王貞琴，蔣 媛

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 611100)

1 工程概況

某工程位于四川省九寨溝縣城，為1層的開敞大廳，外圍護(hù)墻及屋頂均為玻璃幕墻，主體結(jié)構(gòu)由六榀主桁架、四榀次桁架及鋼管柱組成完整的框架結(jié)構(gòu)體系，桁架采用空間三角形管桁架，主要采用的鋼管截面尺寸(外徑×壁厚)有：194 mm×6 mm、168 mm×6 mm、114 mm×4 mm、60 mm×4.5 mm等，鋼管和鋼材均為低合金鋼Q235B，桿件之間均采用相貫焊結(jié)節(jié)點(diǎn)形式，焊縫均為全熔透焊縫。

該工程設(shè)計(jì)于2005年，于2006年投入使用。使用現(xiàn)狀如圖1，原結(jié)構(gòu)見圖2。

業(yè)主根據(jù)使用情況，需要將其規(guī)劃為酒店宴會(huì)大堂使用，對(duì)其內(nèi)部空間的使用功能進(jìn)行調(diào)整，并且增加保溫隔熱吊頂，增加中央空調(diào)，屋面增加太陽能光伏發(fā)電板。

圖1 使用現(xiàn)狀

圖2 原結(jié)構(gòu)平面圖(單位：mm)

由于以上功能改造，大大增加了原結(jié)構(gòu)的荷載，此次將根據(jù)新的使用功對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的部位進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

2 原結(jié)構(gòu)計(jì)算復(fù)核

2.1 原結(jié)構(gòu)檢測(cè)

工程完工后使用至今10多年，部分桿件及連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域難免有防火涂層開裂、起殼、剝落，鋼材表面銹蝕等情況，并且已收集到的原設(shè)計(jì)圖紙是否與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際結(jié)構(gòu)一致等，均需要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鑒定檢測(cè)。鑒定檢測(cè)包含結(jié)構(gòu)布置、主要鋼件截面尺寸復(fù)核，鋼材強(qiáng)度檢測(cè)、焊縫質(zhì)量檢測(cè)、涂層厚度檢測(cè)、損傷狀況檢測(cè)、銹蝕情況檢測(cè)等[1]。根據(jù)鑒定檢測(cè)報(bào)告，進(jìn)行下一步計(jì)算分析。

2.2 結(jié)構(gòu)承載力驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果和原設(shè)計(jì)有關(guān)圖紙資料，結(jié)合房屋改造后使用荷載情況，采用上海同磊土木工程技術(shù)有限公司3D3S結(jié)構(gòu)計(jì)算程序，并根據(jù)相關(guān)現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)構(gòu)承載力進(jìn)行分析驗(yàn)算。

2.2.1 參數(shù)取值

設(shè)計(jì)使用壽命：原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命為50年，至今已使用15年，加固后使用壽命不超過原設(shè)計(jì)使用壽命，按35年考慮，荷載等參數(shù)取值按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年取值。

抗震設(shè)防相關(guān)參數(shù)：該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度0.2 g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類別Ⅱ類，特征周期0.45 s。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[2]5.1.1，屋架跨度小于24 m，計(jì)算水平地震作用，不計(jì)豎向地震作用?？拐鹪O(shè)防類別標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，結(jié)構(gòu)阻尼比0.3，結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)三級(jí)。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)[3]，該地區(qū)50年一遇基本風(fēng)壓0.3 kN/m2，基本雪壓0.4 kN/m2。

根據(jù)改造后裝修及使用功能要求，屋蓋結(jié)構(gòu)附加恒載、活載取值見表1。

表1 屋蓋結(jié)構(gòu)附加恒載、活載取值

2.2.2 整體結(jié)構(gòu)指標(biāo)

原結(jié)構(gòu)已工作運(yùn)行15 a，結(jié)構(gòu)在原荷載作用下產(chǎn)生了一定的變形，計(jì)算時(shí)按原恒載+活載作用下產(chǎn)生的變形值考慮結(jié)構(gòu)整體初始缺陷，主要計(jì)算結(jié)果如下。

1)結(jié)構(gòu)振型。結(jié)構(gòu)前三階振型如表2所示，分別為X平動(dòng)、Y平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振型。結(jié)果表明結(jié)構(gòu)布置合理，抗側(cè)剛度合適。

表2 結(jié)構(gòu)前三階振型

2)結(jié)構(gòu)位移。地震和風(fēng)荷載作用下的層間位移角均能滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)。恒載+活載作用下結(jié)構(gòu)擾度最大值為70 mm，為跨度的1/270，滿足規(guī)范要求1/250。

2.2.3 結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算

根據(jù)整體計(jì)算結(jié)果，提取構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行構(gòu)件承載力驗(yàn)算。結(jié)果表明，由于荷載增加，構(gòu)件內(nèi)力加大，主桁架上弦桿件承載力不足，上弦應(yīng)力比最大為1.30。

根據(jù)以上復(fù)核結(jié)果，該結(jié)構(gòu)整體抗震性能滿足規(guī)范要求，但局部構(gòu)件承載力不滿足要求，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固后才能滿足新的使用功能要求。

3 結(jié)構(gòu)加固方案

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 51367—2019)[4]，鋼結(jié)構(gòu)的加固可分為直接加固與間接加固兩類。直接加固宜根據(jù)工程的實(shí)際情況選用增大截面加固法、粘貼鋼板加固法和組合加固法。間接加固宜根據(jù)工程的實(shí)際情況采用改變結(jié)構(gòu)體系加固法、預(yù)應(yīng)力加固法。

3.1 增加鋼柱支撐

根據(jù)新的使用功能要求和建筑平面布置，在4～5軸之間布置一道內(nèi)隔墻，可以在墻體處增加鋼柱支撐，減小屋頂桁架的跨度，從而減小桁架構(gòu)件的內(nèi)力。此種加固方案屬于改變結(jié)構(gòu)體系的加固設(shè)計(jì)，需要考慮構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和支座的內(nèi)力重分布，并且增加鋼柱基礎(chǔ)。參考原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，持力層較深，原基底標(biāo)高為-4.5 m，此方案基礎(chǔ)施工難度較大。不建議選擇此加固方案。

3.2 鋼管截面加大

原結(jié)構(gòu)承載力不滿足的構(gòu)件是主桁架上弦管，可以考慮直接加大管截面來滿足承載力要求，如圖3所示。方案一采用兩個(gè)半圓鋼管對(duì)接焊，方案二采用對(duì)稱焊接鋼板增大截面法，在腹桿與弦桿連接節(jié)點(diǎn)處，不方便加固處理。且增加此兩種方案主要針對(duì)上弦桿施工，需要拆除上部玻璃屋面才能進(jìn)行焊接施工，施工完之后，再?gòu)?fù)原屋頂玻璃面，此方案會(huì)增加一定的施工作業(yè)量。

圖3 方案示意

3.3 桁架截面加大

除了采用以上直接加大管截面外，還可以考慮增大桁架截面，相當(dāng)于增加了桁架截面面積且截面高度增加結(jié)構(gòu)剛度增大。如圖4所示，此方案在桁架的下弦進(jìn)行焊接施工，減少對(duì)上部玻璃屋面影響。

圖4 方案三

3.3.1 整體計(jì)算結(jié)果

通過3D3s軟件進(jìn)行整體模型計(jì)算可以得到，結(jié)構(gòu)恒載+活載下擾度值減小為45 mm，僅為跨度的1/420，所有桿件中應(yīng)力比也減小為最大0.9，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[5]。

3.3.2 節(jié)點(diǎn)分析結(jié)果

通過Midas FEA NX軟件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)有限元分析，取腹桿軸力較大節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析得到圖5～6所示結(jié)果，最大應(yīng)力為174.95 N/mm2，小于鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足規(guī)范要求。

圖5 節(jié)點(diǎn)一應(yīng)力云圖

圖6 節(jié)點(diǎn)二應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

1)對(duì)于使用有一定年限的既有建筑加固改造前，建議進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和鑒定分析，為加固設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2)對(duì)于改造項(xiàng)目首先通過整體分析，確定原結(jié)構(gòu)剛度、變形是否滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，對(duì)于不滿足情況進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。應(yīng)采用簡(jiǎn)單有效的加固方案，提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度、提高構(gòu)件承載能力、減小結(jié)構(gòu)整體變形、控制構(gòu)件應(yīng)力。利用有限元軟件對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析可以明確節(jié)點(diǎn)的薄弱部位，并據(jù)此采取針對(duì)性的優(yōu)化加固方案，從而保證節(jié)點(diǎn)安全。

3)應(yīng)考慮施工的便利性，減小對(duì)原結(jié)構(gòu)的破壞。在原結(jié)構(gòu)上進(jìn)行焊接施工前，除去鋼材表面涂層材料，施工完成后，再根據(jù)防腐防火要求進(jìn)行涂裝。

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