陳招智，陳 穎，李盛勇，梁智殷

(廣州容柏生建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)事務(wù)所， 廣州 510170)

1 工程概況

項(xiàng)目位于廣東省珠海市，總建筑面積21萬(wàn)m2，包括高層住宅12棟、別墅19棟、商業(yè)大樓1棟，各塔樓結(jié)構(gòu)均已封頂。應(yīng)開(kāi)發(fā)的需要，建設(shè)方提出了調(diào)整4#，6#，7#樓的戶(hù)型平面，地下室層數(shù)由1層增加為2層等需求。改建前、后塔樓首層均為架空層，基本信息見(jiàn)表1，改建前項(xiàng)目實(shí)景照片見(jiàn)圖1。

改建前、后塔樓建筑信息 表1

圖1 改建前項(xiàng)目實(shí)景照片

4#，6#，7#樓的改建涉及拆除4片原結(jié)構(gòu)主抗側(cè)力剪力墻，改建方案的推演以及結(jié)構(gòu)分析是本文介紹的重點(diǎn)。各棟樓改建思路基本相同，本文以7#樓為例進(jìn)行介紹，其改建前后建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置見(jiàn)圖2、圖3。

圖3 改建后建筑標(biāo)準(zhǔn)層平面布置

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，地震設(shè)計(jì)分組為第一組；50年重現(xiàn)期基本風(fēng)壓0.8kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為B類(lèi)，體型系數(shù)為1.4。

2 塔樓改建方案的推演

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)改建方案

混凝土結(jié)構(gòu)改建方案指在拆除剪力墻后，按改建后建筑平面重新布置剪力墻的方案，見(jiàn)圖4。該方案存在以下問(wèn)題：1)在施工順序上，新增剪力墻是自下而上施工，剪力墻拆除是自上而下施工，施工過(guò)程需確保整體結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，施工難度大，難以實(shí)現(xiàn)；2)新增剪力墻需在架空層上層轉(zhuǎn)換，采用改建的方式實(shí)現(xiàn)框支轉(zhuǎn)換，可靠度低；3)新舊混凝土結(jié)構(gòu)連接需大量植筋，施工質(zhì)量較難控制，建筑品質(zhì)難以保證。

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)改建方案的剪力墻平面布置

2.2 鋼結(jié)構(gòu)改建方案

鋼結(jié)構(gòu)改建方案指拆除剪力墻并在其受力相關(guān)范圍采用鋼結(jié)構(gòu)，與原混凝土結(jié)構(gòu)共同組成混合結(jié)構(gòu)體系。從抗側(cè)體系組成的特征看，X向?yàn)閹Р糠咒摽蚣艿目蚣?剪力墻結(jié)構(gòu)體系，Y向?yàn)榧袅Y(jié)構(gòu)體系。該方案標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖5。該改建方案有如下特點(diǎn)：1)在既定梁高滿(mǎn)足樓層凈高要求下，鋼結(jié)構(gòu)梁能輕松實(shí)現(xiàn)12m跨的需求，無(wú)需增加豎向構(gòu)件；2)由于無(wú)需增加豎向構(gòu)件，結(jié)合施工順序，樓層自上而下的拆除與樓層鋼結(jié)構(gòu)安裝可以同步施工；3)需復(fù)核墻肢減少后對(duì)其余墻肢軸壓比及整體剛度的影響，需采取合理的補(bǔ)償措施；4)鋼梁與原結(jié)構(gòu)剪力墻采用鉸接設(shè)計(jì)，施工相對(duì)簡(jiǎn)單，質(zhì)量易于保證。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)改建方案標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)平面布置

綜合上述判斷，參照相關(guān)工程案例[1-2]，該項(xiàng)目采用鋼結(jié)構(gòu)改建方案，并對(duì)其作進(jìn)一步的可行性分析、研究。

3 鋼結(jié)構(gòu)改建方案的可行性研究

3.1 主要構(gòu)件承載力分析

采用YJK軟件對(duì)鋼結(jié)構(gòu)改建方案結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力分析得到：樓層鋼梁最大應(yīng)力比為0.69(圖6)；樓層鋼梁最大撓度12.8mm，撓跨比1/888；樓層最小自振頻率為10.64HZ，位于陽(yáng)臺(tái)外側(cè)邊梁位置；剪力墻最大軸壓比小于0.46(圖7,8)；結(jié)構(gòu)構(gòu)件的各項(xiàng)豎向受力指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求且有一定安全冗余。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)層鋼梁應(yīng)力比

圖7 拆除墻肢后首層剪力墻軸壓比

圖8 拆除墻肢后2層剪力墻軸壓比

3.2 基礎(chǔ)承載力復(fù)核

改建采用鋼結(jié)構(gòu)方案后，結(jié)構(gòu)的總重量較原結(jié)構(gòu)減小，恒載+活載(D+L)作用下改建前、后基礎(chǔ)內(nèi)力見(jiàn)圖9。由圖9可以看出，被拆除的4片剪力墻位置，基礎(chǔ)內(nèi)力減小，周邊剪力墻的基礎(chǔ)內(nèi)力增加，符合受力經(jīng)驗(yàn)判斷。經(jīng)復(fù)核，原基礎(chǔ)承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求，塔樓基礎(chǔ)無(wú)需加固。

圖9 改建前后基礎(chǔ)內(nèi)力/kN

3.3 鋼結(jié)構(gòu)改建方案的剛度補(bǔ)償分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)的剛度分布特點(diǎn)

改建前結(jié)構(gòu)X向剛度分布特點(diǎn)：X向剪力墻少，框架抗側(cè)貢獻(xiàn)大，屬于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。由于改建僅拆除Y向剪力墻，拆除剪力墻后，X向剛度的減小源于X向框架榀數(shù)的減少。

改建前結(jié)構(gòu)Y向剛度分布特點(diǎn)：Y向主抗側(cè)力貢獻(xiàn)源于中部Y向布置的剪力墻，拆除的4片剪力墻均不在抗側(cè)主貢獻(xiàn)區(qū)，見(jiàn)圖2。拆除了剪力墻后，結(jié)構(gòu)Y向剛度的減小源于非Y向抗側(cè)主貢獻(xiàn)區(qū)的4片剪力墻的拆除。

3.3.2 剛度補(bǔ)償方案概述

結(jié)合結(jié)構(gòu)的剛度分布特點(diǎn)，剛度補(bǔ)償方案采用在結(jié)構(gòu)X向磚墻轉(zhuǎn)角位置設(shè)置鋼柱與鋼梁形成空間受力的空腹鋼桁架以提供剛度，鋼柱向下僅落至3層鋼梁的位置；結(jié)構(gòu)Y向在抗側(cè)力主貢獻(xiàn)區(qū)外圍設(shè)置端柱或者剪力墻，見(jiàn)圖10。

圖10 剛度補(bǔ)償方案標(biāo)準(zhǔn)層平面布置圖

3.3.3 剛度補(bǔ)償方案的特點(diǎn)

在豎向受力上，鋼梁無(wú)需鋼柱支撐，結(jié)合自上而下的施工順序并采取后安裝施工方式，底部鋼柱的軸壓比僅為0.01，其實(shí)際分擔(dān)的豎向力很小，鋼柱為非豎向承重構(gòu)件。

在抗側(cè)受力上，鋼梁與混凝土墻、柱為鉸接連接，鋼柱與鋼梁為剛接連接，鋼柱與鋼梁形成空腹鋼桁架參與抗側(cè)受力，可以有效地提升整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度。

從施工角度，鋼梁與原有結(jié)構(gòu)剪力墻采用鉸接連接，構(gòu)造簡(jiǎn)單。疊合端柱及剪力墻均在建筑外圍設(shè)置，施工便利。

從建筑使用角度，由于鋼柱后安裝，豎向力小，有利于鋼柱截面控制。

3.3.4X向剛度補(bǔ)償方案的內(nèi)力特點(diǎn)以及不同剛度補(bǔ)償措施下的剛度對(duì)比

地震作用下設(shè)置鋼柱及未設(shè)置鋼柱時(shí)同榀框架梁、柱彎矩分布示意圖見(jiàn)圖11。由圖11可知，設(shè)置鋼柱后，鋼柱及與鋼柱相連鋼梁在水平力作用下產(chǎn)生內(nèi)力，為結(jié)構(gòu)提供側(cè)向剛度。

圖11 地震作用下設(shè)置鋼柱及未設(shè)置鋼柱時(shí)同榀框架梁、柱彎矩分布示意圖

Y向剛度補(bǔ)償措施：抗側(cè)力主貢獻(xiàn)區(qū)外圍增設(shè)端柱及剪力墻；X向剛度補(bǔ)償措施：鋼框架內(nèi)部增置鋼柱以形成空腹受力框架。風(fēng)荷載作用下不同剛度補(bǔ)償措施時(shí)結(jié)構(gòu)最大層間位移角見(jiàn)表2。由表2可以看出，在結(jié)構(gòu)雙向均未采取剛度補(bǔ)償措施時(shí)，結(jié)構(gòu)最大層間位移角均不滿(mǎn)足規(guī)范層間位移角限值1/800要求；僅在Y向抗側(cè)力主貢獻(xiàn)區(qū)外圍增設(shè)端柱及剪力墻后，結(jié)構(gòu)Y向最大層間位移角明顯降低，說(shuō)明結(jié)構(gòu)Y向抗側(cè)剛度明顯增大；在X向鋼框架內(nèi)部設(shè)置鋼柱后，結(jié)構(gòu)X向最大層間位移角明顯降低，說(shuō)明結(jié)構(gòu)X向抗側(cè)剛度明顯增大。

在結(jié)構(gòu)雙向均采取上述剛度補(bǔ)償措施后，結(jié)構(gòu)雙向最大層間位移角均明顯降低，且均能滿(mǎn)足規(guī)范層間位移角限值1/800要求。

風(fēng)荷載作用下不同剛度補(bǔ)償措施時(shí)結(jié)構(gòu)的最大層間位移角 表2

4 改建結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)

改建結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的選取及構(gòu)件性能水準(zhǔn)要求同原設(shè)計(jì)，按C級(jí)。結(jié)合改建后結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，增加以下兩類(lèi)重要構(gòu)件的性能水準(zhǔn)要求：1)對(duì)于鋼柱，因鋼柱為非承重豎向構(gòu)件，性能水準(zhǔn)同一般水平構(gòu)件；2)結(jié)構(gòu)樓板是新、舊結(jié)構(gòu)連接的重要構(gòu)件，其性能目標(biāo)按小震彈性，中震抗彎不屈服、抗剪彈性，大震滿(mǎn)足抗剪截面要求設(shè)計(jì)。

5 結(jié)構(gòu)計(jì)算與分析

采用YJK和ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震、中震及風(fēng)荷載作用下的計(jì)算，大震彈塑性采用SAUSAGE軟件進(jìn)行計(jì)算。施工加載按實(shí)際施工方案進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

5.1 小震及風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)計(jì)算

(1) 結(jié)合改建結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在采用YJK軟件進(jìn)行計(jì)算時(shí)，混凝土阻尼比取0.05，鋼材阻尼比取0.03，通過(guò)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)前3階振型的阻尼比分別為0.043,0.049,0.048，因此在小震及風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算阻尼比偏安全地取0.04。

鋼梁、鋼柱采用外包鋼筋混凝土的方式以滿(mǎn)足防火、防腐要求[3]，構(gòu)造示意見(jiàn)圖12。鋼材容重考慮防火面層荷載的等效容重輸入，偏安全地不考慮外包混凝土對(duì)鋼梁、鋼柱剛度的影響。

圖12 鋼梁防火構(gòu)造示意

改建施工采用了分段拆除，同步安裝，各施工分段之間相互約束的施工方案，具體介紹見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。結(jié)構(gòu)受力與施工順序密切相關(guān)，樓層及構(gòu)件的施工順序均在軟件計(jì)算中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模擬。

(2) 采用YJK和ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震及風(fēng)荷載作用下的計(jì)算[5-7]，主要計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3及圖13～15。由表3可以看出，YJK和ETABS軟件計(jì)算結(jié)果相近，且均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖13 小震作用下結(jié)構(gòu)層間位移角與樓層位移曲線(xiàn)

圖14 風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)層間位移角與樓層位移曲線(xiàn)

圖15 小震作用下樓層側(cè)向剛度比與受剪承載力比曲線(xiàn)

主要計(jì)算結(jié)果 表3

5.2 中震性能計(jì)算及樓板應(yīng)力分析

按第3性能水準(zhǔn)及構(gòu)件分類(lèi)要求復(fù)核中震作用下的構(gòu)件性能[5]，計(jì)算結(jié)果顯示，中震下各構(gòu)件性能均可滿(mǎn)足規(guī)范要求，構(gòu)件性能基本由小震控制，施工圖按包絡(luò)設(shè)計(jì)。

因2層及以上樓層的剪力墻數(shù)量減少，且2層樓板起到了變形協(xié)調(diào)的作用，補(bǔ)充中震作用下樓板的應(yīng)力分析，結(jié)果見(jiàn)圖16。由圖16可以看出，在新舊混凝土樓板交界位置，混凝土拉應(yīng)力小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，滿(mǎn)足性能要求?？紤]到此層樓板的重要性，采取增加50mm厚配筋混凝土面層作為加強(qiáng)措施。

圖16 中震下2層樓板主拉應(yīng)力云圖/MPa

5.3 大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(2016年版)[5]，選取2條天然波和1條人工波，采用SAUSAGE軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行大震下的彈塑性分析，主要分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可以看出，大震下結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/214，滿(mǎn)足小于規(guī)范限值1/150的要求；大震彈塑性分析所得剪重比為5.67%～9.65%，為小震的4.2～5.7倍，與彈性大震下計(jì)算結(jié)果的比值在0.6～0.9之間，說(shuō)明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性損傷后剛度下降。

SAUSAGE主要分析結(jié)果 表4

大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果表明，鋼框架柱和鋼框架梁均無(wú)塑性應(yīng)變，滿(mǎn)足抗震性能要求；各類(lèi)構(gòu)件表現(xiàn)良好，能夠滿(mǎn)足預(yù)設(shè)性能目標(biāo)要求。

6 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

鋼框架梁與主體結(jié)構(gòu)混凝土柱、剪力墻連接節(jié)點(diǎn)未采用常規(guī)錨筋植入主體結(jié)構(gòu)的方式，而是創(chuàng)新性地采用高強(qiáng)混凝土過(guò)渡段作為連接錨固體，進(jìn)行受力連接，見(jiàn)圖17。設(shè)計(jì)時(shí)考慮了以下幾點(diǎn)：1)鋼框架梁與混凝土梁頭采用鉸接構(gòu)造，鋼框架梁與混凝土墻、柱之間設(shè)置高強(qiáng)混凝土過(guò)渡段，過(guò)渡段范圍內(nèi)保留原框架梁縱筋，鋼框架梁錨板錨筋與梁頭保留縱筋在過(guò)渡段進(jìn)行錨固；2)最大程度地利用原混凝土框架梁縱筋，避免大量植筋對(duì)主體結(jié)構(gòu)的損傷；3)框架梁梁頭用梯級(jí)打鑿方式以提高抗剪能力，見(jiàn)圖18；4)鋼框架梁采用外包鋼筋混凝土為防火層，外包混凝土完成面與節(jié)點(diǎn)區(qū)完成面平齊，見(jiàn)圖12。

圖17 鋼梁與混凝土結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

圖18 梁頭打鑿照片

7 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)

施工初期，委托廣東省某公司對(duì)改建完成的樓層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證已完工樓層在豎向荷載作用下能否滿(mǎn)足理論計(jì)算的荷載-變形關(guān)系及規(guī)范要求的撓度限值，并驗(yàn)證樓面及鋼梁節(jié)點(diǎn)裂縫的情況。

試驗(yàn)采用原位加載方法，加載荷載值按正常使用荷載工況下的鋼框架梁理論撓度確定，在每根鋼框架梁底部設(shè)置5個(gè)撓度測(cè)點(diǎn)，分別設(shè)在支座點(diǎn)位(距離支座500mm位置)，支座點(diǎn)位之間1/4點(diǎn)位，見(jiàn)圖19。加載過(guò)程記錄鋼框架梁撓度，觀(guān)測(cè)構(gòu)件裂縫發(fā)展情況。因GKL3跨度最大，現(xiàn)以GKL3為例，對(duì)試驗(yàn)情況及數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明。GKL3的加載、卸載撓度曲線(xiàn)見(jiàn)圖20，21，現(xiàn)場(chǎng)加載照片見(jiàn)圖22。

圖19 鋼框架梁撓度記錄點(diǎn)位平面圖

由圖20,21可以看出，在各級(jí)試驗(yàn)荷載作用下，GKL3撓度變化均勻，最大撓度值為0.64mm，對(duì)應(yīng)最大試驗(yàn)荷載的理論撓度值為5.9mm，試驗(yàn)最大撓度遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值。卸載過(guò)程中撓度變化呈彈性狀態(tài)，全部卸載完成時(shí)，殘余撓度小。

圖20 GKL3加載過(guò)程撓度曲線(xiàn)

其余鋼框梁的試驗(yàn)結(jié)果以及數(shù)據(jù)規(guī)律與GKL3類(lèi)似，也均滿(mǎn)足要求。

圖21 GKL3卸載過(guò)程撓度曲線(xiàn)

圖22 現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)圖片

項(xiàng)目改建施工采用了分段拆除，同步安裝，各施工分段之間相互約束的施工方案。施工方案相關(guān)的拆、建順序，施工技術(shù)要求及施工階段結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，見(jiàn)文獻(xiàn)[4]。

8 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目塔樓已封頂，因建筑布局的調(diào)整拆除4片主抗側(cè)力剪力墻，改建設(shè)計(jì)及施工難度較大。創(chuàng)新性地提出采用帶局部鋼框架的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系，較好地解決了改建難題。且該改建方案經(jīng)工程院院士為首的專(zhuān)家組進(jìn)行了技術(shù)評(píng)審，評(píng)審意見(jiàn)一致認(rèn)為“加固改造設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)方案合理可行”。