某多层框架结构厂房的加层改造设计及分析

　　闫天泽 杨海滨
　　（中国航空规划建设发展有限公司，北京 100120）
　　摘 要：轻钢结构加层在既有建筑物加层改造中应用日益广泛，本文以一个多层钢筋混凝土框架结构的厂
　　房为例，介绍该厂房进行轻钢结构加层改造的设计过程，首先进行加固方案选择和比较，并进行加层结构的计算和加层后结构的抗震鉴定，对连接节点采取特殊的处理方法。本文评估了结构后续使用年限对结构的抗震加固工程量的影响，并采用PKPM软件对加层后结构在设防烈度地震作用下结构的动力特性和影响因素进行了分析。
　　关键词：轻钢结构；加层；抗震鉴定；改造

　　1 导 语
　　随着我国社会经济的发展、城市化和工业化进程的加快，社会对城市建设面积的需求也快速上涨，许多既有建筑物逐渐不能适应使用功能的扩展和变化。在此形势下，建筑业一方面通过新建建筑物来分担压力；另一方面对既有建筑物进行改造，使之能够满足使用者对建筑面积的需求[1]。其中加层改造是目前较为常见的一种改造形式。
　　由于轻钢结构自重轻、作业面小、施工快捷，近年来加层改造中广泛使用轻型钢结构作为加层的结构形式[2]，本文以一个多层混凝土框架结构的轻钢结构厂房加层改造设计为例，介绍加层改造设计的思路和分析成果，以供类似工程参考。
　　2 工程概况
　　某厂房位于北京市，建于2002年，建筑面积8195m2,为地上2层（局部4层）钢筋混凝土框架结构，采用钢筋混凝土独立柱基础，现浇混凝土楼、屋盖板。厂房总长度83.5m，宽45.35m，结构屋面高度12.90m，局部出屋面高度20.70m；主要柱网尺寸为8mx7.2m、8mx8m；1层~2层层高为6.50m，3 层高为4.00m，4 层高为3.70m。现由于甲方扩大生产，需增加约2000m2 使用面积，根据实际情况，选择在原结构主要屋面和局部塔楼屋面增设两个加层。

　　图1 原结构平面布置图

　　图 2 新增刚架平面布置图

　　3 加层方案及节点处理
　　3.1 加层方案的确定
　　本工程进行加层改造时的主要思路是在满足使用要求的前提下减少加固量、降低造价。因此在进行加层结构方案确定阶段，明确了以下几个原则：
　　1）新增结构加层所引起的荷载变化应尽量在原下部结构荷载设计值范围内，应选择自重较小的结构形式，同时去除在建筑物的后续使用阶段中已不需要的荷载作用。
　　2）新增结构的传力途径应简洁、明确，应尽量通过原设计冗余度较高的结构构件（如框架柱而非相对较低的梁板，）从而减少下部结构的加固量。
　　3）新增结构的结构布置应充分考虑原建筑物既有情况，争取不改变原结构的结构布置，也不影响未改造部分的使用功能。
　　本工程加层结构特点为：
　　1）加层高度较高（建筑要求钢梁下净高5m）；
　　2）屋面吊挂管线较少；
　　3）屋面无较重设备。新增结构在竖向上主要承受屋面自重及活荷载（雪荷载）。可供选择的加层方案有钢框架、门式刚架。相较而言，仅作为结构屋面时，门式刚架相比钢框架自重较轻，用钢量更小，结构节点较少，施工更加快捷简单。而拟增层下部结构屋面平整，柱网规则，屋面无重要工艺设备（局部有冷却塔，改造过程中迁移至它处）,也具备刚架的支承条件。
　　因此，加层结构选用门式刚架，其中门式刚架1（建于原结构大部屋面）为三跨，跨度为14.4m,柱距8m,柱高5m，门式刚架2（建于原结构局部塔楼屋面）为单跨，柱距7.2m，跨度为16m。梁柱截面均采用焊接工字钢截面，在门式刚架1的端跨设两列柱间支撑及水平支撑，传递水平方向的荷载作用。
　　3.2 节点处理
　　由于增层后原结构屋面变为新工艺房间楼面使用，改造中将原屋面做法（永久荷载标准值：4.65kN/m2）改为楼面做法（永久荷载标准值：2.46kN/m2），同时将楼面活荷载标准值取2.0kN/m2（与原屋面活荷载相同），这样加层之后屋面荷载设计值基本保持不变，减小对地基基础的影响。
　　门式刚架柱大部分落在原结构混凝土框架柱顶，但原结构有出屋面塔楼，而门式刚架轮廓与塔楼边相接，此处原结构框架柱升至塔楼顶标高，造成新增结构与局部出屋面塔楼相接的边榀刚架柱无法落在原框架柱顶。解决此问题的一种方案是将门式刚架柱贴塔楼柱边，立于下部结构框架梁上；另一种解决方案是在塔楼柱侧增设牛腿作为刚架梁竖向荷载的支座。由于柱底集中力较大，为了避免下部框架梁承载力不足而引起的加固，选择在柱侧增设牛腿做法，牛腿与原结构柱之间通过后锚固连接。连接处的后锚固连接传递剪力至框架柱。
　　4 抗震鉴定
　　在确定加层方案并初步进行结构设计之后，依据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《建筑抗震鉴定标准》、（GB50023-2009）(以下简称鉴定标准)的规定，本工程属于在使用阶段中变更使用功能、进行改造的建筑，应进行抗震鉴定。该厂房抗震设防分类为丙类建筑，抗震设防烈度为8度。
　　由于该厂房建设时间为2002年，根据鉴定标准第1.0.4条，在2001年以后建造的现有建筑，后续使用年限宜采用50年（简称C 类建筑）；在90年代建造的现有建筑，后续使用年限不宜少于40年（简称B类建筑），条件许可应采用50年。因此，该厂房宜按后续使用年限50年进行抗震鉴定。
　　根据鉴定标准第1.0.5条[3]，C类建筑应按现行国家标准《建筑抗震设计规范》（GB50011）的要求进行地震作用计算和截面抗震验算。由于该厂房进行结构设计时采用的规范版本为2002版规范，在混凝土结构的抗震设计上与10版规范有较大差异（见表1）。

　　首先通过回弹法对厂房的混凝土强度进行了检测，并钻取混凝土芯样对回弹检测结果进行修正，经检测，该厂房混凝土强度满足原设计要求。同时对主要结构构件的钢筋配置、抗震构造措施进行了抽检，抽检结果满足要求。
　　由表2中可以看出，相比02版规范，2010版抗规对框架结构截面抗震验算提出了更严格的要求[4]。若按后续使用年限50 年（C类建筑）进行抗震鉴定，作为按02版抗规设计的本工程结构可靠度有较大不足（对框架柱影响尤大）。从表1中可以看出，按抗震鉴定标准，对B类建筑的地震作用计算按标准附录D执行，相较现行抗震规范地震作用的调整系数有所降低。按C类建筑进行初步试算后，底层框架柱计算配筋值普遍高于实配值，需要进行抗震加固，而且加固工程量较大，会影响一层正常的生产作业。而按B类建筑试算后，结构所需加固量大大减少（见表2）。经与甲方商议，为减少加固工程量，降低成本，将结构后续使用年限降为40年，由于原结构已使用10年，因此也满足了原设计使用年限为50年的要求，较为合理。

　　5 加层后下部结构在设防地震作用下的抗震性能分析及影响因素
　　在进行加层后，实际上并没有改变下部结构的结构形式。作为框架结构，下部结构仍应满足“小震不坏、中震可修，大震不倒”的抗震设防目标，仍应具备设防地震作用下足够的抗震承载力和变形性能。
　　由于轻钢结构和下部混凝土结构在材料特性和结构形式的差异，经过加层改造后整体结构实际成为钢-混凝土混合结构，上部结构较柔，下部结构刚度较大，存在竖向上刚度的突变。由于结构在几何布置上的不规则、材料组成上的不统一，很难直接评估在增加上部轻钢加层之后下部结构在设防烈度地震作用下的抗震性能。轻钢加层对下部结构主要的影响有几个方面：1.结构阻尼比的变化；2.结构几何形式的变化；3.结构整体质量和质量分布的变化。本文通过比较原结构与加层后结构在弹性地震下在动力特性上的区别，评估新增加层对结构的影响。
　　5.1 混合结构的阻尼比
　　当结构由两种或两种以上不同特性的材料组成时，确定整体结构阻尼矩阵的做法一般有：1、直接分别输入近似值，加入到整体结构矩阵中去；2、以结构中具有不同阻尼比构件的刚度为权重算出的整体结构阻尼比；3、通过瑞雷阻尼法确定；4、通过折算应变能、动能的能量法计算结构阻尼比[5]。结构阻尼比的取值直接影响结构的动力特性
　　和地震感应，然而我国目前对轻钢加层形成的混合结构阻尼比如何取值并没有明确的规定，类似的混合结构在《高层混凝土结构技术规程》11.3.5条中规定，混合结构在多遇地震作用下阻尼比可取为0.04；在《建筑抗震设计规范》9.2.5条中规定，单层钢结构厂房阻尼比可依据0.045~0.05；但上述混合结构与本文中的加层结构有所不同。本文分别输入结构阻尼比0.04、0.05得到分析结果。
　　5.2 结构抗震分析
　　结构设计地震分组为第一组，Ⅲ类场地土，根据抗规表5.1.4-2，特征周期取0.45s,水平地震最大影响系数0.16，结构阻尼比分别取0.04、0.05；计算软件采用中国建筑科学研究院的PKPM程序中PMSAP模块，采用振型分解反应谱法计算，得到结构设防烈度地震作用下弹性变形指标、层间剪力值见表3、4。

　　5.3 分析结果
　　由表3可以分析，在加层之后，发生最大层间位移的楼层实际上移（由2层转至3层），由于本工程实际减少了二层（原屋面）的荷载，因此二层的层间位移有所减少。原结构的变形曲线为明显的剪切型变形，下部层间变形大，向上逐渐减小；而加层之后，由于二层间位移的减小，三层层间位移的增大，结构变形曲线趋向均匀的线性。
　　由表4中可以看出，相较原结构，由于层荷载的变化，加层后结构层间剪力改变为：一层基本不变，二层减少，可以推断层间剪力仍主要受楼层质量控制。在定义结构不同阻尼比后计算后得到的层间剪力值和变形指标差异不大，按阻尼比为0.04计算时，结构的层间位移角相对较大。
　　6 结 语
　　通过以上分析可得出以下几点结论：
　　1) 在适当条件下，轻型钢结构能够满足结构加层改造的要求，经过合理设计后可以充分发挥其优势，以达到安全、经济、适用的目标。
　　2) 对于设计时采用规范与现行规范不同的既有建筑物，提高加层改造经济性、降低工程造价的关键是减少下部结构的加固量。通过对比现行抗震鉴定标准与抗震规范中有关规定，结构的后续使用年限会对此类结构的抗震鉴定结果产生很大的影响。
　　3) 经过比较在设防烈度地震作用下加层结构的分析结果，加层后在地震作用下结构的变形有明显变化，轻钢加层下一层结构层间位移增大，结构由原框架结构明显的剪切型变形变化为变形较均匀的曲线；阻尼比分别取0.04、0.05 计算时，结构的变形曲线基本相同，主要变形指标差异值在10%以内。当加层结构同时有局部出屋面塔楼时，应评估加层对塔楼的影响。
　　参考文献
　　[1] 高剑平，王茜.我国既有房屋加层改造工程实践和研究现状[J].华东交通大学学报,2004，21（4）：6-9
　　[2] 马宏，董军.轻钢结构体系在旧房增层改造中的应用与发展[J].南京建筑工程学院学报,2001
　　[3] 建筑抗震鉴定标准(GB50023-2009)[S].北京,中国建筑工业出版社，2009
　　[4] 建筑抗震设计规范(GB50011-2010)[S].北京,中国建筑工业出版社，2010
　　[5] 谢静静，马路，杨勇.关于轻钢加层结构阻尼比确定方法的探讨[J].山西建筑,2010，36（3）：83-84
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