方維遠(yuǎn) 陶忠 陳偉

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

唐山是一個經(jīng)歷過毀滅性災(zāi)難的城市，而經(jīng)過幾十年的重建、振興和快速發(fā)展，一座現(xiàn)代化城市在祖國渤海之濱已重新站穩(wěn)腳跟。城市發(fā)展是一個不斷更新和變革的動態(tài)過程，在這一發(fā)展過程中，如何處理既有舊工業(yè)建筑是一個現(xiàn)實(shí)問題。保留具有歷史文化價值和深厚歷史文化底蘊(yùn)的老工業(yè)廠房，進(jìn)行規(guī)劃、改造和更新為適合現(xiàn)代城市的建筑，以便留住城市記憶是魯爾工業(yè)開發(fā)區(qū)的改造理念[1-4]。

唐山市開平區(qū)一座老工業(yè)廠房是國家生產(chǎn)計(jì)劃的建設(shè)成果，改造是否成功是整個或者部分工業(yè)遺產(chǎn)是否能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。本文在原有工業(yè)廠房的基礎(chǔ)上，采用裝配式鋼框架及梁墻一體式墻板和可拆卸式剪力墻板對原有工業(yè)廠房進(jìn)行改造更新。這樣，舊廠房價值的適用性和舒適性能得到最大程度的展現(xiàn) ，其功能和價值最終也將得到有效轉(zhuǎn)化。

在尊重老工業(yè)基地的歷史背景下，本改造為舊廠房注入新的內(nèi)涵和功能，實(shí)現(xiàn)其有效利用。為了保證原貌，并在內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)?shù)母脑?，鋼梁柱?jié)點(diǎn)采用裝配式法蘭外環(huán)板式，新加樓蓋板采用預(yù)制預(yù)應(yīng)力帶肋底板混凝土拼裝板(簡稱PKG板)，同時與鋼框架梁形成鋼-混凝土組合梁體系，并與裝配式墻板一體化設(shè)計(jì)，內(nèi)墻板一部分采用原屋面重型混凝土板調(diào)節(jié)樓層重心，另一部分采用輕質(zhì)石膏復(fù)合輕鋼龍骨墻板。此設(shè)計(jì)可提高改建廠房容積率，充分利用城市空間，保留城市記憶，有效保護(hù)耕地；節(jié)約拆遷、建筑垃圾運(yùn)輸和征地費(fèi)用，施工中拆除的山墻采用ALC外墻板進(jìn)行修復(fù)；建設(shè)周期較短，加建改造既保持了原有建筑的風(fēng)貌，又美化了工業(yè)城市的風(fēng)貌；抗震加固相結(jié)合，給續(xù)建和增建樓層帶來了多重好處。

1 工程概況

本改造加固更新工程為河北省唐山市開平區(qū)某舊工業(yè)廠房全裝配式改造更新(見圖1)，原建筑總面積 4 400 m2，改造后建筑總面積5 500 m2。結(jié)構(gòu)體系為原舊廠房鋼筋混凝土和加固更新的全裝配式框架結(jié)構(gòu)，總共5層，主體4層，附加結(jié)構(gòu)3層，4層與5層存在錯層?？拐鹪O(shè)防烈度為8度(0.2g)，地震分組為第二組，場地類別為Ⅱ類。

(a)建筑圖

(b)結(jié)構(gòu)圖

2 建筑功能改造分析

城市中一些有價值的工廠被人們所忘記，慢慢的消失在我們的城市中[5]。因此，有必要針對具備價值的工業(yè)基地實(shí)施改造計(jì)劃，以此來促使其各項(xiàng)價值功能得以復(fù)興，最終實(shí)現(xiàn)再利用的目標(biāo)。所以將工廠改造成創(chuàng)客空間是實(shí)現(xiàn)廢棄廠房的最佳選擇，同時也留住了城市記憶，煥發(fā)出了新的城市生機(jī)。利用廠房的有限空間，新增建筑夾層，增加建筑容積率，合理布置建筑空間(見圖2)。

3 改造更新方案設(shè)計(jì)

3.1 鋼柱、梁節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

鋼柱、梁節(jié)點(diǎn)主要應(yīng)用于加固廠房時的新增內(nèi)部鋼框架體系，這里采用自主開發(fā)的法蘭外環(huán)板式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)[6-7]，詳見圖3。法蘭外環(huán)板式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場試驗(yàn)見圖4。

圖2 改造后(黑條表示新增層)建筑效果

(a)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)圖示

(b)節(jié)點(diǎn)滯回曲線

圖4 法蘭外環(huán)板式加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)

在低周往復(fù)荷載作用下，由節(jié)點(diǎn)組成的各構(gòu)件都會發(fā)生塑性變形以耗散能量，從而保護(hù)整體結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈現(xiàn)典型的非線性特征。加載初期，試件的滯回曲線接近線性發(fā)展，沒有形成明顯的滯回。加載與卸載的滯回路徑基本重合，曲線斜率較小，整個構(gòu)件可視為處于彈性階段，且節(jié)點(diǎn)剛度不變，卸載后無殘余變形。

節(jié)點(diǎn)域的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線能反映整個節(jié)點(diǎn)在地震作用下的綜合性能，反映節(jié)點(diǎn)在低周往復(fù)荷載作用下的荷載-位移關(guān)系，反映整個試件的強(qiáng)度、剛度退化和損失。節(jié)點(diǎn)的耗能、延性等力學(xué)性能滯回曲線越完整，在地震作用下耗能越多，抗震性能越好。由圖3(b)可知，節(jié)點(diǎn)滯回曲線比較飽滿，呈輕微捏縮狀的梭型，試驗(yàn)過程中表現(xiàn)出了“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的特性。

3.2 新加鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

該工程中有部分節(jié)點(diǎn)涉及到新加工字鋼梁與原混凝土構(gòu)件的連接。主要連接方法為：原有砼構(gòu)件加固過程中預(yù)埋一塊端部鋼板，采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線以后張法施工工藝將預(yù)埋鋼板錨固。通過預(yù)埋鋼板，采用全栓接剛性節(jié)點(diǎn)將工字鋼梁與預(yù)埋鋼板連接(見圖5)。

(a)新加工字鋼梁與原混凝土構(gòu)件連接示意

(b) 1-1剖面

該工程中新增箱型鋼柱與原混凝土結(jié)構(gòu)部分的連接主要有兩種形式，分別為新增鋼柱與下層砼柱的連接以及新增鋼柱與上層梁板的連接。其中新增鋼柱的端部焊接一塊鋼板(鋼板焊接工作在工廠完成)，采用后錨固螺栓與原混凝土構(gòu)件的相應(yīng)部位相連接。其中，新增鋼柱與頂面混凝土梁板相連時，應(yīng)在廠房加固時形成與鋼柱端部鋼板等水平面積的柱帽(見圖6)。

(a)新增鋼柱與下層砼柱連接示意

(b)新增鋼柱與上層梁板連接示意

3.3 抗側(cè)力墻板體系

采用的梁-墻一體式帶邊縫墻板由于邊縫及內(nèi)部鋼管的存在而有一定滑移，耗能能力有所削弱，體現(xiàn)出內(nèi)部混凝土墻板的剪切特性，但是延性增加[8]。極限層間位移角為1/42，屈強(qiáng)比為0.82，延性系數(shù)為1.89。彈性階段的等效阻尼比考慮為0.04，彈塑性最大阻尼比為0.19(見圖7)。該種墻板后期主要由鋼框架承擔(dān)水平承載力和傾覆彎矩，主要應(yīng)用于該結(jié)構(gòu)的5～10軸線及A～C軸線圍合范圍內(nèi)的新加抗側(cè)力墻體。

(a)梁-墻一體式帶邊縫墻板分離示意

(b)梁墻一體式帶邊縫墻板試驗(yàn)滯回曲線

(c)梁墻一體式帶邊縫墻板現(xiàn)場試驗(yàn)

3.4 可拆卸式剪力墻板

采用的剪力墻板[9]亮點(diǎn)為可拆卸，通過合理的設(shè)計(jì)，將剪力墻與周邊框架相連的連接片設(shè)計(jì)成大震不屈服，剪力墻和周邊框架共同構(gòu)成了抗側(cè)力體系(見圖8)，其中剪力墻為第一道抗震防線，周邊框架為第二道抗震防線。當(dāng)遭遇地震后只有第一道防線的剪力墻破壞時，可將剪力墻拆卸后更換新的剪力墻構(gòu)件。該工程項(xiàng)目中，除了使用梁-墻一體式帶邊縫墻板的抗側(cè)力構(gòu)件之外，其他新加抗側(cè)力墻板均使用可拆卸式墻板與周邊框架相連。

3.5 內(nèi)填充墻體系

輕質(zhì)石膏復(fù)合輕鋼龍骨墻板[10]具有良好的隔音及防火功能(見圖9)，面層的聚氨酯板能夠增加房間內(nèi)的隔熱及隔音效果，同時完成了圍護(hù)墻板的初次裝修。由于改造后的結(jié)構(gòu)在平面上樓板多處開洞及不連續(xù)，造成了結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則的問題。

1—周邊C型鋼；2—圓鋼管；3—鋼筋網(wǎng)；4—填充材料

1—剪力墻；2—鋼柱；3—剪力墻周邊鋼板；

(c) 可拆卸式墻板與砼框架連接大樣

(a)輕質(zhì)石膏復(fù)合輕鋼龍骨墻板

(b)內(nèi)圍護(hù)墻與鋼框架連接形式

(c) 內(nèi)墻板與砼框架連接形式

因此，除了通過建筑上合理功能布局調(diào)節(jié)質(zhì)量及剛度偏心外，可將廠房一部分原重型屋面板取下后當(dāng)做內(nèi)部圍護(hù)墻，布置在平面適當(dāng)位置達(dá)到調(diào)整結(jié)構(gòu)重心的目的，從而減少質(zhì)心與剛心的偏離。

3.6 外圍護(hù)墻體系

施工過程中，廠房的外山墻需要拆除，為了實(shí)現(xiàn)大量建筑廢棄物的循環(huán)再利用，緩解資源的日益匱乏及降低對生態(tài)壞境的破壞，該工程采用ALC(蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土條板)裝飾一體化外掛墻板恢復(fù)原有山墻[11]。該種墻板材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)并且防火、保溫、隔音性能突出等特點(diǎn)。100 mm厚度的ALC墻板耐火極限為4 h以上。另外，其抗凍性能良好，經(jīng)凍融試驗(yàn)后質(zhì)量損失<1.5%(國家標(biāo)準(zhǔn)<5%)，強(qiáng)度損失<5%(國家標(biāo)準(zhǔn)<20%)。ALC墻板出廠時應(yīng)包括外裝修層(見圖10)。

(a) ALC條板與頂部梁裝配節(jié)點(diǎn)

(b) ALC條板與底部梁裝配節(jié)點(diǎn)

3.7 樓板體系

該廠房改造更新項(xiàng)目中的樓板統(tǒng)一采用PKG預(yù)制疊合板(見圖11)，該種樓板在澆筑混凝土之前作為樓板的底部模板使用，澆筑混凝土后與疊層混凝土形成共同受力體系[12]。相比較現(xiàn)澆樓板而言，該種疊合板在施工過程中支撐較少或可以無支撐施工，因此，其施工工期較短，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。PKG預(yù)制底板的凸起肋條能夠有效阻止后澆混凝土面層的滑移，PKG預(yù)制底板能夠與現(xiàn)澆面層形成有效的組合受力體系，因此，該種樓板的力學(xué)性能較好。綜上所述，PKG預(yù)制疊合樓板有較高的經(jīng)濟(jì)效益，施工質(zhì)量有保障且力學(xué)性能優(yōu)良。

圖11 PKG預(yù)制疊合板的預(yù)制及疊合過程示意

該工程中的樓板支撐構(gòu)件主要為工字鋼梁及下部墻板，PKG預(yù)制板與工字鋼梁及下部墻板通過抗剪螺栓連接，完成混凝土澆筑后，樓板與工字鋼梁及樓板與上下層墻板即成為一體式構(gòu)件(見圖12、圖13)。

圖12 梁板一體式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意

圖13 板墻一體式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)示意

其中，樓板與工字鋼梁形成了鋼-混凝土組合梁體系，能夠有效提高鋼梁的承載能力。施工過程中，應(yīng)在預(yù)制PKG底板時，在PKG底板相應(yīng)位置預(yù)留抗剪螺栓的孔洞，抗剪螺栓應(yīng)在工廠預(yù)制構(gòu)件時可靠地焊接在工字梁上翼緣部位。

4 結(jié)語

本文結(jié)合實(shí)際工程，對既有鋼筋混凝土工業(yè)廠房框架結(jié)構(gòu)增加全裝配式鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件等進(jìn)行方案分析，對工程中常用的鋼梁與混凝土柱的連接形式進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，研究了該方案的可行性。

主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件、豎向構(gòu)件、梁、板、樓梯、非承重墻等均采用裝配式構(gòu)件，ALC板材及復(fù)合輕鋼龍骨墻板可實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，使用率大于80%。

按現(xiàn)行《裝配式建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51129—2017)，該工程的裝配率達(dá)到AAA級標(biāo)準(zhǔn)，能有效發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，推行科學(xué)發(fā)展觀，把既有建筑物改造成為唐山市循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一個亮點(diǎn)。