邊勝偉

(中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000)

1 引言

近年來，許多學者將目光轉向既有建筑空間改造，力圖通過老舊建筑改造和結構加固達到空間再利用的目的。其中，胥剛[1]引入城市建筑整治項目案例，進行加固與節(jié)能改造，綜合使用噴射鋼筋混凝土板墻補強技術、植筋技術、壓力灌漿補強技術等，實現(xiàn)老舊建筑結構優(yōu)化。黃修月[2]論述了空間改造與結構技術的應用價值，對比增大截面積法、混凝土加固法、粘貼鋼板法等的異同和優(yōu)勢。本文總結已有研究成果，以福建省廈門市某大跨度廠房改造為例，對其參數(shù)計算細節(jié)、方案設計細節(jié)等進行論述，重點提出新增柱網(wǎng)支撐方案和增設支點加固方案，有效減少工程量，提升建筑改造質量。

2 項目概況

福建省廈門市某地舊廠房占地面積43 652 m2，中間部分為組裝車間，南北各設一個開敞通道，四周設置4 個構件加工磨削車間，環(huán)繞組裝車間布局，兩側為輔助用房，除中部組裝車間凈空較高外，其余功能區(qū)屋蓋高度均一致。廠房初建時采用輕鋼結構，主車間采用三跨門式剛架設計方案，底部使用鉸接方式固定，且中柱為頂部鉸接搖擺柱，單層架構，高度為18.3 m，輔助用房為雙層架構，檐口高度為11.75 m。改造環(huán)節(jié)需將組裝車間屋面加高至20.3 m，輔助用房預留8.5 m 凈高，以滿足新型生產(chǎn)設備布局需求。

3 方案設計

對現(xiàn)場情況進行摸排調查后，初步制訂兩種不同的改造方案：一是直接加固方案。新柱網(wǎng)與舊剛架結構相連接，以節(jié)省新增結構柱的步驟，減少成本支出，降低對建筑地基的不利影響，但其局限性明顯，新結構載荷沿舊結構傳遞，易造成垮塌，需進行大量的加固防護。二是新建柱網(wǎng)，使之脫離舊有支撐體系單獨存在，雖會帶來柱網(wǎng)沖突風險和地基沉降風險，但加固工程量較小，穩(wěn)固性更有保障。經(jīng)過可行性論證，最終確定使用方案二。改造工程范圍內(nèi)土層性質較特殊，殘積黏性土埋置較深，廠房初建時使用換填法處理，換填材料為砂石，換填標高為-2.000 m，如果直接將新建部分落于老土層上，則開挖深度可能超過原基礎，易造成失穩(wěn)風險。因此，決定引進高壓旋噴樁處理方式，對地基進行加固(見圖1）。綜合考慮后使用雙管旋噴樁，設計承載值為200 kPa，管徑為500 mm，同時采取優(yōu)化措施，以防止噴射壓力帶來擾動。施工采用跳打方案，以舊基礎為中心，遵循先近后遠的基本原則，注漿壓力為20 MPa，水泥材料中摻入早強劑[3]。施工前進行了系統(tǒng)的配比試驗，最終確定水灰比為0.8～1.2。在確定噴漿壓力、水灰比的基礎上，精準制備水泥漿液，并在現(xiàn)場打設數(shù)根試驗樁進行試樁試驗，將攪拌機提升速度確定在15 cm/min。新建結構區(qū)域范圍內(nèi)存在1 根體積較大的中跨鋼梁，建設方希望拆除以擴大開敞空間，但結構分析后認為鋼梁拆除后，舊有門式剛架結構無法從搖擺柱上獲取充分的載荷支撐，必須通過鉸接節(jié)點改造，使之成為剛接結構才能確保穩(wěn)定性，且梁柱、基礎等均需要改造加固，因此，最終確定了保留中跨結構，設置隅撐檁條的方式。

4 結構分析

改造結構應區(qū)分新建、舊有結構，新建結構屋面需高出舊有結構屋面原有水平，底部跨度為34.2 m，采用鋼桁架結構形成獨立支撐體系。屋面恒載設計值為0.25 kN/m2。綜合分析后使用Q345 高強度鋼材，將相關參數(shù)輸入PKPM-STS 平臺計算，結構示意如圖2所示。由于原廠房建設年代久遠，門式剛架的設計規(guī)范和行業(yè)標準經(jīng)過多次調整，初時依據(jù)CECS 102—1998《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)程》，與現(xiàn)行GB 51022—2015《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規(guī)范》存在一定差異，因此，相關參數(shù)需重新計算。按現(xiàn)行規(guī)范分析，結構中使用的構件基本滿足剛度要求，但構件1 和構件2 在部分指標上出現(xiàn)偏差，強度和穩(wěn)定性不符合要求。其中現(xiàn)行規(guī)范要求梁最大應力不超過305 MPa，但邊跨梁應力計算結果超載，已達384 MPa，原因在于中跨部分采用新建結構方案，舊剛架中跨被廢棄，故兩側邊跨受力結構變更，跨中彎矩增大。而舊有廠房結構設計過程中，為提升設計簡潔性，在很多區(qū)域使用了滿應力方案，鋼材強度消耗嚴重，結構整體的安全儲備不足，當載荷發(fā)生變更時，易出現(xiàn)應力超載、失穩(wěn)等問題，后續(xù)可能需通過加固改造的方式提升承載上限。

5 空間改造與結構技術要點

5.1 支撐布置

考慮到既有建筑空間、結構改造環(huán)節(jié)，采用新建鋼結構方案，屋面體系高出原有結構水平，因此，水平支撐的可靠性對結構產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)場評估論證認為改造結束后，新屋面體系與舊體系之間存在兩個顯著區(qū)別。

1）中跨風載荷作用差異。由于中跨部分拆除屋面板，所以風載荷減小，可適當簡化結構構造。操作時僅保留部分檁條，使其繼續(xù)發(fā)揮隅撐作用，同時保留水平撐桿和交叉桿，以提升穩(wěn)固性。針對邊跨受力結構變更問題，改變原有隅撐間隔設置，采用逐一設置的新方案，每根檁條對應一個隅撐，有效縮短了側向支撐間距，優(yōu)化屋面整體的受力結構。

2）建筑南北保留開敞通道，可能帶來較大的風載荷隱患，導致屋面結構挪移、失穩(wěn)等問題，因此，在關鍵軸部位設置水平支撐，與原有結構保持相同柱距，有效提升了屋面結構應對風載荷的能力?？疾煸兄螚U狀態(tài)，更換銹蝕、磨損桿件，確保其剛度強度指標符合使用要求，優(yōu)化后的屋面支撐體系如圖3所示。

5.2 門式剛架加固

5.2.1 加固方案

本次工程中，綜合現(xiàn)場調查情況和技術可行性論證，選擇增大截面積法進行優(yōu)化。對于H 形鋼梁來說，改造對象主要為鋼梁上下翼緣板。這種加固方式應用效率較高，采用型鋼結構材料，通過焊接方式使內(nèi)外部材料形成整體，共同承受新建結構的載荷應力，可較好地解決構件抗彎承載力不足的困境。由于結構跨度較大，部分梁段可能出現(xiàn)外穩(wěn)定不足情況，應搭配隅撐進行防護，通過縮小隅撐間距改善受力結構。輔助用房加固時同樣沿用增大截面法，新結構凈空要求使得助用房的組合樓板被拆除，組裝車間結構改變，因此，構件載荷傳遞也發(fā)生一定變化，現(xiàn)場需加固鋼梁、鋼柱以應對應力變化問題，鋼柱原本采用H 形結構，通過改造加固為箱形結構，以改善柱體弱軸剛接部分的受力特性。

5.2.2 加固計算

鋼結構加固施工前需進行細致、嚴謹?shù)膮?shù)計算，遵照CECS 77—1996《鋼結構加固技術規(guī)范》對增大面積加固數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。CECS 77 中指出，補強加固環(huán)節(jié)需綜合考慮強度及穩(wěn)定性，負載條件下計算的應力比不大于0.55。計算發(fā)現(xiàn)，負載條件下二者應力比大于0.55。因此，只能開展卸載加固操作。由于鋼結構增大面積加固環(huán)節(jié)，使用焊接穩(wěn)固方法，故焊接技術的應用也會間接影響結構穩(wěn)定性。焊縫大小是其中的關鍵性因素，要結合截面剪力、焊縫強度設計值等計算得出。增加截面后，構件幾何特性變更，連接焊縫厚度、強度等均需重新計算。

5.3 節(jié)點設計

增大截面法加固會涉及構件連接節(jié)點問題，若單一采用鉆孔焊接方式，可能會造成殘余變形應力，且節(jié)點位置選擇不當，過于貼近高強螺栓，還可能造成熱影響變形的情況。因此，如何選擇節(jié)點、設置節(jié)點就成了加固環(huán)節(jié)要考慮的重點問題。對于鋼梁翼緣加固施工項目來說，需要在上下緣板部分增設鋼板，此時可能帶來焊縫收縮、鋼板拱曲風險，實踐中可以采用搭配焊接的方式，在中部使用開孔塞焊手法，端部則改用正面角焊方法，試驗后發(fā)現(xiàn)該種方法表現(xiàn)良好，后續(xù)還可以增設勁板進行補強防護，防止出現(xiàn)補強不到位的情況(見圖4）。工程部分區(qū)域采用ALC 輕質隔墻體系進行功能區(qū)分割，立柱設置環(huán)節(jié)采用連接板固定在鋼梁之上，連接板一側連接主體封口板，另一側與梁體下翼緣焊接，以達到穩(wěn)固的目的。注意連接節(jié)點設置時要避開梁體端板，這是因為端板部分設置高強度螺栓，焊接可能造成螺栓松動，導致結構失穩(wěn)等后果。此外，鋼梁自體加固處理主要采用加焊T 形鋼的處理方式，可較好地降低應力比，上下翼緣最好采用梯形貼板以提升整體強度，保證兩端彎矩傳遞的順暢性。鋼柱柱腳節(jié)點設計時要合理布置抗剪鍵位置，舊有抗剪鍵位于柱體中央，加固難度較大，設計時可在兩側新增抗剪鍵以提升抗剪性能。

6 結語

既有建筑空間改造與結構技術應用可提升空間利用率，緩和城區(qū)土地資源緊張壓力，保障經(jīng)濟與社會效益的雙重提升。實踐中務必要正視其功能價值，結合現(xiàn)場調查結果，選用適用的加固改造方案。使用增大面積加固法時需充分考慮結構應力、構件幾何特性等因素，根據(jù)現(xiàn)行設計規(guī)范重新驗算結構強度剛度指標。同時，考慮新結構造成的空間影響、載荷影響，做好支撐設置工作。節(jié)點選擇應盡量遠離高強度螺栓，減少鉆孔焊接方法的使用頻率，以降低焊接熱影響，為工程整體質量的提升奠定基礎。