破坏。综上,结构在罕遇地震下的变形满足规范要求,且构件无严重损坏,满足“大震不倒”的设计目标,并以计算的变形值作为新旧结构间变形缝宽度的取值依据。

表3 大震弹塑性位移计算结果

图11 小震时程反应谱与规范谱对比图

图12 罕遇地震下最大弹塑性层间位移角

图13 柱性能统计

图14 BRB典型滞回曲线

4 结语

在厂房改扩建设计过程中通过方案比选,综合考虑建筑使用功能、主体结构抗震性能、施工难度等诸方面因素,将新建建筑与旧厂房脱开,旧厂房改造采用了适合本工程的框架-屈曲约束支撑(BRB)结构体系。BRB的应用使结构成为双重抗侧力体系,提高了结构在地震作用下的安全储备和防倒塌能力。BRB在多遇地震时为主体结构提供抗侧刚度,在设防地震与罕遇地震时BRB进入塑性,起到消能减震作用,使得整体结构抗震性能得以提高。此加固方案利用消能减震技术减少了传统加固措施的工程量,降低施工难度。结合一些创新设计的特殊加固节点做法,最大限度地满足了建筑保留原有工业遗存风貌的需求。可为类似改扩建工程的结构设计提供参考与借鉴。