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阅读 544 次 某超市钢结构加层设计实例分析

摘要:本文通过具体工程实例,详细阐述了钢结构加层方案确定及模型简化方法,特别是加层柱底简化。如果加层结构方案合理、简化计算准确及上下连接构造处理得当,既可保证原结构的安全,又可保证上部新加结构可靠,同时能带来较好的经济效益和社会效益。...

 某超市钢结构加层设计实例分析

刘卫辉,戚明军,郑永强

(1. 陕西省建筑设计研究院,陕西 西安,710018;

2.西北建筑设计研究院,陕西 西安,710018)

     1、工程概况

某超市位于杨凌火车站南广场附近,地理位置优越,2007年开始设计施工,2009年投入使用。该工程为三层钢筋混凝土框架结构,局部五层,其中局部夹层用于超市内部人员办公及管理,底层层高5.6m,二、三层层高4.8m,总建筑面积为19937m2,建筑高度15.35m。工程采用钢筋混凝土框架结构,楼层及屋面板均为现浇,基础采用独立基础,地基处理采用灰土挤密桩,设计地基承载力要求不小于220kPa。由于该超市地理位置优越,经营状况大大超出预期,本工程2012年提出加层改造设计,要求在原有的结构上增加二层钢结构,增加二层钢结构的主要功能为电影院、台球厅、咖啡馆等,其中电影院有6个影厅,空间上要求二层通高,增加高度8.0m,增加使用面积7900m2。该工程的改造成功能带来较大的社会和经济效益。甲方提出加层设计及施工的原则是既要符合现行规范要求,又要不破坏原有结构和目前正常运营情况。图1为加层钢结构局部平面。该工程地震设防类别为重点设防类,地震设防烈度为7度(0.15g),地震分组为第二组,场地类别为Ⅱ类,特征周期值为0.40s,基本风压0.35,周期折减系数采用0.7,混凝土强度等级均为C30,混凝土框架的抗震等级为二级,钢结构抗震等级为三级。 

图1 加层钢结构局部平面

     2、计算分析

下部混凝土框架结构上部为钢结构加层,对于此类竖向混合结构,规范没有明确的规定。此结构计算的难点在于上下结构的阻尼比不同,下部混凝土结构的阻尼比为0.05,上部钢结构的阻尼比为0.04,常用设计软件satwe地震参数只能填一个阻尼比;其次此类结构下刚上柔,存在刚度突变问题,由于高振型的影响,上部钢结构应存在动力放大效应,该放大效应系数如何确定。本工程计算分析时,复核下部结构承载力及配筋时阻尼比采用0.05,设计上部钢结构部分时阻尼比采用0.04。确定上部结构放大系数时采用弹性时程分析法确定。

     2.1 加层方案确定

    《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)第3.7.2条规定,对既有结构进行改建、扩建、或加固改造而重新设计时,承载能力极限状态的计算应符合本规范和相关标准的规定;既有结构的正常使用状态验算及构造要求宜符合本规范的规定。加层设计时采取以下措施减少荷载:①将屋面找坡层、防水层、找平层去除,新加房屋地面采用地毯或塑胶地面替代,可减少恒载3.5KN/m2;②加层部分采用钢结构承重体系,尽量减少结构自重;③隔墙采用轻质隔墙或双层隔音轻质墙;④加层楼面厚度控制在80mm,屋面采用轻型屋面;⑤影院座位下部全部架空。另外充分考虑下部结构的承载历史和施工状态的影响,使加层荷载传力均匀,避免出现某处突变情况。由于原有混凝土框架柱顶层截面均为500x500,且柱顶节点梁柱钢筋锚固凌乱复杂,新加钢结构柱底只能处理成铰接形式,为了保证加层结构的稳定性,在柱间设置钢支撑,最终确定加层结构形式为柱底铰接钢框架+支撑结构。

     2.2 计算结果控制指标

本工程采用2010版PKPM系列软件STS三维建模及荷载输入,采用空间有限元软件SATWE计算。模型建立完全按照原结构的竣工图,荷载按施工图总说明中的要求并符合实际使用情况输入。加层钢结构支撑采用程序中的斜杆单元模拟,支撑采用“人”字撑形式,在特殊构件定义中将支撑两端指定为铰接,框架柱底指定为铰接。支撑布置主要考虑不影响建筑功能并满足结构的规则性。由于加层部分建筑平面较复杂,存在局部开洞,楼板不连续,仅按整体分析不能反映加层部分的规则性,因此结构的规则性分别按整体模型和仅有两层钢结构模型分别进行判别。

经反复试算和改变支撑布置情况,整体分析时结构的钢结构加层X向扭转位移比最大值为1.19,最大层间位移角为1/1229,支撑承担的倾覆弯矩百分比为63%、承担的剪力百分比为65%;Y向扭转位移比最大值为1.17,最大层间位移角为1/1551,支撑承担的倾覆弯矩百分比为68%、承担的剪力百分比为66%。仅有两层钢结构的局部模型分析时X向扭转位移比最大值为1.15,最大层间位移角为1/1111,支撑承担的倾覆力矩百分比为64%;Y向扭转位移比最大值为1.07,最大层间位移角为1/1221,支撑承担的倾覆力矩百分比为67%。

结构构件强度和稳定按以下要求控制:框架柱、框架梁应力比按0.9,有混凝土楼板的简支次梁按1.0、无混凝土的简支次梁和悬挑次梁按0.9、支撑应力比按0.7。

     2.3 确定加层剪力放大系数

开始试算时加层楼层动力放大系数按1.0,经试算,结构的各项控制参数满足规范并且梁、柱截面调整基本合适后,再采用弹性时程分析计算。根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010,7度(0.15g)地区时程分析所用地震加速度最大值为55cm/s2,本次计算采用三组加速度时程曲线,其中两条为实际强震记录,一条为人工模拟。选时程曲线是否合适的原则为三条时程曲线计算所得结构底部剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%,三条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。程序根据特征周期选波,经试算分别选择了RH1TG040(人工波)、TH1TG040(天然波)、TH2TG040(天然波)满足规范选波原则,作为合适的时程曲线使用。表3.1-1、表3.1-2分别给出了振型分解反应谱法与时程分析法X向、Y向楼层剪力对比值。

表3.1-1 反应谱与时程分析X向楼层剪力对比

 
表3.1-2 反应谱与时程分析Y向楼层剪力对比

 

根据规范当取三组加速度时程曲线输入时,计算结果易取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值。由表2.3-1和表2.3-2数值分析可知,三条时程分析曲线算得的基底剪力平均值是反应谱法的0.96倍,包络值是反应谱法的1.03倍,差别均在5%以内,因此利用振型分解反应谱分解反应谱法计算和设计时全楼动力系数不放大。三条时程分析曲线算得的加层X向的楼层剪力包络值是反应谱法的1.18~1.20倍,Y向为1.17~1.18倍。因此利用振型分解反应谱法计算和设计加层钢结构时,顶部加层应取1.2的楼层动力放大系数。动力系数确定后,部分结构构件不满足控制指标,重新调整后均满足前述控制指标。

     3、加层柱脚节点构造

钢结构加层节点构造除柱脚节点构造较为复杂外,其余节点构造均为常规钢结构构造。由于钢结构加层柱底生根先天性不足,钢结构加层柱底按铰接处理,柱底主要产生竖向力和水平剪力,竖向力可以直接传递至下部原混凝土框架柱;水平剪力却不能有效传递,因为混凝土框架顶层柱节点区钢筋锚固复杂,不能凿开孔洞直接放置抗剪键,另外由于柱脚锚栓不能传递剪力。本工程采取的做法是在混凝土柱顶植筋增加钢筋混凝土短柱作为过渡,再在混凝土短柱上生根钢结构加层柱,而对于支撑处混凝土短柱,在混凝土短柱处进行加腋,如图3.1~3.3。化学植筋所用锚固灌浆的性能,应满足《钢筋混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004,原有构件上打孔时,先用探测仪测出构件中钢筋的位置,并标在构件上,检查孔的位置是否会碰到钢筋,施工缝处理原则为:①将连接表面凿毛,露出原有钢筋,且不得小于1mm;②用钢刷将表面松动层清理干净,并用高压水冲洗表面;③刷1:1水泥浆一道,约3个小时后浇混凝土振捣,2次凝固。 

图3.1短柱做法                          图3.2短柱加腋做法

 

图3.3 A-A剖面

     4、原结构加固措施

决定本工程加层方案是否可行的重要因素是地基和基础是否需要加固,原工程在进行设计时地基形式为灰土挤密桩复合地基,要求承载力为220kPa,实际设计时地基承载力仅使用200kPa,根据经验灰土挤密桩复合地基随时间增加承载力应有提高,于是在现场进行了四处静载荷试验,四处试验结果最小值为310kPa,平均值为317kPa,试验结果满足加层的需要并有所富余。根据现场载荷试验确定的地基承载力和钢结构加层的柱底反力,复核独立基础的截面及配筋,均满足设计要求,地基和基础均不需要加固。

复核下部梁柱配筋时,整体结构计算阻尼比采用0.05,计算结果与原施工图进行比对,水平构件均满足要求,不需要加固。框架柱存在部分配筋不足和轴压比超限,主要分布在上部钢结构支撑所对应的位置,共计30根框架柱。加固采用外包钢板及型钢加固方案,加固时主要采取以下控制措施:①若构件表面有蜂窝、裂缝应先修补嵌平,再打磨露出结构本体,并用丙酮擦净;②对钢板及型钢的粘结面进行平整、除锈处理,粘结面应显露金属光泽,并用丙酮擦净。③胶料配制按称量比例调制粘结胶,使用前要充分搅拌,把配制好的胶料同时涂抹在已处理好的钢板和混凝土面上,把钢板与混凝土粘贴;④钢板粘贴后用M12膨胀螺栓固定,并立即加压直至钢板周边同时挤出胶液为止,钢板加压不得中途局部减压,经24小时后可卸压,⑤经固化卸压后进行防锈防腐处理,外包钢板及型钢施工完成后,在加固件钢板及型钢表面抹25mm厚M7.5水泥砂浆保护层,并采取相应措施避免保护层空鼓,也可采用其它饰面材料加以保护。

     5、结论

该超市钢结构加层取得了较好的经济和社会效益,加层钢结构竣工后的最终含钢量仅为39kg/m2;钢结构加层部分计算时,顶部所加楼层应乘以动力放大系数,该系数可由时程分析法确定,一般取1.2左右;钢结构加层模型简化需与实际构造一致,加层柱底传力路径须可靠、简洁、明确,可通过增加过渡短柱的方案解决;加层结构计算完成后必须通过现场载荷试验确定并复核当下的地基承载力,详细比对原结构的强度和配筋,对原有结构先加固后进行加层改造。

 (本文来源:陕西省土木建筑学会   文径网络设计项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑  刘真 文径 审核)

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